CN103531647A - 异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异质结太阳能电池及其制备方法。其中异质结太阳能电池包括衬底，形成在衬底上表面的TCO，以及形成在TCO上的栅极，TCO包括：第一TCO，依据栅线排布结构设置在衬底的上表面；第二TCO，围绕第一TCO覆盖在衬底的上表面，栅极排布在支撑栅极TCO上。本发明所提供的异质结太阳能电池，通过将位于衬底正面的TCO采用具有不同透光率和电导率的两部分组合形成，进而改善n型异质结太阳能电池的FF和jsc，从而降低材料方阻，提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着技术的发展，光伏行业逐渐进入人们的生活，特别是太阳能电池得到了广泛的推广应用。太阳能电池按其基质材料可以分为同质结太阳能电池和异质结太阳能电池。同质结太阳能电池是以晶硅为基本材料制成的太阳能电池，而异质结太阳能电池是通过薄膜工艺在晶体硅衬底上制备非晶、纳米晶薄膜形成的非晶硅/晶硅异质结为基本结构的太阳能电池。异质结太阳能电池由于其具有高能量转化效率，低温制备工艺以及很小的光生衰退效应而成为世界上非常有潜力的技术。
如图1所示，在图1中给出了一种异质结太阳能电池的结构，以n型异质结太阳能电池为例，其包括n型衬底(N-c-Si)10’，在n型衬底10’正面和背面分别镀有氢化本征非晶硅（a-Si:H(i)）20’，在n型衬底10’正面的氢化本征非晶硅20’上形成P型氢化非晶硅（a-Si:H(p)）30’，在n型衬底10’背面的氢化本征非晶硅20’上形成n型氢化非晶硅（a-Si:H(n+)）40’，在P型氧化非晶硅30’和n型氧化非晶硅40’的外侧通过PVD的方法镀上透明导电薄膜（TCO）50’，然后在透明导电薄膜50’的外侧形成栅极60’。其中形成位置“外侧”是指材料层远离n型衬底的一侧。
在现有的这种异质结太阳能电池的结构中，由于发射极，即n型氢化非晶硅或P型氢化非晶硅薄至纳米级范围，使其具有很高的方阻，电荷很难通过发射极直接传至栅极上，因此，通常在发射极上制备一层用以收集和传输电荷的透明导电薄膜（TCO），再将栅极设置在TCO上。
透明导电氧化物薄膜（TCO），是一种n型简并半导体,以其良好的导电性能,较高的可见光范围内的透光率,与基体较好的结合能力和良好的化学稳定性而广泛应用于太阳能、电子和其他半导体领域。TCO材料的选取的重点是其导电性和透光性，良好的导电性有利于增加电池的填充因子（FF），而优良的透光性有利于提升电池的短路电流密度（jsc）。但是TCO的透光性和导电性是矛盾的两个方面。如果提高TCO的透光性，就势必会削弱其导电性；反之，如果改善其导电性，也就不得不降低其透光性。因此在选择TCO材料时，通常以电池效率为衡量标准，在材料的透光性和导电性之间选择一个平衡点。现有材料对TCO透光性和导电性的限制已经成为了太阳能电池FF和jsc提升的阻碍，如何改善材料性能成为了研发的新课题。
发明内容
本发明旨在提供一种异质结太阳能电池及其制备方法，以提高TCO层的透光性和导电性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种异质结太阳能电池，包括衬底，形成在衬底上表面的TCO，以及形成在TCO上的栅极，TCO包括：第一TCO，依据栅线排布结构设置在衬底的上表面；第二TCO，围绕第一TCO覆盖在衬底的上表面，栅极排布在支撑栅极TCO上。
进一步的，上述异质结太阳能电池中第一TCO为电导率大于5×104S/cm的TCO材料，第二TCO为透光率大于80%的TCO材料。
进一步的，上述异质结太阳能电池中第一TCO为与第二TCO掺杂元素不同或掺杂量不同的材料，或者为与第二TCO氧含量不同的材料。。
同时，根据本发明的另一方面，提供了一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在衬底的上表面制备TCO；在TCO上制备栅极，制备TCO的步骤包括：在衬底的上表面依据栅线排布结构形成第一TCO；在衬底的上表面围绕第一TCO形成第二TCO。
进一步的，上述方法中第一TCO与第二TCO材料相同，第一TCO通过调整掺杂元素或掺杂量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO；或者第一TCO通过调整制备过程中氧气流量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO。
进一步的，上述方法中形成第一TCO的步骤包括：制作具有与栅线的排布结构相应图案的第一载片舟模板；将第一载片舟模板遮挡在衬底正面；在衬底正面的裸露表面上形成第一TCO。
进一步的，上述方法中第一TCO为低含氧量材料，形成第一TCO的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室中进行，其中工艺参数为：控制PVD或者PECVD的真空腔室中衬底的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为1～10sccm，功率为100～5000w。
进一步的，上述方法中形成第二TCO的步骤包括：制作图案遮挡第一TCO的第二载片舟模板；将第二载片舟模板图案与第一TCO相对应的遮挡在衬底正面；在衬底上表面的裸露表面上形成第二TCO。
进一步的，上述方法中形成第二TCO的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室中进行，其中工艺参数为：控制在PVD或者PECVD的真空腔室中衬底的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为5～50sccm，功率为100～5000w。
本发明的有益效果：本发明提供一种异质结太阳能电池，通过将位于衬底正面的TCO采用具有不同透光率和电导率的两部分组合形成，进而改善n型异质结太阳能电池的FF和jsc，提高光电转换效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据现有技术的一种异质结太阳能电池的结构示意图；
图2示出了根据实施例的一种异质结太阳能电池的结构示意图；
图3示出了根据实施例的一种异质结太阳能电池制备方法过程中第一载片舟模板的结构示意图；
图4示出了根据实施例的一种异质结太阳能电池制备方法中制备栅极支撑TCO的流程结构示意图；
图5示出了根据实施例的一种异质结太阳能电池制备方法过程中第二载片舟模板的结构示意图；以及
图6示出了根据实施例的一种异质结太阳能电池制备方法中制备第二TCO的流程结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了解决现有材料对TCO透光性和导电性的限制，进而影响太阳能电池填充因子和短路电流密度的问题，在本申请中提供了一种异质结太阳能电池结构，这种异质结太阳能电池通过将位于衬底正面的TCO采用具有不同透光率和电导率的两部分组合形成，通过不同透光率和电导率的两部分组合，优化太阳能电池的光电转换效率。例如，在非栅线遮挡区域采用透光性较高的TCO，以收集、传导发射极所产生的电荷；可以通过在栅线下方区域采用电导率较好的TCO，以降低材料方阻，提高光电转换效率。
在本发明的一种实施例中，如图2所示，该异质结太阳能电池，包括衬底，形成在衬底上表面的TCO50，以及形成在TCO50上的栅极60，TCO50包括第一TCO51和第二TCO52。第一TCO51依据栅线排布结构设置在衬底10的上表面；第二TCO52围绕第一TCO51覆盖在衬底10的上表面。栅极60排布在支撑栅极TCO51上。
本发明所提供的这种方案是对异质结太阳能电池结构中TCO50结构进行的一种改进。本领域技术人员能够将这种TCO50结构合理地运用到异质结太阳能电池结构中。
在一种常见的n型异质结太阳能电池结构中，包括n型衬底(N-c-Si)10，在n型衬底10正面和背面分别镀有起到良好钝化效果，调高少子寿命的氢化本征非晶硅（a-Si:H(i)）20，在n型衬底10正面的氢化本征非晶硅20上形成P型氢化非晶硅（a-Si:H(p)）30，在n型衬底10’背面的氢化本征非晶硅20上形成n型氢化非晶硅（a-Si:H(n+)）40，在P型氢化非晶硅30和n型氢化非晶硅40的外侧通过PVD的方法镀上透明导电薄膜（TCO）50，然后在透明导电薄膜50的远离衬底10的一侧形成栅极60。在本发明中，位于该异质结太阳能电池正面的TCO分为依据栅线排布结构设置在衬底10的上表面的第一TCO51；以及围绕第一TCO51覆盖在衬底10的上表面的第二TCO52。栅极60排布在支撑栅极TCO51上，以形成本发明所保护的技术方案。
同样的，一种常见的P型异质结太阳能电池与上述n型异质结太阳能电池结构相同，仅是P型氢化非晶硅（a-Si:H(p)）30变为n型氢化非晶硅（a-Si:H(n)），n型氢化非晶硅（a-Si:H(n+)）40变为p型氢化非晶硅（a-Si:H(p+)）。
在上述异质结太阳能电池结构中非晶掺杂层30的材料包括但不限于非晶硅，非晶碳化硅，非晶氢化硅，微晶硅，微晶碳化硅，以及能实现掺杂的金属化合物材料，如碲化镉等，其优选为氢化非晶硅。
在一种优选的实施例中，上述异质结太阳能电池中本发明所提供的这种异质结太阳能电池中第一TCO51和第二TCO52的材料可以是任意的，本领域技术人员可以根据实际需要合理配置相应材料，在本申请中优选第一TCO51采用电导率大于5×104S/cm的TCO材料，第二TCO52优选采用透光率大于80%的TCO材料。将两种材料控制在该范围内能够有效提升太阳能电池的填充因子和短路电流密度，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
在一种优选的实施例中，上述异质结太阳能电池中第一TCO51为与第二TCO52掺杂元素不同或掺杂量不同的材料，或者为与第二TCO52氧含量不同的材料。在这种情况下，第一TCO51与第二TCO52采用相同的材料，在制备过程中通过调整掺杂元素不同或元素掺杂量的方式使第一TCO51的透光率及导电性区别于第二TCO52；或者通过调整制备过程中氧气流量的方式使所述第一TCO51的透光率及导电性区别于所述第二TCO52本领域技术人员根本所需第一TCO层的导电率和透光率能够合理调整掺杂的方式中掺杂的原料以及掺杂量，也能够合理调整第一TCO层制备过程中的氧含量。本发明所提供的这种第一TCO51能够降低材料方阻，提高太阳能电池的填充因子和短路电流密度。
本发明所提供的上述异质结太阳能电池的结构，本领域技术人员有能力制备出与上述异质结太阳能电池结构相同的异质结太阳能电池。为了优化制备流程，在本发明中给出了一种优选的异质结太阳能电池的制备方法，如图2所示，其包括提供衬底10；在衬底10的上表面制备TCO；在TCO上制备栅极。其中制备TCO的步骤包括：在衬底10的上表面依据栅线排布结构形成第一TCO51；在衬底10的上表面围绕第一TCO51形成第二TCO52。
优选地第一TCO51与第二TCO52采用相同的材料，第一TCO51通过调整掺杂元素或掺杂量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO52；或者所述第一TCO51通过调整制备过程中氧气流量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO52。
本申请所提供的方法是在现有的异质结太阳能电池的制备方法的基础上为了适应TCO分为第一TCO51和第二TCO52两部分结构所提出的新方法。本领域技术人员在本申请的教导下，有能力合理地将本申请所提供的方法应用到相应的异质结太阳能电池的制备工艺上。
在一种常见的n型异质结太阳能电池的制备方法中，包括以下步骤：提供n型衬底10，对衬底10采用常规工艺清洗和制绒。在n型衬底10正面和背面分别镀上氢化本征非晶硅20，在n型衬底10正面的氢化本征非晶硅20上形成P型氢化非晶硅30，在n型衬底10’背面的氢化本征非晶硅20上形成n型氢化非晶硅40，在P型氢化非晶硅30和n型氢化非晶硅40的外侧镀上透明导电薄膜（TCO）50，然后在TCO50的远离衬底10的一侧形成栅极60。本申请所提供的方法在上述制备方法的基础上，对形成位于该异质结太阳能电池正面的透明导电薄膜（TCO）时，先在衬底10的上表面依据栅线排布结构形成第一TCO51；然后在衬底10的上表面围绕第一TCO51形成第二TCO52，以形成本发明所保护的技术方案。
在上述异质结太阳能电池的制备方法的一种优选方式中，形成第一TCO51的步骤包括：制作具有与栅线的排布结构相应图案的第一载片舟模板71；该第一载片舟模板71的结构如图3所示，将第一载片舟模板71遮挡在衬底10正面，放入PVD或者PECVD的真空腔室80中，形成如图4所示的结构，此处所指的在衬底10的正面实际上是指完成了衬底正面以及背面的氢化本征非晶硅及氢化非晶硅层后所形成的太阳能电池预备体100，在图4结构的基础上在衬底10正面的裸露表面上形成第一TCO51。当第一TCO51为低含氧量材料时，形成第一TCO51的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室80中进行，其中工艺参数为：控制在PVD或者PECVD的真空腔室80中衬底10的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为1～10sccm，功率为100～5000w。
在上述异质结太阳能电池的制备方法的一种优选方式中，形成第二TCO52的步骤包括：制作图案遮挡所述第一TCO51的第二载片舟模板72；该第二载片舟模板72的结构如图5所示，将第二载片舟模板72图案与第一TCO51相对应的遮挡在衬底10正面；放入PVD或者PECVD的真空腔室80中，形成如图6所示的结构，同样的，此处的衬底10正面实际上为太阳能电池预备体100的上表面。在图6结构的基础上再在衬底10上表面的裸露表面上形成第二TCO52。其中，形成第二TCO52的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室80中进行，其中工艺参数为：控制PVD或者PECVD的真空腔室80中衬底10的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为5～50sccm，功率为100～5000w。
以下将结合具体实施例1-3和对比文件1进一步说明本申请的有益效果。
一种n型异质结太阳能电池预备体的制备包括以下步骤：
提供n型衬底，对衬底采用常规工艺清洗和制绒；在n型衬底正面和背面分别镀上氢化本征非晶硅；在n型衬底正面的氢化本征非晶硅上形成P型氢化非晶硅；在n型衬底背面的氢化本征非晶硅上形成n型氢化非晶硅；在n型氢化非晶硅40的外侧镀上TCO，形成n型异质结太阳能电池预备体。
实施例1
n型异质结太阳能电池的制备方法：
制作具有与栅线的排布结构相应图案的第一载片舟模板；将上述n型异质结太阳能电池预备体放入PVD真空腔室中，用第一载片舟模板遮挡在上述n型异质结太阳能电池预备体的正面，控制PVD真空腔室内衬底的温度为25℃，工作气压为0.1Pa，氩气流量为20sccm，控制氧气流量为10sccm，控制功率为5000w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成第一TCO51。
制作图案遮挡第一TCO51的第二载片舟模板；将完成形成有第一TCO51的n型异质结太阳能电池预备体放入PVD真空腔室中，将第二载片舟模板图案与第一TCO51相对应的遮挡在衬底上表面；控制PVD真空腔室中衬底的温度为25℃，工作气压为0.1Pa，氩气流量为500sccm，氧气流量为50sccm，功率为5000w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成围绕第一TCO的第二TCO。
实施例2
n型异质结太阳能电池的制备方法：
制作具有与栅线的排布结构相应图案的第一载片舟模板；将上述n型异质结太阳能电池预备体放入PECVD的真空腔室中，用第一载片舟模板遮挡在上述n型异质结太阳能电池预备体的正面，控制PECVD的真空腔室中衬底的温度为250℃，工作气压为10Pa，氩气流量为500sccm，氧气流量为1sccm，功率为100w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成第一TCO51。
制作图案遮挡第一TCO51的第二载片舟模板；将完成形成有第一TCO51的n型异质结太阳能电池预备体放入PECVD的真空腔室中，将第二载片舟模板图案与第一TCO51相对应的遮挡在衬底上表面；控制PECVD的真空腔室中衬底的温度为200℃，工作气压为5Pa，氩气流量为300sccm，氧气流量为30sccm，功率为300w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成围绕第一TCO的第二TCO。
实施例3
n型异质结太阳能电池的制备方法：
制作具有与栅线的排布结构相应图案的第一载片舟模板；将上述n型异质结太阳能电池预备体放入PECVD的真空腔室中，用第一载片舟模板遮挡在上述n型异质结太阳能电池预备体的正面，控制PECVD的真空腔室中衬底的温度为250℃，工作气压为10Pa，氩气流量为500sccm，氧气流量为5sccm，功率为1500w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成第一TCO。
制作图案遮挡第一TCO51的第二载片舟模板；将完成形成有第一TCO的n型异质结太阳能电池预备体放入PECVD的真空腔室中，将第二载片舟模板图案与第一TCO相对应的遮挡在衬底上表面；控制衬底的温度为250℃，控制PECVD的真空腔室中工作气压为10Pa，氩气流量为300sccm，氧气流量为40sccm，功率为2000w。在n型异质结太阳能电池预备体的正面形成围绕第一TCO的第二TCO。
对比例1
n型异质结太阳能电池的制备方法：
将上述n型异质结太阳能电池预备体放入PECVD的真空腔室中控制PECVD的真空腔室中衬底的温度为200℃，工作气压为10Pa，氩气流量为200sccm，氧气流量为30sccm，功率为5000w形成TCO。
测试：
将实施例1-3以及对比例1所制备TCO的电导率及透光率，测试结果如表1所示：
表1
如表1中数据可以看出，通过本申请所提供的方法能够将n型异质结太阳能电池的TCO层形成不同电导率与不同透光率的部分，这种对材料电导率及透光率的合理区分，有利于改善n型异质结太阳能电池的FF和Jsc，进而降低材料方阻，提高光电转换效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种异质结太阳能电池，包括衬底，形成在衬底上表面的TCO（50），以及形成在所述TCO（50）上的栅极（60），其特征在于，所述TCO（50）包括：
第一TCO（51），依据栅线排布结构设置在所述衬底（10）的上表面；
第二TCO（52），围绕所述第一TCO（51）覆盖在所述衬底（10）的上表面，
所述栅极（60）排布在所述支撑栅极TCO（51）上。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一TCO（51）为电导率大于5×104S/cm的TCO材料，所述第二TCO（52）为透光率大于80%的TCO材料。
3.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一TCO（51）为与第二TCO（52）掺杂元素不同或掺杂量不同的材料，或者为与第二TCO（52）氧含量不同的材料。
4.一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
提供衬底（10）；
在衬底（10）的上表面制备TCO；
在所述TCO上制备栅极，
其特征在于，制备所述TCO的步骤包括：
在所述衬底（10）的上表面依据栅线排布结构形成第一TCO（51）；
在所述衬底（10）的上表面围绕所述第一TCO（51）形成第二TCO（52）。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一TCO（51）与所述第二TCO（52）的原材料相同，所述第一TCO（51）通过调整掺杂元素或掺杂量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO（52）；或者所述第一TCO（51）通过调整制备过程中氧气流量的方式使其透光率及导电性区别于所述第二TCO（52）。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，形成第一TCO（51）的步骤包括：
制作具有与所述栅线排布结构相应的图案的第一载片舟模板（71）；
将所述第一载片舟模板（71）遮挡在所述衬底（10）正面；
在所述衬底正面的裸露表面上形成所述第一TCO（51）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一TCO（51）为低含氧量材料，形成所述第一TCO（51）的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室（80）中进行，其中工艺参数为：
控制PVD或者PECVD的真空腔室（80）中所述衬底（10）的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为1～10sccm，功率为100～5000w。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，形成第二TCO（52）的步骤包括：
制作图案遮挡所述第一TCO（51）的第二载片舟模板（72）；
将所述第二载片舟模板（72）图案与所述第一TCO（51）相对应的遮挡在所述衬底（10）正面；
在所述衬底上表面的裸露表面上形成所述第二TCO（52）。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述第二TCO（52）的步骤在PVD或者PECVD的真空腔室（80）中进行，其中工艺参数为：
控制PVD或者PECVD的真空腔室（80）中所述衬底（10）的温度为25～250℃，工作气压为0.1～10Pa，氩气流量为20～500sccm，氧气流量为5～50sccm，功率为100～5000w。
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