CN102820348A - Azo-黑硅异质结太阳能电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AZO-黑硅异质结太阳能电池，包括表面保护层、金属栅电极、AZO薄膜、黑硅层、晶硅层和金属背电极，所述表面保护层位于金属栅电极之上，所述金属栅电极位于AZO薄膜上，所述AZO薄膜位于黑硅层之上，所述黑硅层位于晶硅层之上，所述晶硅层位于金属背电极上。本发明的有益效果：在黑硅结构表面沉积n型AZO薄膜，形成异质结太阳能电池，提高太阳能电池的开路电压与短路电流，进而提高太阳能电池的转化效率；并简化了太阳能电池的结构，降低了生产成本。

Description

AZO-黑硅异质结太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种AZO-黑硅异质结太阳能电池及制备方法。
背景技术
太阳能电池产业中，硅太阳能电池以高达20%的转换效率，成熟的制备工艺，在太阳能电池产业中占据主导地位。但传统的硅太阳能电池有制备工艺繁琐，生产过程高能耗高污染等缺点，造成其成本居高不下，严重制约着太阳能电池的大规模推广与应用。在硅衬底上利用简单工艺沉积一层透明半导体薄膜，从而制备异质结太阳能电池是一种具有潜在应用前景的构思。理论上此种异质结太阳能电池具有优良的光伏效应，且制作工艺简单，制备温度较低，拥有较高的转换效率。
实际生产中多采用在p型晶硅表面沉积ITO薄膜的方式制备此种异质节太阳能电池。但是In属于贵重金属并具有毒性，在制备过程中容易造成污染；晶硅的反射率较高，光子吸收效率低，生长氮化硅薄膜作为减反层，采用含有添加剂的碱溶液对单晶硅各向异性腐蚀制备陷光结构或利用酸溶液在多晶硅表面制备的腐蚀坑来降低反射率的效果并不理想。
综上所述，现有的异质结太阳能电池存在成本较高，光电转换效率低，生产过程高污染等缺陷。
发明内容
为解决现有的异质结太阳能电池成本高，光电转换效率低等问题，本发明提供一种降低了生产成本、简化了电池结构、光电转换效率高的AZO-黑硅异质结太阳能电池及制备方法。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是：
AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：包括表面保护层、金属栅电极、AZO薄膜、黑硅层、晶硅层和金属背电极，所述表面保护层位于金属栅电极之上，所述金属栅电极位于AZO薄膜上，所述AZO薄膜位于黑硅层之上，所述黑硅层位于晶硅层之上，所述晶硅层位于金属背电极上。
进一步，所述AZO薄膜为n型透明导电半导体薄膜的铝参杂氧化锌薄膜，其铝参杂量范围为1%~6%，电阻范围为10~10-4Ω·cm，可见光透过率大于等于85%，厚度范围为50~100nm。所述n型透明导电薄膜还可以由氧化锌参杂至少一种其他元素构成。
进一步，所述表面保护层是由二氧化硅、氮化硅、氧化铝等氮化物或氧化物构成，其厚度为50~150nm。
进一步，所述金属栅电极和金属背电极由铝、铜、银、金、铂或其合金制成。
进一步，所述黑硅层为单晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层为单晶硅的P型晶硅层。
或者，所述黑硅层为多晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层为多晶硅的P型晶硅层。
上述发明的制备方法，其步骤如下：
（1）利用等离子体浸没离子注入工艺，在晶硅层表面制备黑硅层；
（2）在所述黑硅层表面制备AZO薄膜；
（3）在所述AZO薄膜表面制备金属栅电极；
（4）在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层；
（5）在所述晶硅层背面制备金属背电极。
进一步，步骤（5）中金属背电极是通过丝网印刷或蒸镀方式在所述黑硅层背面制备。
进一步，步骤（2）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法或溶胶—凝胶法在所述黑硅层表面制备AZO薄膜。
进一步，步骤（4）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溶胶—凝胶法或等离子蒸发法在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层。
与现有技术方案相比，本发明技术方案有如下增益：
1、本发明提供的n-AZO/黑硅异质结太阳能电池，其中n-AZO薄膜不但可以与p-黑硅层形成pn结，还可以代替透明导电薄膜作为正面引出电极的一部分，在不牺牲转化效率的前提下，降低了生产成本，简化了电池结构；
2、本发明提供的太阳能电池使用黑硅层作为减反层，它对近0.25um～2.5um的光，即紫外至近红外波段的光几乎全部吸收，具有良好的发光特性，非常适合用来取代目前硅基太阳能电池所使用的硅，不仅扩大吸收太阳能波长的范围，而且大大提高对太阳光能的利用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的AZO-黑硅异质结太阳能电池的结构示意图。
图2是对使用等离子注入技术制备的P-Si黑硅进行标准液和氢氟酸清洗后的结构示意图。
图3是在腔体中通入二乙基锌（DEZ）与三甲基铝（TMA）的混合气体，二乙基锌和三甲基铝与表面Si-H键发生反应吸附在Si表面，并生成副产物CH4、C2H6的结构示意图。
图4是在腔体中通入水蒸气（H2O）的结构示意图。
图5是水蒸气与表面的甲基（CH3）和乙基（C2H5）发生反应生成氧化锌（ZnO）和（Al2O3）并在表面形成H键，生成副产物CH4、C2H6的结构示意图。
图6是发生全部反应后形成AZO薄膜的结构示意图。
图7是采用丝网印刷的方法在AZO薄膜表面制备金属栅电极的结构示意图。
图8是采用等离子蒸发法在正表面沉积一层二氧化硅层的结构示意图。
图9是使用真空蒸镀方法在p-Si表面制备Al金属背电极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例一
参照图1，AZO-黑硅异质结太阳能电池，包括表面保护层1、金属栅电极2、AZO薄膜3、黑硅层4、晶硅层5和金属背电极6，所述表面保护层1位于金属栅电极2之上，所述金属栅电极2位于AZO薄膜3上，所述AZO薄膜3位于黑硅层4之上，所述黑硅层4位于晶硅层5之上，所述晶硅层5位于金属背电极6上。
所述AZO薄膜3为n型透明导电半导体薄膜的铝参杂氧化锌薄膜，其铝参杂量范围为1%~6%，电阻范围为10~10-4Ω·cm，可见光透过率大于等于85%，厚度范围为50~100nm。所述n型透明导电薄膜还可以由氧化锌参杂至少一种其他元素构成。
所述表面保护层1是由二氧化硅、氮化硅、氧化铝等氮化物或氧化物构成，其厚度为50~150nm。
所述金属栅电极2和金属背电极6由铝、铜、银、金、铂或其合金制成。
所述黑硅层4为单晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层5为单晶硅的P型晶硅层。或者是所述黑硅层4为多晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层5为多晶硅的P型晶硅层。
本实施例中的金属背电极6位于p型晶硅层5的背面，采用金属Al作为背电极；p型黑硅层4位于P型晶硅层3之上，形成减反层，用于增加太阳光的吸收率，同时与N型AZO薄膜3形成pn异质结；AZO薄膜3位于p型黑硅层之上与其形成pn异质结，并作为正面引出电极的一部分；金属栅电极2位于AZO薄膜3之上，采用金属Al作为太阳能电池的正面引出电极；p型晶硅层5位于金属背电极6之上，作为p型黑硅结构的衬底，也作为异质结太阳能电池的基区。
实施例二
AZO-黑硅异质结太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
（1）利用等离子体浸没离子注入工艺，在晶硅层表面制备黑硅层；
（2）在所述黑硅层表面制备AZO薄膜；
（3）在所述AZO薄膜表面制备金属栅电极；
（4）在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层；
（5）在所述晶硅层背面制备金属背电极。
步骤（5）中金属背电极是通过丝网印刷或蒸镀方式在所述黑硅层背面制备。
步骤（2）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法或溶胶-凝胶法在所述黑硅层表面制备AZO薄膜。
步骤（4）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法或等离子蒸发法在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层。
本实施例使用原子层沉积（ALD）法技术在黑硅层表面沉积AZO薄膜制备AZO-黑硅异质结太阳能电池，其具体步骤如下：
步骤01：将使用等离子注入技术得到的黑硅基片使用标准液与氢氟酸进行清洗，去除表面污染及氧化层并引入Si-H键，如图2所示，将处理过的黑硅基片放入ALD设备的反应腔室内；
步骤02：开启ALD设备，调整工作参数，达到实验所需工作环境。向反应腔室内通入Al(CH3)3和Zn(C2H5)2，Al(CH3)3和Zn(C2H5)2与p型黑硅结构的衬底分别发生如下反应：
Si-H+Al(CH3)3→Si-Al(CH3)2+CH4
Si-H+Zn(C2H5)2→Si-Zn-C2H5+C2H6
形成Si-Al键和Si-Zn键吸附于p型黑硅结构的衬底表面，如图3所示；
步骤03：待Al(CH3)3和Zn(C2H5)2与p型黑硅结构的衬底充分反应后，向腔体内通入水蒸气，如图4所示；
步骤04：水蒸气与步骤02的生成物发生反应，其反应方程式如下：
Figure BDA00002065284800061
Si-Zn-C2H5+H2O→Si-Zn-O-H+C2H6
反应生成氧化锌与氧化铝，并在薄膜表面生成H键，为下个循环做准备，如图5所示；
步骤05：经过多个循环反应，在p型黑硅表面沉积生成AZO薄膜，如图6所示；
步骤06：使用丝网印刷技术在AZO薄膜表面制备金属Al栅电极，作为正面引出电极，如图7所示；
步骤07：在AZO薄膜和金属Al栅电极表面使用等离子蒸发技术沉积一层氧化硅作为太阳能电池的保护层，防止金属腐蚀与AZO薄膜被还原，如图8所示；
步骤08，在p型晶硅层背面使用蒸镀技术制备金属背电极，本实例采用金属Al作为电极材料，如图9所示。
按照以上步骤即可完成AZO-黑硅异质结太阳能电池的基本结构。

Claims (10)

1.AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：包括表面保护层、金属栅电极、AZO薄膜、黑硅层、晶硅层和金属背电极，所述表面保护层位于金属栅电极之上，所述金属栅电极位于AZO薄膜上，所述AZO薄膜位于黑硅层之上，所述黑硅层位于晶硅层之上，所述晶硅层位于金属背电极上。
2.根据权利要求1所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述AZO薄膜为n型透明导电半导体薄膜的铝参杂氧化锌薄膜，其铝参杂量范围为1%~6%，电阻范围为10~10-4Ω·cm，可见光透过率大于等于85%，厚度范围为50~100nm。
3.根据权利要求1所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述表面保护层是由二氧化硅、氮化硅、氧化铝等氮化物或氧化物构成，其厚度为50~150nm。
4.根据权利要求1所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述金属栅电极和金属背电极由铝、铜、银、金、铂或其合金制成。
5.根据权利要求1~4之一所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述黑硅层为单晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层为单晶硅的P型晶硅层。
6.根据权利要求1~4之一所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述黑硅层为多晶黑硅的p型黑硅层；所述晶硅层为多晶硅的P型晶硅层。
7.根据权利要求1所述的AZO-黑硅异质结太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
（1）利用等离子体浸没离子注入工艺，在晶硅层表面制备黑硅层；
（2）在所述黑硅层表面制备AZO薄膜；
（3）在所述AZO薄膜表面制备金属栅电极；
（4）在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层；
（5）在所述晶硅层背面制备金属背电极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）中金属背电极是通过丝网印刷或蒸镀方式在所述黑硅层背面制备。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法或溶胶—凝胶法在所述黑硅层表面制备AZO薄膜。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）是采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溶胶—凝胶法或等离子蒸发法在所述金属栅电极与AZO薄膜表面制备表面保护层。
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