CN103219402A - 一种高效异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效异质结太阳能电池及其制备方法，该高效异质结太阳能电池包括：衬底，该衬底采用P型晶硅材料；在衬底背面设置的铝背场；在衬底正面依次生长的n型扩散层、i型本征非晶硅薄膜、n型非晶硅薄膜以及TCO薄膜；以及在TCO薄膜上设置的电极。本发明提供的高效异质结太阳能电池，在具有HIT光伏电池的优点的同时，也弥补了非晶硅层过薄而无法完全覆盖衬底层的缺陷。采用本结构的光伏电池结构特性好，开路电压高，能获得高的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种高效异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球能源的短缺和气候变暖环境，太阳能发电等可再生能源正取代传统的火力发电成为当今能源领域研究的热点和发展的趋势。在太阳能电池的发展历史中，非晶硅薄膜太阳能电池和晶体硅太阳能电池都已经历了近半个多世纪的发展历程。晶体硅太阳能电池效率较高，而非晶硅薄膜太阳能电池的制造成本较低，但二者优势结合起来形成效率更高、成本更低的第三代太阳能电池结构受到的关注却相对较少。如果能将新世纪的标志技术——异质结制造融合其中，形成第三代太阳能电池，将有助于解决长期困扰这两个领域的效率低，成本高的瓶颈问题，实现太阳能技术的飞跃。
在异质结太阳能电池结构的制备方面，日本三洋(Sanyo)公司1990年开始进行p型非晶硅/本征非晶硅/晶体硅衬底结构的HIT光伏电池的研究。1994年他们研究工作取得突破性进展，在1cm2面积上制备出转换效率20.0％的HIT光伏电池，并于1997年实现了HIT光伏电池的大规模生产。所生产的面积超过100cm2的HIT电池的效率可达到17.3％，更重要的是该电池的制备工艺温度不能高过200℃，降低了制造成本。2000年该公司在利用太阳级纯度硅材料制备高效HIT光伏电池的研究方面又有了新进展，在面积为100.5cm2的低成本n型太阳能级CZ-Si片上制备出开路电压为719mv，效率为20.7％的HIT光伏电池，该电池为双面结构，它构造了面积为100cm2的光伏电池转化效率最高的世界纪录。2009年，日本三洋公司宣布在厚度为98μm，面积为100.3cm2的衬底上，得到了光电转换效率达22.8％的电池，其开路电压高达743mV，在相同面积条件下，HIT电池每年的发电量可以比多晶硅太阳能电池高35％，因此具有很大的市场潜力。
此外，美国专利US2006/0065297，其结构参考附图1，中间层1为N型单晶硅衬底，在N型单晶硅衬底上用等离子体化学气相沉积(PECVD)法生长一层厚度在3～250nm的本征非晶硅薄膜2，之后再生长一层厚度为5nm的P型氢化非晶硅薄膜3，之上再生长一层厚度为100nm的ITO薄膜4，最上面是电极5。在衬底层1的背面同样用PECVD对称生长一层厚度为5～20nm的本征非晶硅薄膜6，之后再生长一层厚度为20nm的N型非晶硅薄膜7，之上再生长一层厚度为100nm的ITO薄膜8，最下面是电极9。这样就形成了HIT太阳能电池。总的来说，HIT光伏电池既有晶体硅光伏电池的高效、稳定，又有非晶硅光伏电池生产的低温、工艺时间短等优点，是一种优秀的异质结光伏电池。但为了进一步获得更高转换效率，有必要对电池结构进行稍许变化以增加对太阳光的吸收。
鉴于此，为了更有效的将异质结结构融入太阳能电池的应用领域，本发明提出了一种通过轻扩散解决非晶硅薄膜层无法全覆盖衬底的新型结构，形成第三代太阳能电池的雏形。本发明通过轻扩散解决非晶硅薄膜层无法全覆盖衬底的新型异质结太阳能电池结构的建立，具有与传统工艺兼容、不增加设备成本和实现增大开压等特点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种高效异质结太阳能电池及其制备方法，以弥补传统异质结电池中遇到的过薄的非晶硅薄膜层无法将衬底完全覆盖，以至于部分电极会直接接触晶硅衬底的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种高效异质结太阳能电池，包括：衬底6，该衬底6采用P型晶硅材料；在衬底6背面设置的铝背场7；在衬底6正面依次生长的n型扩散层5、i型本征非晶硅薄膜4、n型非晶硅薄膜3以及TCO薄膜2；以及在TCO薄膜2上设置的电极1。
上述方案中，所述衬底6采用p型单晶硅衬底、p型多晶硅衬底或p型冶金硅衬底，厚度为50μm～300μm，电阻率为1Ω·cm～100Ω·cm，晶格方向为100。
上述方案中，所述在衬底6背面设置的铝背场7是通过丝网印刷铝浆料烧结而成，铝浆料印刷厚度为9μm～100μm。
上述方案中，所述n型扩散层5的厚度为5nm～50nm，扩散浓度为6.0×10-17～5.5×10-19kg/cm3。
上述方案中，所述i型本征非晶硅薄膜4的厚度为3nm～50nm。
上述方案中，所述n型非晶硅薄膜3的厚度为5nm～100nm。
上述方案中，所述TCO薄膜2采用ZnO或ITO薄膜材料，厚度为50nm～150nm，电阻率在0.9E-3～1.2E-5Ω·cm。
上述方案中，所述在TCO薄膜2上设置的电极1是通过丝网印刷纯银浆料烧结而成，银浆料厚度为5μm～80μm。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制备高效异质结太阳能电池的方法，包括：清洗P型晶体硅衬底；利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场；利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场；利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层；利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜；利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜；利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜；以及在该TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极。
上述方案中，所述清洗P型晶体硅衬底的步骤是采用表面RCA清洗，具体包括：依次利用去离子水、硝酸、去离子水、氢氟酸、去离子水清洗P型晶体硅衬底，清洗时间依次为2～3分钟、1小时、2～3分钟、30秒、2～3分钟，其中硝酸为浓硝酸，氢氟酸为稀释的氢氟酸。在全部清洗完成后，再使用体积比1∶1的浓硫酸和双氧水对P型晶体硅衬底进行氧化，在表面形成一层氧化层，保护硅片的表面。
上述方案中，所述利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场之后，还包括：对背面丝网印刷铝背场的P型晶体硅衬底进行烘烤，烘烤温度250℃，时间5分钟。
上述方案中，所述利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场的步骤中，烧结温度为首先在600℃保持6秒，随即在880℃保持3秒。
上述方案中，所述利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层的步骤中，是将烧结后的P型晶体硅衬底置于扩散炉中，通入POCl3气体作为反应气并通入N2作为保护气氛进行轻扩散。
上述方案中，所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜的步骤之前，还包括：对进行了轻扩散的P型晶体硅衬底进行预处理，该预处理过程具体包括：采用1比30的氢氟酸和水，用来去除P型晶体硅衬底表面的氧化层；所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜的步骤，是在200℃下通入SiH4和H2作为反应气，在n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜。
上述方案中，所述利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜的步骤中，是在200℃下通入SiH4、PH3和H2作为反应气，在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜。
上述方案中，所述利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜的步骤中，是在衬底温度达到100℃时，通入氧气气氛，再用电子枪轰击ITO靶材，在此过程中蒸发束流可调节，最后再打开挡板开始往衬底上沉积ITO薄膜。
上述方案中，所述在TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极的步骤中，是通过调控压力来控制厚度，丝网印刷之后还在250℃的温度下烘1分钟。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种高效异质结太阳能电池及其制备方法，通过在P型晶体硅衬底与非晶硅薄膜生长的中间层加一薄层n型轻扩散层，一方面可以保证原来的异质结太阳能电池的上层吸收和电池转换效率，另一方面弥补了传统异质结电池中遇到的过薄的非晶硅薄膜层无法将衬底完全覆盖，以至于部分电极会直接接触晶硅衬底的问题，能够克服常规异质结电池界面电场不连续的问题，减小因为带隙突变而引起的界面载流子复合，电池的结特性好，开路电压高，以此获得高的转化效率。
2、目前世界上，本领域内太阳能电池的转换效率已经陷入瓶颈，每提升一个百分点都十分困难，本发明提供的这种高效异质结太阳能电池及其制备方法，通过n型轻扩散达到非晶硅薄膜层与P型晶硅衬底层的全覆盖的新型异质结太阳能电池结构的建立，电池总的转换效率可以提高1.5个百分点以上，即量产的HIT太阳能电池的转换效率为22.8％，而量产的加入n型轻扩散层的HIT太阳能电池的转换效率在24.3％以上，而且非晶硅的薄膜厚度还可以比传统的HIT电池的非晶硅厚度还要薄，依次降低成本。
综上所述，本发明提供的这种高效异质结太阳能电池及其制备方法，通过n型轻扩散达到非晶硅薄膜层与P型晶硅衬底层的全覆盖的新型异质结太阳能电池结构的建立，与传统结构相比，具有上述明显的有益效果。上述诸多的优点及实用价值，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，从而更加适于实用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下是本发明的较佳实施例，并配合附图详细说明如后。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的具体说明。
图1为现有技术中HIT太阳能电池的结构示意图；
图2为依照本发明实施例的高效异质结太阳能电池的示意图。
图3为依照本发明实施例的制备高效异质结太阳能电池的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为依照本发明实施例的高效异质结太阳能电池的示意图，该高效异质结太阳能电池包括：衬底6，该衬底6采用P型晶硅材料；在衬底6背面设置的铝背场7；在衬底6正面依次生长的n型扩散层5、i型本征非晶硅薄膜4、n型非晶硅薄膜3以及TCO薄膜2；以及在TCO薄膜2上设置的电极1。
其中，所述衬底6采用p型单晶硅衬底、p型多晶硅衬底或p型冶金硅衬底，厚度为50μm～300μm，电阻率为1Ω·cm～100Ω·cm，晶格方向为100。所述在衬底6背面设置的铝背场7是通过丝网印刷铝浆料烧结而成，铝浆料印刷厚度为9μm～100μm。所述n型扩散层5的厚度为5nm～50nm，扩散浓度为6.0×10-17～5.5×10-19kg/cm3。所述i型本征非晶硅薄膜4的厚度为3nm～50nm。所述n型非晶硅薄膜3的厚度为5nm～100nm。所述TCO薄膜2采用ZnO或ITO薄膜材料，厚度为50nm～150nm，电阻率在0.9E-3～1.2E-5Ω·cm。所述在TCO薄膜2上设置的电极1是通过丝网印刷纯银浆料烧结而成，银浆料厚度为5μm～80μm。
实施例1：
参考图2，本实施例提供的高效异质结太阳能电池如下：
1)以P型冶金硅材料作为衬底6，该P型材料的厚度在50～300μm，电阻率为1～100Ω·cm，取向为100，先用RCA法清洗衬底；
2)然后在P型衬底的背面丝网印刷一层厚度为9～100μm的铝背场7；
3)然后在P型衬底的正面做一层n型轻扩散层5，其厚度为5～50nm，扩散浓度为6.0×10-17～5.5×10-19kg/cm3；
4)之上再用PECVD生长一层厚度为3～50nm的i型本征非晶硅薄膜层4；
5)之上再用PECVD生长一层厚度为5～100nm的n型非晶硅薄膜层3；
6)之上再用电子束蒸发一层厚度为50～150nm的ITO薄膜层2，其电阻率在0.9E-3～1.2E-5Ω·cm，
7)最上面用丝网印刷出一层厚度为的5～80μm的Ag电极。
实施例2：
将实施例1中P型冶金硅衬底改成P型多晶硅衬底，其余工艺部分与实施例1相同。
实施例3：
将实施例1中P型冶金硅衬底改成P型单晶硅晶硅衬底，其余工艺部分与实施例1相同。
实施例4：
将实施例1中ITO薄膜层改为ZnO薄膜层，其余工艺部分与实施例1相同。
基于图2所示的高效异质结太阳能电池的示意图，图3示出了依照本发明实施例的制备高效异质结太阳能电池的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：清洗P型晶体硅衬底；
步骤2：利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场；
步骤3：利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场；
步骤4：利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层；
步骤5：利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜；
步骤6：利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜；
步骤7：利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜；以及
步骤8：在该TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极。
步骤1中所述清洗P型晶体硅衬底的步骤是采用表面RCA清洗，具体包括：依次利用去离子水、硝酸、去离子水、氢氟酸、去离子水清洗P型晶体硅衬底，清洗时间依次为2～3分钟、1小时、2～3分钟、30秒、2～3分钟，其中硝酸为浓硝酸，氢氟酸为稀释的氢氟酸。在全部清洗完成后，体积比1∶1的浓硫酸和双氧水对P型晶体硅衬底进行氧化，在表面形成一层氧化层，保护硅片的表面。
步骤2中所述利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场之后，还包括：对背面丝网印刷铝背场的P型晶体硅衬底进行烘烤，烘烤温度250℃，时间5分钟。
步骤3中所述利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场，烧结温度为首先在600℃保持6秒，随即在880℃保持3秒。
步骤4中所述利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层，是将烧结后的P型晶体硅衬底置于扩散炉中，通入POCl3气体作为反应气并通入N2作为保护气氛进行轻扩散。
步骤5中所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜之前，还包括：对进行了轻扩散的P型晶体硅衬底进行预处理，该预处理过程具体包括：采用1比30的氢氟酸和水，用来去除P型晶体硅衬底表面的氧化层；所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜的步骤，是在200℃下通入SiH4和H2作为反应气，在n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜。
步骤6中所述利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜，是在200℃下通入SiH4、PH3和H2作为反应气，在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜。
步骤7中所述利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜，是在衬底温度达到100℃时，通入氧气气氛，再用电子枪轰击ITO靶材，在此过程中蒸发束流可调节，最后再打开挡板开始往衬底上沉积ITO薄膜。
步骤8中所述在TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极，是通过调控压力来控制厚度，丝网印刷之后还在250℃的温度下烘1分钟。
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，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但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作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (18)
1.一种高效异质结太阳能电池，其特征在于，包括：
衬底(6)，该衬底(6)采用P型晶硅材料；
在衬底(6)背面设置的铝背场(7)；
在衬底(6)正面依次生长的n型扩散层(5)、i型本征非晶硅薄膜(4)、n型非晶硅薄膜(3)以及TCO薄膜(2)；以及
在TCO薄膜(2)上设置的电极(1)。
2.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(6)采用p型单晶硅衬底、p型多晶硅衬底或p型冶金硅衬底，厚度为50μm～300μm，电阻率为1Ω·cm～100Ω·cm，晶格方向为100。
3.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述在衬底(6)背面设置的铝背场(7)是通过丝网印刷铝浆料烧结而成，铝浆料印刷厚度为9μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述n型扩散层(5)的厚度为5nm～50nm，扩散浓度为6.0×10-17～5.5×10-19kg/cm3。
5.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述i型本征非晶硅薄膜(4)的厚度为3nm～50nm。
6.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述n型非晶硅薄膜(3)的厚度为5nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述TCO薄膜(2)采用ZnO或ITO薄膜材料，厚度为50nm～150nm，电阻率在0.9E-3～1.2E-5Ω·cm。
8.根据权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述在TCO薄膜(2)上设置的电极(1)是通过丝网印刷纯银浆料烧结而成，银浆料厚度为5μm～80μm。
9.一种制备权利要求1至8中任一项所述高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
清洗P型晶体硅衬底；
利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场；
利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场；
利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层；
利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜；
利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜；
利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜；以及
在该TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极。
10.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述清洗P型晶体硅衬底的步骤是采用表面RCA清洗，具体包括：
依次利用去离子水、硝酸、去离子水、氢氟酸、去离子水清洗P型晶体硅衬底，清洗时间依次为2～3分钟、1小时、2～3分钟、30秒、2～3分钟，其中硝酸为浓硝酸，氢氟酸为稀释的氢氟酸。
11.根据权利要求10所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，在全部清洗完成后，再使用体积比1∶1的浓硫酸和双氧水对P型晶体硅衬底进行氧化，在表面形成一层氧化层，保护硅片的表面。
12.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用铝浆料在P型晶体硅衬底背面丝网印刷铝背场之后，还包括：
对背面丝网印刷铝背场的P型晶体硅衬底进行烘烤，烘烤温度250℃，时间5分钟。
13.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用烧结炉烧结在P型晶体硅衬底背面丝网印刷的铝背场的步骤中，烧结温度为首先在600℃保持6秒，随即在880℃保持3秒。
14.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用扩散炉在P型晶体硅衬底正面轻扩n型扩散层的步骤中，是将烧结后的P型晶体硅衬底置于扩散炉中，通入POCl3气体作为反应气并通入N2作为保护气氛进行轻扩散。
15.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜的步骤之前，还包括：对进行了轻扩散的P型晶体硅衬底进行预处理，该预处理过程具体包括：采用1比30的氢氟酸和水，用来去除P型晶体硅衬底表面的氧化层；
所述利用PECVD在该n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜的步骤，是在200℃下通入SiH4和H2作为反应气，在n型扩散层上生长i型本征非晶硅薄膜。
16.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用PECVD在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜的步骤中，是在200℃下通入SiH4、PH3和H2作为反应气，在该i型本征非晶硅薄膜上生长n型非晶硅薄膜。
17.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述利用电子束蒸发在该n型非晶硅薄膜上蒸发TCO薄膜的步骤中，是在衬底温度达到100℃时，通入氧气气氛，再用电子枪轰击ITO靶材，在此过程中蒸发束流可调节，最后再打开挡板开始往衬底上沉积ITO薄膜。
18.根据权利要求9所述的制备高效异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述在TCO薄膜上丝网印刷一层银浆电极的步骤中，是通过调控压力来控制厚度，丝网印刷之后还在250℃的温度下烘1分钟。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107516691A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-26 | 三峡大学 | 一种非晶碳薄膜/单晶硅异质结太阳能电池及其制备方法 |
| CN113363336A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-09-07 | 宣城睿晖宣晟企业管理中心合伙企业(有限合伙) | 一种制绒后晶硅片的处理方法及异质结电池的制备方法 |
-
2013
- 2013-04-10 CN CN2013101234967A patent/CN103219402A/zh active Pending
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