CN101577294A - 一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法，其特征在于，依次由疏松层TiO₂薄膜、致密层TiO₂薄膜和SiO₂钝化层组成；所述的SiO₂钝化层处于致密层TiO₂薄膜和硅基衬底之间。制备方法包括以下步骤：在硅基衬底正表面上依次沉积一层致密层TiO₂薄膜和一层疏松层TiO₂薄膜；电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密TiO₂界面处生成SiO₂钝化层。本发明中TiO₂/TiO₂准双层减反膜通过改变沉积条件一次完成，在工艺和设备上得到优化，且比单层减反射膜具有更好的减反射效果。

Description

一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法，特别是一种用于太阳能电池的具有钝化作用的硅基太阳能电池双层减反射膜及其制备方法。

背景技术

对于Si基的太阳能电池，提高效率和降低成本成为亟待解决的问题。单晶硅太阳能电池，表面制绒可以把发射区的光程延长4n²倍，n为发射区材料的折射率，这样大大增加了Si对光波的吸收效率。由于硅的折射系数(n~3.5)与空气的折射系数相差很大，光波在界面处仍有11％的反射损失，常用的解决方法是在电池的表面加镀减反射膜。另外，硅表面原子化学键处于悬空状态易于捕获载流子从而降低电池的光电转换效率。钝化就是采用一定方式饱和这些悬空键。高效太阳能电池通常采用SiO₂/TiO₂双层减反膜，其中SiO₂层通过热氧化生成，它主要起钝化作用。TiO₂薄膜具有良好的减反射效果，但其对硅表面不具有钝化作用。

目前，工业生产主要使用SiN_x减反膜，其在制备过程中产生的H离子起到了钝化作用。但折射系数低减反射效果差，这限制了电池光电转换效率的提高。

体硅太阳能电池以及薄膜太阳能电池等第三代太阳能电池效率的提高，对减反膜提出了很高的要求。因此开发低成本的双层减反膜，并实现表面钝化对晶体硅电池和新型太阳能电池的发展都是十分必要的。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法。本发明思想独特，工艺易于实现，对设备没有新要求，制备的薄膜具有钝化作用，且比单层减反射膜具有更好的减反射效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种晶硅太阳能电池双层减反射膜，其特征在于，依次由疏松层TiO₂薄膜、致密层TiO₂薄膜和SiO₂钝化层组成；所述的SiO₂钝化层处于致密层TiO₂薄膜和硅基衬底之间；所述的致密层TiO₂薄膜在600nm波长处的折射率为2.7～2.9；所述的疏松层TiO₂薄膜在600nm波长折射率1.9～2.1。

所述的致密层TiO₂薄膜的厚度为40～60nm；所述的疏松层TiO₂薄膜的厚度为60～80nm；所述的SiO₂钝化层的厚度为1nm～20nm。

一种晶硅太阳能电池双层减反射膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在硅基衬底正表面上沉积一层致密层TiO₂薄膜；

2)在致密层TiO₂薄膜上沉积一层疏松层TiO₂薄膜；

3)电极银浆印刷后，通过常规烧结在致密层TiO₂薄膜和硅基衬底的界面处生成一层SiO₂钝化层。

具体制备方法如下：

步骤1)为：在硅基衬底正表面上利用磁控溅射沉积法制备一层致密层TiO₂薄膜，该致密层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9，厚度为40～60nm；制备时采用金属Ti靶为溅射靶，气体流量比标气：氧气为1～10，溅射气压为0.5Pa～2Pa，溅射功率为250W～350W；

步骤2)为：在致密层TiO₂薄膜上，以气体流量比标气：氧气为1～10，溅射气压为0.5Pa～1Pa，溅射功率改为100W～200W，制备一层疏松层TiO₂薄膜，厚度为60～80nm，疏松层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO₂薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层；

所述的标气为Ar或Ar与H₂、NH₄和N₂三种气体中的任一种或任多种气体组成混合气体，其中，Ar体积分数为80～100％。

第二种具体制备方法为：

步骤1)为：在硅基衬底正表面，利用常压化学气相沉积方法(APCVD)，以Ti(OC₃H₇)₄为源物质，Ti(OC₃H₇)₄体积分数为0.5～2％；以O₂为反应气体，体积分数0.5～2％；以N₂气为携带气体，体积分数为余量，沉积温度500～700℃，制备一层致密层TiO₂薄膜，厚度为40～60nm，该致密层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9；

步骤2)为：在致密层TiO₂薄膜上，用常压化学气相沉积方法(APCVD)，沉积温度改为350～450℃，其他参数与步骤1)相同，制备厚度为60～80nm的TiO₂疏松层薄膜，疏松层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物在经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO₂薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层。

第三种具体制备方法如下：

步骤1)为：在硅基衬底正表面，利用等离子体化学气相沉积方法(PECVD)，以Ti(OC₃H₇)₄为源物质，Ti(OC₃H₇)₄体积分数为0.5～2％；以O₂为反应气体，体积分数0.5～2％；以N₂气为携带气体，体积分数为余量，沉积温度500～700℃，制备一层致密层TiO₂薄膜，该致密层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9，厚度为40～60nm；

步骤2)为：在致密层TiO₂薄膜上，用等离子体化学气相沉积(PECVD)，沉积温度为300～400℃，其他参数保持与步骤1)的相同，制备一层疏松层TiO₂薄膜，厚度为60～80nm，疏松层TiO₂薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物在经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO₂薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层。

本发明的优点与效果：

本发明提供了一种具有钝化作用的太阳能电池双层减反膜及其制备工艺，在同一设备中通过调节沉积工艺条件，在硅衬底上制备出不同光学特性的TiO₂双层减反射薄膜，而后经过电极烧结工艺生成SiO₂钝化层。

本发明中所描述的烧结过程中形成的SiO₂层实现了对晶硅表面的钝化，TiO₂层起到了良好的减反射效果。这种具有钝化作用的太阳能电池双层减反膜制备工艺切实可行。

本发明所述的致密与疏松双层TiO₂薄膜能在同一设备中经适当改变工艺条件而原位制备，可以低成本实现。钝化层沉积温度低，适用于太阳能级硅片。

本发明所描述的致密层和疏松层TiO₂/TiO₂准双层减反膜，主要起减反射作用；SiO₂钝化层主要起钝化作用。本发明所描述的TiO₂/TiO₂准双比单层减反射膜具有更好的减反射效果，并可应用于硅基薄膜太阳能电池；SiO₂钝化层在烧结过程中生成，无需专门添加设备。

另外，在标气中掺杂N₂可以抑制低消光系数锐钛矿相的TiO₂向高消光系数金红石相TiO₂的转变；降低由于烧结过程引起的减反膜光吸收系数的改变。

本发明所描述方案也可用于硅基薄膜太阳能电池。

附图说明：

图1是本发明所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜的结构示意图。

标号说明：1-硅基衬底、2-双层减反膜、2.1-致密层TiO₂薄膜(即简称为″TiO₂致密层″)2.2-疏松层TiO₂薄膜(即简称为″TiO₂疏松层″)2.3-SiO₂钝化层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

在硅基衬底1表面，利用磁控溅射沉积法，金属Ti靶为溅射靶，氩气(Ar)∶氧气(O₂)气体流量比为1～10，溅射气压为0.5Pa～2Pa，溅射功率为250W～350W，制备一层TiO₂致密层2.1厚度为40～60nm，其600nm波长折射率为2.7～2.9。溅射功率改为100W～200W，在TiO₂致密层2.1上制备一层TiO₂疏松层2.2，厚度控制为为60～80nm，该层在600nm波长折射率1.9～2.1。已沉积准双层TiO₂减反射膜的硅衬底，在经过电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密TiO₂界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层。

实施例2

在硅基衬底1表面，利用常压化学气相沉积方法，以Ti(OC₃H₇)₄为源物质，Ti(OC₃H₇)₄体积分数为0.5～2％；以O₂为反应气体，体积分数0.5～2％；以N₂气为携带气体，体积份数为余量，沉积温度500～700℃，保温时间为0.5小时，制备出的TiO₂致密层厚度为40～60nm，其600nm波长处的折射率为2.7～2.9。沉积温度改为350～450℃，在TiO₂致密层2.1上制备一层TiO₂疏松层2.2，其厚度控制为60～80nm，该层在600nm波长处的折射率1.9～2.1。已沉积准双层TiO₂的硅衬底，在经过电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密TiO₂界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层。

实施例3

在硅基衬底1表面，利用等离子体化学气相沉积方法，以Ti(OC₃H₇)₄为源物质，Ti(OC₃H₇)₄体积分数为0.5～2％，以O₂为反应气体，体积分数0.5～2％；以N₂气为携带气体，体积份数为余量，沉积温度500～700℃，制备出TiO₂致密层厚度为40～60nm，其600nm波长折射率为2.7～2.9。沉积温度改为300～400℃，在TiO₂致密层2.1上制备一层TiO₂疏松层2.2，其厚度控制为60～80nm，该层在600nm波长折射率1.9～2.1。已沉积准双层TiO₂的硅衬底，在经过电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO₂界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO₂钝化层。

Claims (6)

1.一种晶硅太阳能电池双层减反射膜，其特征在于，依次由疏松层TiO2薄膜、致密层TiO2薄膜和SiO2钝化层组成；所述的SiO2钝化层处于致密层TiO2薄膜和硅基衬底之间；所述的致密层TiO2薄膜在600nm波长处的折射率为2.7～2.9；所述的疏松层TiO2薄膜在600nm波长折射率1.9～2.1。

2.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜，其特征在于，所述的致密层TiO2薄膜的厚度为40～60nm；所述的疏松层TiO2薄膜的厚度为60～80nm；所述的SiO2钝化层的厚度为1nm～20nm。

3.权利要求1所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在硅基衬底正表面上沉积一层致密层TiO2薄膜；

2)在致密层TiO2薄膜上沉积一层疏松层TiO2薄膜；

3)电极银浆印刷后，通过常规烧结在致密层TiO2薄膜和硅基衬底的界面处生成一层SiO2钝化层。

4.根据权利要求3所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜的制备方法，其特征在于，

步骤1)为：在硅基衬底正表面上利用磁控溅射沉积法制备一层致密层TiO2薄膜，该致密层TiO2薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9，厚度为40～60nm；制备时采用金属Ti靶为溅射靶，气体流量比标气∶氧气为1～10，溅射气压为0.5Pa～2Pa，溅射功率为250W～350W；

步骤2)为：在致密层TiO2薄膜上，以气体流量比标气∶氧气为1～10，溅射气压为0.5Pa～1Pa，溅射功率改为100W～200W，制备一层疏松层TiO2薄膜，厚度为60～80nm，疏松层TiO2薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO2薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO2钝化层；

所述的标气为Ar或Ar与H2、NH4和N2三种气体中的任一种或任多种气体组成混合气体，其中，Ar体积分数为80～100％。

5.根据权利要求3所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜的制备方法，其特征在于，

步骤1)为：在硅基衬底正表面，利用常压化学气相沉积方法，以Ti(OC3H7)4为源物质，Ti(OC3H7)4体积分数为0.5～2％；以O2为反应气体，体积分数0.5～2％；以N2气为携带气体，体积分数为余量，沉积温度500～700℃，制备一层致密层TiO2薄膜，厚度为40～60nm，该致密层TiO2薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9；

步骤2)为：在致密层TiO2薄膜上，用常压化学气相沉积方法，沉积温度改为350～450℃，其他参数与步骤1)相同，制备厚度为60～80nm的TiO2疏松层薄膜，疏松层TiO2薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物在经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO2薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO2钝化层。

6.根据权利要求3所述的晶硅太阳能电池双层减反射膜的制备方法，其特征在于，

步骤1)为：在硅基衬底正表面，利用等离子体化学气相沉积方法，以Ti(OC3H7)4为源物质，Ti(OC3H7)4体积分数为0.5～2％；以O2为反应气体，体积分数0.5～2％；以N2气为携带气体，体积分数为余量，沉积温度500～700℃，制备一层致密层TiO2薄膜，该致密层TiO2薄膜在600nm波长折射率为2.7～2.9，厚度为40～60nm；

步骤2)为：在致密层TiO2薄膜上，用等离子体化学气相沉积，沉积温度为300～400℃，其他参数保持与步骤1)的相同，制备一层疏松层TiO2薄膜，厚度为60～80nm，疏松层TiO2薄膜在600nm波长折射率为1.9～2.1；

步骤3)为：步骤2)所得产物在经电极银浆印刷后，经400℃～900℃的常规烧结，在硅衬底与致密层TiO2薄膜界面处生成厚度为1nm～20nm的SiO2钝化层。

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