CN103000741A - 一种黑色异质结晶硅电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黑色异质结晶硅电池，依次包括第一金属电极、第一导电薄膜、P型非晶硅层、第一本征非晶硅层、硅片、第二本征非晶硅层、N型非晶硅层、第二导电薄膜、第二金属电极；所述第一导电薄膜和第二导电薄膜为多晶掺硼ZnO薄膜。制造方法包括步骤：硅片表面预处理；双面沉积的本征非晶硅层镀膜；正面沉积P型非晶硅层，反面沉积N型非晶硅层；电池片正、反两面生长ZnO薄膜，正、反两面导电薄膜上丝网印刷金属栅线。本发明采用抛光的表面平整的硅片，以ZnO薄膜的金字塔结构实现陷光，使电池的陷光结构和电池表面钝化可以分别实现最大化，从而提高电池的光电转化效率。

Description

一种黑色异质结晶硅电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，特别是涉及一种黑色异质结晶硅电池及其制造方法。
背景技术
自从Sanyo开始非晶硅-晶硅异质结(HIT)电池的研究以来，HIT技术已经取得很大的发展，Sanyo已将HIT电池转化率提高到23.7％，成为目前为止实现量产的转化效率最高的晶硅电池结构之一。HIT电池与其他晶硅电池相比，最大的特点是开路电压(Voc)大，这得益于非晶硅对晶体硅表面很好的钝化效果。上述特点导致了HIT电池一个最大的优点，即温度系数小，可以保证HIT电池在正午的高温下，比常规的晶硅组件获得更多的发电量。Sanyo的HIT电池另一个方面的优点是制备过程全部为低温过程，热预算小，且电池结构为正反面对称结构，热应力小，制备过程形变小，因此可以使用更薄的硅片且保证较低的碎片率，有利于降低电池每瓦的发电成本。
HIT电池结构如图1所示，包括第一金属电极107、第一ITO导电薄膜105、P型非晶硅层103、第一本征非晶硅层101、硅片100、第二本征非晶硅层102、N型非晶硅层104、第二ITO导电薄膜106、第二金属电极108。HIT电池工艺上的难点之一是制绒硅片表面的非晶硅钝化，这是保证HIT电池获得700mV以上Voc的关键。制绒工艺通常通过湿化学的方法，在硅片表面形成的“低谷”和“尖峰”结构，这样的结构改变光线入射硅片表面的角度，使光线在电池内部的多次反射，实现多次吸收。制绒效果由可见光在电池表面的反射率判断，反射率越低，电池的短路电流密度(Jsc)越大。但是制绒导致硅片表面积显著增加，制绒后的硅片表面具有大量的“低谷”和“尖峰”，如果不通过湿化学或者等离子体的方法对这些表面进行加工和修饰，5～15nm的非晶硅将很难覆盖这样的表面。表面钝化的效果很大程度上决定了电池Voc的大小，表面积越大，结构越粗糙，通常Voc越小。可见在HIT电池结构中，实现Jsc的最大化与实现Voc的最大化是相互矛盾的。由于上述两者相互制约的关系，在实现电池转化效率最大化的过程中，通常这两者需要相互妥协，找到最佳结合点。因此，HIT电池中非晶硅/晶硅界面是工艺中非常关键的部分，既要实现载流子输运的电学作用，又要具备陷光的光学作用，增加光吸收，而这两个方面在同一个界面上是相互矛盾的。
发明内容
本发明的目的是提供一种黑色异质结晶硅电池及其制造方法，旨在使电池的陷光结构和电池表面钝化可以分别实现最大化，从而提高电池的光电转化效率。
本发明的技术方案是这样的：一种黑色异质结晶硅电池，其特征在于：依次包括第一金属电极、第一导电薄膜、P型非晶硅层、第一本征非晶硅层、硅片、第二本征非晶硅层、N型非晶硅层、第二导电薄膜、第二金属电极；所述第一导电薄膜和第二导电薄膜为多晶掺硼ZnO薄膜。
优选的，所述硅片为表面平整的N型硅片或者P型硅片。
优选的，所述第一导电薄膜厚度为500～2000nm，所述第二导电薄膜厚度为500～2000nm。
优选的，所述第一本征非晶硅层和第二本征非晶硅层的厚度为5～15nm。
优选的，所述P型非晶硅层厚度为5～10nm，所述N型非晶硅层厚度为5～20nm。
优选的，所述第一金属电极与第二金属电极均为金属栅线结构。
优选的，所述第一导电薄膜厚度为500～2000nm，所述第二导电薄膜厚度为100～300nm，所述第一金属电极为金属栅线结构，所述第二金属电极为金属全覆盖结构。
优选的，所述第一金属电极与第二金属电极由Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni或者其合金制成。
一种黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于，包括步骤如下：
A．硅片表面预处理；
B．采用等离子体增强化学沉积对硅片进行双面的本征非晶硅层镀膜；
C．采用等离子体增强化学沉积对电池片正面沉积P型非晶硅层，对电池片反面沉积N型非晶硅层；
D．采用低压化学气相沉积的方法对电池片正、反两面生长ZnO薄膜，采用B2H6或者三甲基硼对ZnO进行掺杂；
E．对电池正、反两面导电薄膜上丝网印刷金属栅线。
优选的，所述步骤E为对电池正面导电薄膜上丝网印刷金属栅线，对电池反面导电薄膜上热蒸发全覆盖金属层。
优选的，所述步骤A表面预处理为硅片表面化学抛光处理，所述化学抛光处理是采用HNO3和HF的酸抛光工艺或者是采用KOH或者NaOH的碱抛光工艺进行抛光处理。
优选的，所述步骤D中低压化学气相沉积采用的反应气体为二乙基锌和水。
优选的，步骤B中，采用SiH4和H2混合气体实现镀膜，沉积温度小于等于200℃。
优选的，步骤C中，沉积P型非晶硅层采用SiH4、H2和B2H6混合气体并添加CH4或者CO2；沉积N型非晶硅层采用SiH4、H2和PH3混合气体或者采用SiH4、H2、PH3和CO2混合气体。
本发明所提供的技术方案的优点在于，黑色异质结晶硅电池具有所有非晶硅-晶硅异质结电池的所有优点，如具有双面发电的特性，电池的热应力小，不容易发生翘曲，生产过程碎片率低，低温工艺过程，能耗低等。此外，与现有异质结电池相比，本发明还具有如下优点：
1．由于硅片表面平整，表面积小，在非晶硅钝化表面下可以获得更高的Voc；
2．带有金字塔结构的多晶ZnO可以实现整个可见光波段减反射效果，全波段的反射率在10％左右，而在制绒的硅表面上沉积的80～100nmITO薄膜，这样的光学结构其反射率曲线呈现V型，在600nm左右为最低点，大约在6～8％左右，蓝光波段和红光波段的反射率较高，可见光波段的平均反射率在12％～14％，相比而言，前者10％的平均反射率可以实现更大的Jsc；
3．普通的异质结电池对蓝光的反射率较高，通常呈现深蓝色，如果ITO薄膜厚度不均匀的话，很容易出现外观的色差，而本发明的多晶ZnO表面对不同波长光线的反射率一致性好，可以实现全黑的电池外观，不存在色差的问题，外观美观；
4．ZnO与P型非晶硅或者N型非晶硅的接触界面为平面，可以形成更好的电学接触，降低接触电阻，实现更高的FF；
5．ITO中的In是一种稀土元素，地球上的储量有限，如果大量使用的话，不仅面临的资源的枯竭问题，还带来原材料价格的上升，电池每瓦成本的上升，ZnO中的O和Zn在地球上具有丰富的储量，不存在资源枯竭的问题；
6．本发明的制造方法省掉了制绒工艺，取而代之的是更简单更容易控制的去线切割损伤层工艺(化学抛光)，这样不仅简化了湿法的工艺步骤，而且带来工艺成本的下降。
附图说明
图1为现有技术中非晶硅-晶硅异质结电池结构示意图；
图2为实施例1结构示意图；
图3为实施例4结构示意图；
图4为导电薄膜多晶惨硼ZnO表面结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1，黑色异质结晶硅电池的制造方法如下：
A．选取电阻率在1～5ohm.cm的N型硅片；去除硅片切割过程中的线损伤层，去除的厚度大概在5～20um，视具体的硅片切割工艺，去损伤层采用酸抛光工艺(HNO3和HF)，也可以采用碱抛光工艺(高浓度的KOH或者NaOH)；抛光之后对硅片进行清洗，去除表面污染物，可以采用RCA工艺进行清洗，也可以采用臭氧(O3)+HCl/HF进行清洗，最后在干燥氮气中吹干硅片；
B．进行双面的本征非晶硅层镀膜，本征非晶硅层的沉积采用等离子体增强化学沉积的方式，使用SiH4和H2混合气体实现非晶硅的镀膜，沉积温度控制在200℃以下，避免在晶硅表面形成不连续的外延结构，以保证好的钝化效果；
C．沉积电池正面的P型非晶硅层，P型非晶硅层的沉积采用等离子体增强化学沉积的方式，使用SiH4，H2和B2H6混合气体实现高电导率的P型非晶硅薄膜，也可以添加少量的CH4或者CO2来增大P型层的带隙，降低P型层对可见光的吸收；沉积电池反面的N型非晶硅层，N型非晶硅层的沉积采用等离子体增强化学沉积的方式，使用SiH4，H2和PH3混合气体实现高电导率的N型非晶硅薄膜，也可以添加少量的CO2来降低N型层对可见光的吸收；
D．在电池的正面和反面分别采用低压化学气相沉积的方法生长透明导电多晶掺硼ZnO薄膜，所采用的反应气体为二乙基锌和水，采用B2H6或者三甲基硼对ZnO进行掺杂使其具有合适的电导率，沉积温度在160～200℃。ZnO薄膜在生长过程中沿六方晶系的(1120)方向生长，需要生长到一定的厚度才能在表面形成金字塔，金字塔大小通常在300～500nm，见图4。ZnO薄膜沉积在P层和N层的表面，还起到将电子和空穴引出到金属电极的作用，因此需要具备较好的导电性，ZnO的方块电阻通常在40～100欧姆/方块。ZnO不参与发电，只起到载流子传输的作用，因此必须尽量降低其对可见光的吸收，让尽量多的光进入PN结。通过调整B2H6或者三甲基硼在反应气体中的比例，在保证方块电阻的同时，维持可见光较好的透过率(400nm～1100nm，平均透过率＞80％)；
E．在电池的正、反面ZnO薄膜上通过丝网印刷，喷墨打印或者电镀等的方式制作金属栅线，栅线的材料可以是银浆料，也可以是Pt、Au、Al、Ni、Cu等通过喷墨打印或者电镀方式沉积的金属材料。金属栅线的数量和宽度的需要根据具体的ZnO方块电阻来优化，寻找最小遮光率和最大化FF之间的电池功率最佳点。对于丝网印刷的银电极，还需要进行后续热处理，热处理温度150～200℃，使栅线浆料中的有机物挥发，使金属栅线与ZnO形成较低的接触电阻。最终结构中，正反面的金属电极必须跟ZnO形成接触电阻1.0E-3～1.0E-4ohm.cm2，同时必须保证与ZnO之间附着力＞2N。
本实施例黑色异质结晶硅电池结构如图2，包括第一金属栅线8、第一多晶掺硼ZnO薄膜6、P型非晶硅层4、第一本征非晶硅层2、硅片1、第二本征非晶硅层3、N型非晶硅层5、第二多晶掺硼ZnO薄膜7、第二金属栅线9；其中本征非晶硅层的厚度在5nm，P型非晶硅层的厚度在5nm，N型非晶硅层的厚度在5nm，正、反两面ZnO导电薄膜厚度为500nm。
实施例2，黑色异质结晶硅电池的制造方法同实施例1，具体结构包括第一金属栅线8、第一多晶掺硼ZnO薄膜6、P型非晶硅层4、第一本征非晶硅层2、硅片1、第二本征非晶硅层3、N型非晶硅层5、第二多晶掺硼ZnO薄膜7、第二金属栅线9；其中本征非晶硅层的厚度在10nm，P型非晶硅层的厚度在8nm，N型非晶硅层的厚度在10nm，正、反两面ZnO导电薄膜厚度为1200nm。
实施例3，黑色异质结晶硅电池的制造方法同实施例1，具体结构包括第一金属栅线8、第一多晶掺硼ZnO薄膜6、P型非晶硅层4、第一本征非晶硅层2、硅片1、第二本征非晶硅层3、N型非晶硅层5、第二多晶掺硼ZnO薄膜7、第二金属栅线9；其中本征非晶硅层的厚度在15nm，P型非晶硅层的厚度在10nm，N型非晶硅层的厚度在20nm，正、反两面ZnO导电薄膜厚度为2000nm。
实施例4，黑色异质结晶硅电池的制造方法中步骤A-D同实施例1，其中步骤A中采用1～5ohm.cm的P型硅片，步骤D中电池反面ZnO薄膜厚度为100～300nm，由于厚度较小，没有金字塔结构形成，步骤E中，在电池的正面ZnO薄膜上通过丝网印刷，喷墨打印或者电镀等的方式制作金属栅线，在电池的反面ZnO薄膜上通过热蒸发Al的方式形成正面背电极，除了收集电流外还可以将没能被吸收的红外光反射回电池再次利用。本实施例具体结构见图3，包括第一金属栅线8、第一多晶掺硼ZnO薄膜6、P型非晶硅层4、第一本征非晶硅层2、硅片1、第二本征非晶硅层3、N型非晶硅层5、第二多晶掺硼ZnO薄膜7、第二金属电极10；其中正面ZnO导电薄膜6厚度为500～2000nm，反面ZnO导电薄膜7厚度为100～300nm。本实施例结构相比实施例1～3，减少了电池中Ag的使用以及ZnO的厚度，另外由于存在反面Al电极的反光作用，可以使用比实施例1～3更薄的硅片而达到与其相当的Jsc。

Claims (14)

1.一种黑色异质结晶硅电池，其特征在于：依次包括第一金属电极、第一导电薄膜、P型非晶硅层、第一本征非晶硅层、硅片、第二本征非晶硅层、N型非晶硅层、第二导电薄膜、第二金属电极；所述第一导电薄膜和第二导电薄膜为多晶掺硼ZnO薄膜。
2.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述硅片为表面平整的N型硅片或者P型硅片。
3.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述第一导电薄膜厚度为500～2000nm，所述第二导电薄膜厚度为500～2000nm。
4.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述第一本征非晶硅层和第二本征非晶硅层的厚度为5～15nm。
5.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述P型非晶硅层厚度为5～10nm，所述N型非晶硅层厚度为5～20nm。
6.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述第一金属电极与第二金属电极均为金属栅线结构。
7.根据权利要求1所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述第一导电薄膜厚度为500～2000nm，所述第二导电薄膜厚度为100～300nm，所述第一金属电极为金属栅线结构，所述第二金属电极为金属全覆盖结构。
8.根据权利要求6或7所述的黑色异质结晶硅电池，其特征在于：所述第一金属电极与第二金属电极由Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni或者其合金制成。
9.一种黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于，包括步骤如下：
A．硅片表面预处理；
B．采用等离子体增强化学沉积对硅片进行双面的本征非晶硅层镀膜；
C．采用等离子体增强化学沉积对电池片正面沉积P型非晶硅层，对电池片反面沉积N型非晶硅层；
D．采用低压化学气相沉积的方法对电池片正、反两面生长ZnO薄膜，采用B2H6或者三甲基硼对ZnO进行掺杂；
E．对电池正、反两面导电薄膜上丝网印刷金属栅线。
10.根据权利要求9所述的黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于：所述步骤E为对电池正面导电薄膜上丝网印刷金属栅线，对电池反面导电薄膜上热蒸发全覆盖金属层。
11.根据权利要求9或10所述的黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于：所述步骤A表面预处理为硅片表面化学抛光处理，所述化学抛光处理是采用HNO3和HF的酸抛光工艺或者是采用KOH或者NaOH的碱抛光工艺进行抛光处理。
12.根据权利要求9或10所述的黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于：所述步骤D中低压化学气相沉积采用的反应气体为二乙基锌和水。
13.根据权利要求9或10所述的黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于：步骤B中，采用SiH4和H2混合气体实现镀膜，沉积温度小于等于200℃。
14.根据权利要求9或10所述的黑色异质结晶硅电池的制造方法，其特征在于：步骤C中，沉积P型非晶硅层采用SiH4、H2和B2H6混合气体并添加CH4或者CO2；沉积N型非晶硅层采用SiH4、H2和PH3混合气体或者采用SiH4、H2、PH3和CO2混合气体。
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