CN102290450A

CN102290450A - 一种n型晶体硅太阳能电池

Info

Publication number: CN102290450A
Application number: CN2011102716421A
Authority: CN
Inventors: 郑分刚; 曹大威; 王春燕; 沈明荣
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开了一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片、设于N型硅片上的扩散层，所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；所述第一钝化层为PZT薄膜层，其厚度为10~100nm；所述第二钝化层为透明导电的氧化物薄膜层，其厚度为40~90nm。本发明降低了硅片上表面的复合率和电极复合率，提高了太阳能电池的光谱响应，尤其是长波长的光谱响应，提高了太阳能电池的短路电流及开路电压，从而达到提升太阳能电池的光电转换效率的目的。

Description

一种N型晶体硅太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种N型晶体硅太阳能电池。

背景技术

太阳能作为可再生能源不仅储量大，而且属于清洁能源，所以太阳能的使用研究已为当前科技界的热点。太阳能电池是当前世界开发和利用太阳能的一种普遍形式，它是利用光伏效应将太阳能转换成电能以供给用户使用。根据太阳能电池所用材料不同，一般分为晶体硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池和有机高分子太阳能电池等。其中以晶体硅太阳能电池的转换效率最高，技术也最为成熟。

钝化层是晶体硅太阳能电池中必不可少的一部分。可以说，当今高效晶体硅太阳电池都是利用良好的表面钝化技术来降低半导体的表面活性，使表面的复合速度降低。其主要方式就是饱和半导体表面处的悬挂键，降低表面活性，增加表面的清洁程序，避免由于表面层引入杂质而形成复合中心，以此来降低少数载流子的表面复合速度。目前晶体硅太阳电池表面钝化技术的方法很多，对于传统的p型衬底而言，有热氧化法、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等；对于今后采用的n型衬底而言，有原子层沉积法(ALD)等。相对于研究较多的p型硅衬底而言，n型硅对杂质的抵抗性更强，使得其具有更长的少子扩散长度，理论上能量转换效率更易提高。另外，n型硅也不会出现类似硼氧化物的光致衰减现象，因此逐渐引起了科学家们的广泛关注。

1947年，T. Suntola发明了原子层沉积(ALD)技术。现阶段，利用ALD制备Al₂O₃对太阳电池表面进行钝化尚未开展深入研究，仅仅只从少子寿命方面进行了研究。并且ALD技术在光伏产业上应用最大的缺点是其淀积速度较慢，在制备较薄的膜(<20nm)时尚可接受，但生长较厚的膜时，生长周期就成为挑战。

发明内容

本发明目的是提供一种N型晶体硅太阳能电池，以降低硅表面的复合率，提高太阳能电池的光电转换效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片、设于N型硅片上的扩散层，所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；

所述第一钝化层为PZT薄膜层，其厚度为10~100 nm；

所述第二钝化层为透明导电的氧化物薄膜层，其厚度为40~90 nm。

上文中，所述PZT薄膜层是指锆钛酸铅薄膜层，所述PZT是将醋酸铅、钛酸丁酯、锆酸丁酯等按一定化学计量比溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合中，形成溶胶，可以利用甩膜的方法制备而成；或利用溶胶形成干凝胶、经烘烤后形成粉末，压成靶材。沉积方式可以是磁控溅射、脉冲激光等任意现有的化学物理沉积方法。所得的PZT薄膜具有铁电效应。

上述技术方案中，所述透明导电的氧化物薄膜层为ITO薄膜层或FTO薄膜。优选采用ITO薄膜层。这是因为ITO薄膜的透光度比较大，能够使大部分的光照射到光电转换层上，并且ITO薄膜的厚度控制在70nm左右时，能够起到减反作用；此外，ITO薄膜中含有氧，与PZT薄膜层形成的界面经过高温退火后，能够有效的减少氧空位，从而形成较大的肖特基势垒，从而获得较大的电场。

所述ITO是指掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide），一般简称为ITO；ITO薄膜是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。沉积方式可以是磁控溅射、蒸发镀膜（or真空镀膜）等任意现有的化学物理沉积方法，是现有技术。所述FTO是指掺杂氟的SnO₂导电玻璃(SnO₂:F)，简称为FTO。

透明导电的氧化物薄膜层与PZT薄膜层接触形成肖特基势垒，该内建电场的方向由PZT薄膜指向透明导电的氧化物薄膜的导电面。该电场方向与光电转换层pn结形成的内建电场方向要一致。

本发明的设计机理为：透明导电的氧化物薄膜层（以ITO薄膜层为例）为金属氧化物薄膜，铁电薄膜PZT具有半导体的特性，因此在光电转换层（扩散层）上表面存在ITO/PZT界面肖特基接触的强电场；该电厂能够迅速地分离上表面的电子-空穴对，降低了上表面的复合率。并且，ITO/PZT本身就存在内建电场，电极复合率也大大改善。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明在硅片的扩散层上依次设置了第一钝化层和第二钝化层，且第一钝化层为PZT薄膜层，第二钝化层为透明导电的氧化物薄膜层，而氧化物薄膜层与PZT薄膜层接触形成肖特基势垒，在扩散层（光电转换层）上表面形成ITO/PZT界面肖特基接触的强电场，从而降低了硅片上表面的复合率和电极复合率，提高了太阳能电池的光谱响应，尤其是长波长的光谱响应，提高了太阳能电池的短路电流及开路电压，从而达到提升太阳能电池的光电转换效率的目的。

2．本发明的晶体硅太阳能电池具有较高的开路电压、短路电流和光电转换效率，相比未采用钝化层的普通太阳能电池，本发明的电池的短路电流均有所提高。

3．本发明的电池结构简单，易于制备，适于推广应用。

附图说明

附图1是本发明实施例一的结构示意图；

附图2是本发明实施例一、二、三和对比例一中电池的光谱响应曲线对比图。

其中：1、PZT薄膜层；2、氧化物薄膜层；3、N型硅片；4、扩散层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

参见附图1所示，一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片3、设于N型硅片上的扩散层4，所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；所述第一钝化层为PZT薄膜层1，其厚度为10 nm；所述第二钝化层为氧化物薄膜层2，本实施例采用ITO薄膜层，其厚度为70 nm。

首先将硅片清洗-绒面制备-扩散制pn结，然后将pn结作为基底，用磁控溅射发法沉积PZT薄膜，PZT薄膜厚度为10nm，并在空气中650℃的条件下退火5min，使PZT结晶成相；接着在PZT薄膜上用磁控溅射法沉积ITO薄膜，ITO薄膜厚度为70nm，在空气中650℃的条件下退火10min，形成ITO/PZT/PN样品结构；最后进行丝网印刷和烧结，得到晶体硅太阳能电池。

实施例二

一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片、设于N型硅片上的扩散层，所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；所述第一钝化层为PZT薄膜层，其厚度为40 nm；所述第二钝化层为ITO薄膜层，其厚度为70 nm。

首先将硅片清洗-绒面制备-扩散制pn结，然后将pn结作为基底，用磁控溅射发法沉积PZT薄膜，PZT薄膜厚度为40nm，并在空气中650℃的条件下退火5min，使PZT结晶成相；接着在PZT上用磁控溅射法沉积ITO薄膜，ITO薄膜厚度为70nm，在空气中650℃的条件下退火10min，形成ITO/PZT/PN样品结构；最后进行丝网印刷和烧结，得到晶体硅太阳能电池。

实施例三

一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片、设于N型硅片上的扩散层，所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；所述第一钝化层为PZT薄膜层，其厚度为80 nm；所述第二钝化层为ITO薄膜层，其厚度为60 nm。

首先将硅片清洗-绒面制备-扩散制pn结，然后将pn结作为基底，用磁控溅射发法沉积PZT薄膜，PZT薄膜厚度为80nm，并在空气中650℃的条件下退火5min，使PZT结晶成相；接着在PZT上用磁控溅射法沉积ITO薄膜，ITO薄膜厚度为60nm，在空气中650℃的条件下退火10min，形成ITO/PZT/PN样品结构；最后进行丝网印刷和烧结，得到晶体硅太阳能电池。

对比例一

一种N型晶体硅太阳能电池，按照常规工艺，将硅片清洗、绒面制备、扩散制pn结，然后直接进行丝网印刷和烧结，得到常规太阳能电池。

测试一

测试上述实施例一至三中ITO/PZT/PN样品结构，以及对比例一的硅片的XRD，结果表明：对比例一中只有明显的Si的相存在；实施例一中除了有明显的Si的相存在，ITO薄膜的相也存在；由于PZT薄膜太薄，没有显示出PZT薄膜的相。实施例二中除了有明显的Si的相和ITO薄膜的相存在，PZT薄膜的相也存在。实施例三中除了有明显的Si的相和ITO薄膜的相存在，PZT薄膜的相很明显。

测试二

测试上述实施例一至三中PZT薄膜层的透射谱，实施例一中10nm厚的PZT薄膜的透射谱的截止波长为200nm左右，大于400nm时，透光度几乎与石英基本相同；实施例二中40nm厚的PZT薄膜的透射谱的截止波长为200nm左右，在短波段透光度比较低，随着波长增大，透光度逐渐增大，在近红外波段是透光度最大；实施例三中80nm厚的PZT薄膜的透射谱的截止波长为300nm左右，透光度比实施案例一、二中都低。

测试三

测试上述实施例一至三以及对比例一的太阳能电池的量子效率；结果如图2所示，由图可知：实施例一至三的量子效率相比对比例一而言，在400nm~1200nm，量子效率均有一定的提高；即在长波段的量子效率明显要高于没有第一钝化层和第二钝化层的PN结构的太阳能电池，在PZT厚度为40nm时，达到最好。

测试四

在AM1.5，温度25℃条件下测试实施例一至三以及对比例一的太阳能电池的电性能参数，结果如下表所示：

Figure 2011102716421100002DEST_PATH_IMAGE001

由上表可见，本发明的太阳能电池的开路电压和短路电流都取得了明显的改善；太阳能电池的转换效率有0.587%~3.538%左右的提高。

Claims

1.一种N型晶体硅太阳能电池，包括N型硅片(3)、设于N型硅片上的扩散层(4)，其特征在于：所述扩散层上依次设有第一钝化层和第二钝化层，构成双层结构；

所述第一钝化层为PZT薄膜层(1)，其厚度为10~100 nm；

所述第二钝化层为透明导电的氧化物薄膜层(2)，其厚度为40~90 nm。

2.根据权利要求1所述的N型晶体硅太阳能电池，其特征在于：所述透明导电的氧化物薄膜层为ITO薄膜层或FTO薄膜层。