CN103227246A - 一种异质结电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异质结电池的制备方法，包括如下步骤：在n型硅片的正面沉积第一非晶硅本征层，这里的n型硅片可以是单晶或是多晶硅片；在所述第一非晶硅本征层上沉积非晶硅p层；在所述非晶硅p层上沉积第一掺硼氧化锌薄膜；在所述硅片的背面形成背电极和铝背场；在所述硅片的正面形成正电极。另外，本发明还公开了一种双面异质结电池的制备方法。本发明采用掺硼氧化锌薄膜除替代ITO薄膜作为减反膜，由于掺硼氧化锌的特殊性质，特别是光陷作用，掺硼氧化锌可以起到良好的减反射作用，这样就省去了制绒的步骤，简化了制备工艺，由于多晶硅制绒更加具有挑战性，本发明对采用多晶硅硅片的异质结电池更加有意义。

Description

一种异质结电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说涉及一种异质结电池的制备方法。
背景技术
近年来，太阳能电池应用取得了惊人的进步。晶体硅太阳能电池具有光电转换效率高，生产技术成熟等优点，一直以来占据着世界太阳能电池总产量的绝大部分。虽然晶体硅太阳能电池的生产工艺一直在不断进步，但是传统晶体硅太阳能电池生产中的高温扩散制pn结工艺导致的一系列发射极问题以及缺乏良好的表面钝化机制还没有得到很好地改善，因此限制了电池效率的提升。
同时，业界一直在努力探索低成本、高产量的高效率薄膜太阳能电池制造技术。由于氢化非晶硅（α-Si:H）太阳能电池生产工艺温度较低（400℃以下），且不使用硅片，便于大规模生产，因此受到了普遍重视并得到迅速发展。但是，氢化非晶硅太阳电池的光致退化问题始终没有得到很好的解决，此外其光电转换效率还有待进一步提高。
研究人员一直探索把晶体硅电池和薄膜电池的优势结合起来形成更高效的电池。一种方法是用宽带隙的氢化非晶硅层作为窗口层或发射极，窄带隙的单晶硅、多晶硅片作衬底，形成所谓的异质结太阳电池。这种电池利用了薄膜制造工艺优势的同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳能电池的发展前景。1983年，Hamakawa等人首先报道了采用a-Si:H(p)/c-Si(n)异质结构叠层太阳电池并获得了12%的光电转换效率。1991年，三洋（Sanyo）公司利用PECVD制备出转换效率超过了16%的a-Si:H(p)/a-Si:H(i)/c-Si(n)结构的太阳能电池，他们把这种在p型a-Si:H和n型c-Si之间插入一薄层本征a-Si:H作为缓冲层（buffer layer）的结构称之为“HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）结构”。1994年，他们的研究工作取得了重大进展，在1cm2的面积上制备出了光电转换效率达到20.1%的HIT结构太阳电池。以此为基础，三洋公司很快开展了HITTM太阳能电池的产业化研究，并实现了HITTM太阳电池的大规模工业化生产。所生产的面积超过100cm2的HITTM阳电池的光电转换效率仍可高达17.3%，96片电池组件的输出功率为180W，该电池组件被命名为“HIT Power21”。2003年，三洋公司又把面积为100cm2的HITTM太阳电池的转换效率的最高记录改写为21.2%，大规模工业化生产也已获得18.5%的光电转换效率。
参考图1和图2，现有的异质结电池基本制备过程如下：1）首先采用与晶硅电池类似的工艺在硅片表面制备绒面结构以形成光陷作用；2）利用PECVD在具有绒面结构的n型CZ-Si片（180-250μm厚）的正面沉积一层5nm～10nm厚度的本征a-Si:H和p型a-Si:H层；3）然后再在c-Si片的背面沉积一层20nm的本征a-Si:H和n型a-Si:H层；4）利用溅射技术在电池的两面沉积TCO透明导电膜；同时它也具有抗反射作用；5）在电池的背面镀一层金属铝；6）然后再用丝网印刷技术在电池的正面制作Ag电极。整个制备过程都是在低于200℃下进行的。双面结构的HIT电池需要在步骤（4）时在背面也镀上ITO透明电极，然后到步骤（6）在正反两面做Ag电极。双面电池由于能接收到来自地面的反射光，不论地面是否光滑，它都能发出比单面电池更多的电能。
从上述基本工艺看，传统异质结电池还需要在硅片表面制备绒面结构以形成光陷作用，做法与晶体硅电池基本相同。这道工艺非常难控制，不但消耗大量宝贵的化学品，腐蚀反应还会消耗宝贵的硅片材料；同时由于表面形成的绒面非常粗糙，在形成异质结过程中极薄的本征和p型非晶硅膜（总厚度在10nm～30nm）很难完全覆盖这种粗糙表面，严重限制了开路电压的提升。另一方面，传统异质结电池采用溅射ITO作为导电氧化物（TCO）材料，ITO材料非常昂贵，这成了大规模生产和使用太阳能电池的瓶颈。异质结电池虽然效率高，但复杂的结构与工艺步骤，加上昂贵的材料严重阻碍了异质结电池的推广。目前需要一种可以降低生产成本，并提升电池光电转换效率的异质结电池的制备方法。
发明内容
本发明提供的方法大大简化了传统异质结电池的结构，在提升电池品质的同时降低了制造成本。在本发明提供的方法中采用新材料将电池的导电作用、光陷作用与减反射作用合为一体，并且均独立于硅片。本发明的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种异质结电池的制备方法，其中，包括如下步骤：
a）在n型硅片的正面沉积第一非晶硅本征层；
b）在所述第一非晶硅本征层上沉积非晶硅p层；
c）在所述非晶硅p层上沉积第一掺硼氧化锌薄膜；
d）在所述n型硅片的背面形成背电极和铝背场；
e）在所述n型硅片的正面形成正电极。
根据本发明的另一个方面，提供一种双面异质结电池的制备方法，其中，包括如下步骤：
a）在n型硅片的正面沉积第一非晶硅本征层；
b）在所述第一非晶硅本征层上沉积非晶硅p层；
c）在所述n型硅片的背面沉积第二非晶硅本征层；
d）在所述第二非晶硅本征层背面沉积非晶硅n层；
e）在所述非晶硅p层上沉积第一掺硼氧化锌薄膜，在所述非晶硅n层上沉积第二掺硼氧化锌薄膜；
f）在所述n型硅片的背面形成背电极；
g）在所述n型硅片的正面形成正电极。
本发明采用硅基薄膜电池领域使用的低压化学气相沉积（LPCVD）掺硼氧化锌（Boron doped Zinc Oxide，BZO）作为透明导电氧化物（TCO）材料，用以取代传统异质结电池中常用的溅射氧化铟锡（ITO）材料。参考图7和图8，由于采用了低压化学气相沉积的方法，形成的BZO薄膜表面具有自然的金字塔形貌，这种金字塔形貌可以在硅片表面产生优越的光陷作用。这样可以取代传统工艺中在硅片表面制绒来形成光陷作用的方法。复杂的制绒过程在电池生产中难以控制，并消耗大量化学品（酸性或碱性溶液），特别是多晶硅的制绒工艺更加复杂，是晶体硅电池生产中的难点。本发明将完全去掉这些在硅片表面进行腐蚀的制绒步骤，可大大简化工艺步骤并降低制造成本。
在传统异质结电池中，采用昂贵的ITO材料既作为减反射膜，又作为前电极与印刷栅线一起收集电流。主要原因是ITO具有良好的光透过性、导电性、以及合适的光学折射率。本发明采用的低压化学气相沉积（LPCVD）掺硼氧化锌膜除完成上述重要的光陷作用外，完全可以替代ITO膜的这些功能，从而将光陷，导电和减反射三项重要功能合一。如图9（a）所示，可以清楚看到，沉积BZO薄膜之后，硅片表面发黑，且没有明显发亮的区域，即光陷与减反射作用增强；如图9（b）所示，清洗后没有制绒的硅片表面发亮区域很多，需要后续制绒或者沉积BZO薄膜，增加光陷与减反射作用。
此外，在碱法或酸法制绒形成的粗糙硅表面制备异质结是一项非常具有挑战性的技术，存在本质上的不足。由于去掉了在硅片表面进行湿法制绒的步骤，异质结可以在非常平坦的硅表面形成，沉积的非晶硅膜可以做到良好的全覆盖，这样非常有利于电池开路电压的提升，进而提高异质结电池的光电转换效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1所示为传统的硅-非晶硅异质结电池结构；
图2所示为双面结构的HIT电池示意图；
图3所示为根据本发明的一种异质结电池的制备方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图4所示为根据本发明的一种异质结电池的制备方法的一种具体实施方式的结构示意图；
图5所示为根据本发明的一种双面异质结电池的制备方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图6所示为根据本发明的一种双面异质结电池的制备方法的一种具体实施方式的结构示意图；
图7所示为LPCVD BZO表面结构显微图；
图8所示为LPCVD BZO的光学特性曲线图；
图9（a）所示为沉积BZO薄膜后的硅片表面照片；
图9（b）所示为清洗后，制绒前硅片表面照片。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
参考图3和图4，是本发明中一种异质结电池的制备方法的流程示意图和结构示意图。
步骤S101，在n型硅片100的正面沉积第一非晶硅本征层200，这里的n型硅片100可以是单晶或是多晶硅片。在沉积非晶硅本征层200之前，需要对n型硅片100的表面进行清洗以及切割损伤处理，以便在平滑的硅片上（去损伤后）制备高效异质结电池。
可选的，采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）方法沉积非晶硅材料形成第一非晶硅本征层200。优选的，所述第一非晶硅本征层200的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S102，在所述第一非晶硅本征层200上沉积非晶硅p层300。可选的，采用PECVD方法沉积非晶硅材料形成非晶硅p层300。优选的，所述非晶硅p层300的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S103，在所述非晶硅p层300上沉积第一掺硼氧化锌薄膜400。可选的，采用LPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压化学气相沉积）方法在非晶硅p层300上沉积第一掺硼氧化锌薄膜（BZO）400。优选的，所述掺硼氧化锌薄膜400的厚度范围为500nm～1000nm，例如：500nm，750nm或1000nm。
从图7中可以看到，第一掺硼氧化锌薄膜400的表面呈现出金字塔结构，这种结构可以起到很好的光陷作用，因此可完全取代传统工艺中的制绒以及相关的清洗工艺。此外，用沉积第一掺硼氧化锌薄膜400的方式代替溅射ITO（Indium Tin Oxide）形成减反射膜，可以大大降低昂贵的ITO用量，进而节约生产成本。
步骤S104，在所述n型硅片100的背面形成背电极620和铝背场500。铝背场500可通过丝网印刷的方法在n型硅片100的背面印刷一层铝浆，然后烧结形成。
步骤S105，在所述n型硅片100的正面形成正电极610。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用印刷银浆或者电镀铜的方式制备。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用电镀技术（Electroplating）或丝网印刷等形成。
参考图5和图6，是本发明中一种双面异质结电池的制备方法的流程示意图和结构示意图。
步骤S201，在n型硅片100的正面沉积第一非晶硅本征层200。在沉积非晶硅本征层200之前，需要对n型硅片100的表面进行清洗以及切割损伤处理，以便在平滑的硅片上（去损伤后）制备高效异质结电池。
可选的，采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）方法沉积非晶硅材料形成第一非晶硅本征层200。优选的，所述第一非晶硅本征层200的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S202，在所述第一非晶硅本征层200上沉积非晶硅p层300。可选的，采用PECVD方法沉积非晶硅材料形成非晶硅p层300。优选的，所述非晶硅p层300的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S203，在所述n型硅片100的背面沉积第二非晶硅本征层210。优选的，采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）方法沉积非晶硅材料形成第二非晶硅本征层210。优选的，所述第二非晶硅本征层210的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S204，在所述第二非晶硅本征层210背面沉积非晶硅n层700。可选的，采用PECVD方法沉积非晶硅材料形成非晶硅n层700。优选的，所述非晶硅n层700的厚度范围为5nm～30nm，例如：5nm，18nm或30nm。
步骤S205，在所述非晶硅p层300沉积第一掺硼氧化锌薄膜400，在所述非晶硅n层700上沉积第二掺硼氧化锌薄膜410。可选的，采用LPCVD（LowPressure Chemical Vapor Deposition，低压化学气相沉积）方法沉积掺硼氧化锌薄膜。优选的，所述第一掺硼氧化锌薄膜400厚度范围为500nm～1000nm，例如：500nm，750nm或1000nm。优选的，所述第二掺硼氧化锌薄膜410厚度范围为500nm～1000nm，例如：500nm，750nm或1000nm。
从图7中可以看到，掺硼氧化锌薄膜的表面呈现出金字塔结构，这种结构可以起到很好的光陷作用，因此可完全取代传统工艺中的制绒以及相关的清洗工艺。此外，用沉积掺硼氧化锌薄膜的方式代替溅射ITO（Indium Tin Oxide）形成减反射膜，可以大大降低昂贵的ITO用量，进而节约生产成本。
此外，在非晶硅n层700上沉积第二掺硼氧化锌薄膜410可以在硅片背面产生良好的导电作用，其可以取代铝背场。
步骤S206，在所述n型硅片的背面形成背电极620
步骤S207，在所述n型硅片的正面形成正电极610。上述背电极620和/或正电极610可采用印刷银浆或者电镀铜的方式制备。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用电镀技术（Electroplating）或丝网印刷等形成。
采用本发明的方法，用LPCVD方法制备掺硼氧化锌（LPCVD-BZO）作为TCO层，由于BZO是一种具有绒面结构的透明导电材料，有优异的光陷作用，因此可以取代制绒的步骤；并且BZO与常用的ITO比具有成本低，制备简便，适合大规模生产等特点。因此，本发明的方法制备的异质结电池工艺简单可靠、价格低廉，电池的光电转换效率高，且适合大规模生产。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

Claims (10)

1.一种异质结电池的制备方法，其中，包括如下步骤：
a）在n型硅片的正面沉积第一非晶硅本征层；
b）在所述第一非晶硅本征层上沉积非晶硅p层；
c）在所述非晶硅p层上沉积第一掺硼氧化锌薄膜；
d）在所述n型硅片的背面形成背电极和铝背场；
e）在所述n型硅片的正面形成正电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述第一非晶硅本征层的厚度范围为5nm～30nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述非晶硅p层的厚度范围为5nm～30nm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的制备方法，其中，所述掺硼氧化锌薄膜的厚度范围为500nm～1000nm。
5.一种双面异质结电池的制备方法，其中，包括如下步骤：
a）在n型硅片的正面沉积第一非晶硅本征层；
b）在所述第一非晶硅本征层上沉积非晶硅p层；
c）在所述n型硅片的背面沉积第二非晶硅本征层；
d）在所述第二非晶硅本征层背面沉积非晶硅n层；
e）在所述非晶硅p层上沉积第一掺硼氧化锌薄膜，在所述非晶硅n层上沉积第二掺硼氧化锌薄膜；
f）在所述n型硅片的背面形成背电极；
g）在所述n型硅片的正面形成正电极。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述第一非晶硅本征层的厚度范围为5nm～30nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述非晶硅p层的厚度范围为5nm～30nm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述第二非晶硅本征层的厚度范围为5nm～30nm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述非晶硅n层的厚度范围为5nm～30nm。
10.根据权利要求5～9中任意一项所述的制备方法，其中，所述掺硼氧化锌薄膜的厚度范围为500nm～1000nm。
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