CN102931267B - 一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅基异质结太阳能电池，依次包括栅电极、透明导电膜、硼掺杂非晶硅、本征非晶硅、N型单晶硅及背电极，背电极由分布布拉格反射器和铝薄膜构成，分布布拉格反射器是由掺铌二氧化钛薄膜与掺铝氧化锌薄膜间隔设置构成，铝薄膜设于分布布拉格反射器中最外层掺铝氧化锌薄膜的表层；采用两种折射率不同的透明导电膜构成分布布拉格反射器作为背电极，使得电池器件的串联电阻小，利于载流子的收集，进而电池的光电转换效率高；分布布拉格反射器与铝电极组合的背反射电极可以使具有特征波长的近红外部份的长波波段通过两层折射率差异的导电膜反射回晶体硅片内部被重新吸收，提高电池的电流和光电转换效率。

Description

一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种具有高背反射电极的薄膜硅/晶体硅异质结电池及其制备方法。

背景技术

薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池综合了薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池各自的优点，具有优异的应用前景，其基于晶体硅片为光电吸收层，电流密度高、光电转换稳定性好，而其制备工艺主要为薄膜太阳能电池过程中的低温工艺，从而相比晶体硅制备的高温过程，其成本可以有效地控制在一个低位水平，此外，该异质结电池的光电转换效率远比薄膜太阳能电池要高，综合以上几点，使得该种电池有着独特的应用前景。

为了提高薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池的光电转换效率，其中重要的一点是增加电池本身对入射光线的吸收效率，而入射的太阳光线中，不同波长的光穿过半导体吸收层以及被其所吸收的程度是不相同的，对于那些波长较长的光，如红光至近红外光，其穿透力较强，在入射至半导体吸收层时，有些能量还未被吸收层吸收就已穿透，进入电池的背电极处，如果背电极对该部份的光线反射效果不好，如单一铝膜背电极，就会导致这一部份光能的损失，使得太阳能电池的吸收效率降低，影响其光电转换效率。

为此，人们提出一种分布布拉格反射器的背反射电极，其由两种折射率不同的材料交替排列构成，一对称为一个分布布拉格反射器，根据光学理论，具有特征波长的光在分布布拉格反射器上的反射率最大，即可以将光线反射回半导体吸收层内部，以使其再次吸收，从而增加电池对光线的吸收效率，提高电池的电流以及光电转换效率。而现有分布布拉格反射器，是由透明导电膜和与透明导电膜折射率不同的半导体薄膜交替排列构成，其电阻率太大、导电性不佳，对电流的收集存在一定的困难，用作薄膜硅/晶体硅异质结电池的背反射电极时，实际使用效果不好。现有技术中，没有两层都用透明导电膜的，因为要求两种材料折射率不一样，现有透明导电膜折射率相差不大，可以认为是一样的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效背反射电极结构的硅基异质结太阳能电池，使得太阳光线中的近红外光部份可以更为有效地被背反射电极反射至电池光吸收半导体层内部，再次被吸收，从而增加电池对入射光线的吸收效率，提高电池的光电转换水平。

本发明同时提供一种薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种硅基异质结太阳能电池，依次包括栅电极、透明导电膜ITO、硼掺杂非晶硅P、本征非晶硅I、N型单晶硅及背电极，其特征在于：所述背电极由分布布拉格反射器和铝薄膜构成，所述的分布布拉格反射器是由掺铌二氧化钛薄膜与掺铝氧化锌薄膜间隔设置构成，所述铝薄膜设于分布布拉格反射器中最外层掺铝氧化锌薄膜的表层。

所述背电极包括3~6对分布布拉格反射器，一层掺铌二氧化钛薄膜与一层掺铝氧化锌薄膜为一个周期结构，构成一对分布布拉格反射器。

所述掺铌二氧化钛薄膜的厚度为80~100nm，折射率为2.6~2.8，电阻率为8×10^-4欧姆.厘米。

所述掺铝氧化锌薄膜的厚度为120~160nm，折射率为1.8~2.0，电阻率为4×10^-4欧姆.厘米。

所述铝薄膜的厚度为2~5微米。

一种硅基异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）背电极的制备采用厚度250~300微米，电阻率0.5~2欧姆.厘米的N型（100）晶向双面抛光型单晶硅片作为衬底，采用磁控溅射工艺在衬底的一面制备3~6对由掺铌二氧化钛薄膜和掺铝氧化锌薄膜间隔设置构成的分布布拉格反射器，其中掺铌二氧化钛薄膜的厚度为80~100nm，掺铝氧化锌薄膜的厚度为120~160nm，然后在分布布拉格反射器的最外层掺铝氧化锌薄膜上溅射一层铝薄膜，厚度为2~5微米，完成背电极的制备；

（2）PN结的制备采用RF-PECVD技术，在上述衬底的另一面沉积本征非晶硅I与硼掺杂的非晶硅P，形成异质PN结，其中本征非晶硅I为界面缓冲层，用以对N型单晶硅片表面钝化；本征非晶硅I与硼掺杂的非晶硅P的沉积温度为180~220℃；

（3）在PN结之上溅射一层透明导电膜ITO，最后采用热反应蒸发法在透明导电膜ITO之上制备一个钛钯银复合栅电极。

采用磁控溅射工艺制备掺铌二氧化钛薄膜时，所用的靶材为TiO₂与Nb₂O₅的氧化物陶瓷靶，其中Nb原子替换Ti原子掺杂的摩尔百分比为5%~10%；制备掺铝氧化锌薄膜时，所用的靶材为Al₂O₃与ZnO的氧化物陶瓷靶，其中Al₂O₃与ZnO重量比为（2～5）：（95～98），两者的重量和为100。

本发明的优点是：

（1）本发明创新点在于，采用两种折射率不同的透明导电膜掺铌二氧化钛薄膜和掺铝氧化锌薄膜构成分布布拉格反射器作为背电极，两种薄膜材料均为透明导电膜，比现有半导体薄膜与透明导电膜的组合导电性要好，使得电池器件的串联电阻小，利于载流子的收集，填充因子高，电池的光电转换效率高；

（2）分布布拉格反射器与铝电极组合的背反射电极反射效果更好，可以使具有特征波长的近红外部份的长波波段通过两层折射率差异的导电膜而反射回晶体硅片内部被重新吸收，提高电池的电流和光电转换效率；

（3）薄膜硅/晶体硅异质结电池的光生载流子的输运主要靠载流子在晶体硅内部的扩散过程，相比于薄膜太阳能电池中主要依靠在PN两端的电场中的漂移过程不同，异质结界面处的能带失配造成的带阶对载流子的输运有较大影响，如图2本发明的异质结电池的能带图可见，由于本发明提出的异质结电池背反射电极为带隙较宽的掺铌的二氧化钛薄膜，且薄膜呈N型导电，这会使晶体硅背面与掺铌的二氧化钛接触的界面能带失配主要落在价带处，形成了光生载流子空穴的势垒，使得光生空穴很好地被带阶反射回晶体硅内部，进入正面异质结而被收集，增加了对空穴的收集效率；同时导带处电子的带阶由于N型掺铌的二氧化钛薄膜的存在而较小，对电子的阻碍作用不大，电子能够较容易的通过势垒而到达背电极被收集，所以电池的总体收集效果会得到明显的增加，电流增大，光电转换效率得到有效的提升。

（4）本发明提出的背反射电极结构，其制备工艺均为磁控溅射工艺，只需在一个真空室中安置多个不同的溅射靶材，即可完成电池背电极的制备，工艺简单，电池器件不会受到污染。现有技术需在多个不同设备之间经大气环境的转换，造成对电池器件的氧污染，影响其性能。

附图说明

图1为本发明的硅基异质结太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明的硅基异质结太阳能电池的能带结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

参见图1所示，本发明所提供的一种硅基异质结太阳能电池，依次包括栅电极5、透明导电膜4、硼掺杂非晶硅3、本征非晶硅2、N型单晶硅1及背电极，背电极由分布布拉格反射器和铝薄膜8构成，分布布拉格反射器是由掺铌二氧化钛薄膜6与掺铝氧化锌薄膜7间隔设置构成，铝薄膜8设于分布布拉格反射器中最外层透明掺铝氧化锌薄膜的表层。一层掺铌二氧化钛薄膜与一层掺铝氧化锌薄膜为一个周期结构，构成一对分布布拉格反射器，背电极包括3~6对分布布拉格反射器，图1中给出3对分布布拉格反射器，掺铌二氧化钛薄膜的厚度为80~100nm，折射率为2.6~2.8，电阻率为8×10^-4欧姆.厘米，掺铝氧化锌薄膜的厚度为120~160nm，折射率为1.8~2.0，电阻率为4×10^-4欧姆.厘米，铝薄膜的厚度为2~5微米。

一种硅基异质结太阳能电池的制备方法：

1、首先制备器件的背反射电极。选取厚度为300微米，电阻率为1欧姆.厘米的N型双面抛光单晶硅片，尺寸为4cm×4cm，采用硅片清洗的标准程序RCA步骤对单晶硅片1进行清洗处理，然后将清洗好的硅片放入磁控溅射真空室中，在其中的一面镀膜，其中磁控溅射真空室中安置有3个不同的靶材，分别用于制备3种不同的膜，其中放置器件的基片衬底可以相对不同的靶材移动，并可调节靶基距，用于不同膜的溅射。

（1）首先采用磁控溅射工艺制备掺铌二氧化钛薄膜（TiO₂:Nb），选用的靶材为TiO₂与Nb₂O₅的氧化物陶瓷靶，其中Nb原子替换Ti原子掺杂的摩尔百分比为8%，靶材与基片的距离为2.5cm，溅射温度为550℃，溅射功率密度为2.5W/cm²；溅射工艺气体氩气的流量为200sccm，溅射时间为5分钟；如此得到的掺铌二氧化钛薄膜的厚度为90nm；

（2）然后在其上制备掺铝氧化锌薄膜7（AZO），选用的靶材为Al₂O₃与ZnO的氧化物陶瓷靶，其中Al₂O₃与ZnO重量比为3：97，靶材与基片的距离为3cm，溅射功率密度为2.5W/cm²；溅射工艺气体氩气的流量为200sccm，溅射时间为8分钟；如此得到的掺铝氧化锌薄膜7的厚度为125nm；

（3）重复上述步骤，分别制备3对共6层膜，即3层掺铌二氧化钛薄膜（TiO₂:Nb）与3层掺铝氧化锌薄膜（AZO）交替堆叠，构成分布布格拉反射器；

（4）同样采用磁控溅射工艺制备铝膜8，靶材为铝材，纯度为4N，铝膜的厚度为3微米。

2、电池器件正面异质结的制备将上述背面反射电极制备完成的硅片取出，放入RF-PECVD设备中制备正面异质PN结，在硅片的另一面分别沉积本征非晶硅与硼掺杂的P型非晶硅，厚度各为6nm和20nm，最后将完成正面异质PN结和背反射电极的电池器件放入磁控溅射设备真空室中，制备一层透明导电膜，厚度为90nm；接着采用热反应蒸发法在透明导电膜之上蒸镀钛钯银复合栅电极，厚度为3微米，至此，薄膜硅/晶体硅异质结电池的正面已经完成。

3、对于本发明提出的具有高效背反射电极的硅基异质结太阳能电池，我们比较了其与常规的相同正面结构、不同背电极结构的异质结电池的光电性能，表1为其光电性能比较。由表1可见，采用本发明组合背电极结构的异质结电池，其电流密度由于对长波反射的改善而比常规的要高，同时由于背反射电极处分布布拉格反射器的存在而使膜厚增加，串联电阻有一定的增加，但由于膜均为透明导电膜，其对填充因子的影响不大，比常规的背电极填充因子下降不多，从而使得整体光电转换效率得到提高。

表1不同背电极结构的硅基异质结电池光伏性能指标比较

背电极结构	开路电压	短路电流	填充因子	转换效率
					单一铝电极	642	34.52	0.710	15.73
现有分布布拉格反射器背电极	634	36.75	0.672	15.66
					本发明的组合背电极结构	630	36.71	0.699	16.17

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种硅基异质结太阳能电池，依次包括栅电极、透明导电膜、硼掺杂非晶硅、本征非晶硅、N型单晶硅及背电极，其特征在于：所述背电极由分布布拉格反射器和铝薄膜构成，所述的分布布拉格反射器是由掺铌二氧化钛薄膜与掺铝氧化锌薄膜间隔设置构成，所述铝薄膜设于分布布拉格反射器中最外层掺铝氧化锌薄膜的表层；所述掺铌二氧化钛薄膜的厚度为80~100nm，折射率为2.6~2.8，电阻率为8×10^-4欧姆.厘米；所述掺铝氧化锌薄膜的厚度为120~160nm，折射率为1.8~2.0，电阻率为4×10^-4欧姆.厘米；所述铝薄膜的厚度为2~5微米。

2.根据权利要求1所述的一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于：所述背电极包括3~6对分布布拉格反射器，一层掺铌二氧化钛薄膜与一层掺铝氧化锌薄膜为一个周期结构，构成一对分布布拉格反射器。

3.一种权利要求1或2所述硅基异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）背电极的制备采用厚度250~300微米，电阻率0.5~2欧姆.厘米的N型（100）晶向双面抛光型单晶硅片作为衬底，采用磁控溅射工艺在衬底的一面制备3~6对由掺铌二氧化钛薄膜和掺铝氧化锌薄膜间隔设置构成的分布布拉格反射器，其中掺铌二氧化钛薄膜的厚度为80~100nm，折射率为2.6~2.8，电阻率为8×10^-4欧姆.厘米；掺铝氧化锌薄膜的厚度为120~160nm，折射率为1.8~2.0，电阻率为4×10^-4欧姆.厘米；然后在分布布拉格反射器的最外层掺铝氧化锌薄膜上溅射一层铝薄膜，厚度为2~5微米，完成背电极的制备；

（2）PN结的制备采用RF-PECVD技术，在上述衬底的另一面沉积本征非晶硅与硼掺杂的非晶硅，形成异质PN结，其中本征非晶硅为界面缓冲层，用以对N型单晶硅片表面钝化；本征非晶硅与硼掺杂的非晶硅的沉积温度为180~220℃；

（3）在PN结之上溅射一层透明导电膜，最后采用热反应蒸发法在透明导电膜之上制备一个钛钯银复合栅电极。

4.根据权利要求3所述的一种硅基异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺制备掺铌二氧化钛薄膜时，所用的靶材为TiO₂与Nb₂O₅的氧化物陶瓷靶，其中Nb原子替换Ti原子掺杂的摩尔百分比为5%~10%；制备掺铝氧化锌薄膜时，所用的靶材为Al₂O₃与ZnO的氧化物陶瓷靶，其中Al₂O₃与ZnO重量比为（2～5）：（95～98），两者的重量和为100。