CN103681889A - 一种引入驻极体结构的高效太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种引入驻极体结构的高效太阳能电池及制备方法，其特征在于在常规太阳能电池结构中引入驻极体薄层，以增加太阳能电池的光电转化效率。引入的驻极体结构为以下四种中任一种：①通过对太阳能电池的表面钝化减反射薄膜进行驻极体化处理，使其具有驻极体功能；②或在太阳能电池表面单独沉积驻极体薄层；③或通过在组件封装中引入具有驻极体性质的封装材料；④或是在太阳能电池或组件制备完成后，通过驻极体化手段处理，在电池或组件中诱导出驻极体薄层。本发明不仅适用于晶体硅电池，也适用非晶硅薄膜电池、碲化镉电池、砷化镓电池、铜铟镓硒电池、染料敏化电池和有机电池等其他类型的太阳能电池。

Description

一种引入驻极体结构的高效太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明涉及一种引入驻极体结构的太阳能电池及其制备方法，属于新能源领域。

背景技术

现今，由于支持人类文明发展的石化能源的持续短缺，且对于能源的需求与日俱增，因此如何提供绿色环保而且可再生的能源，支持人类的可持续发展，成为了目前最迫切的问题。在各种替代能源中，太阳光伏发电是最具有优势的。光伏市场近年来都以超过40%的速度增长，2011年光伏组件产量超过26吉瓦，产值超过3000亿。太阳能电池就是太阳能光伏发电系统中最核心的部分。

随着商业化太能电池转换效率不断提高。光生载流子复合已经成为了制约电池光电转换效率的瓶颈。其中表面复合是造成电池效率损失的主要原因。

从太阳能电池的光电转换效率公式（1-3）可以看出，

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{OC}}{I}_{\mathrm{SC}}\mathrm{FF}}{P_{\mathrm{in}}}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{oc}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\mathrm{In}(\frac{\mathrm{IL}}{I_s}+1)---\left(2\right)$

$I_S=\mathrm{Aq}\frac{N_c{N}_V}{N_A}\sqrt{\frac{D_n}{{\mathrm{\τ}}_n}}\exp \left(\frac{{-E}_g}{\mathrm{kT}}\right)---\left(3\right)$

公式（1）：η电池效率    V_oc开路电压    P_in入射光功率

           I_SC短路电流   FF填充因子

公式（2）：k玻尔兹曼常数    T绝对温度（热力学温度）

           q电荷常数        I_L光电流    I_s反向饱和电流

公式（3）：A光照面积    N_C导带中有效态密度

           N_A受主杂质浓度    N_V价带中有效态密度

           D_n电子扩散系数    τ_n少数载流子寿命（或少子寿命）

           E_g能隙

少数载流子τ_n越大，反向饱和电流I_s越小；而反向饱和电流I_s越小，则太阳能电池的开路电压V_oc越大，相应的太阳能电池效率越高。本发明涉及的就是通过引入驻极体来提高太阳能电池的表面钝化效果，减少载流子复合速率，具体到提高少数载流子寿命τ_n的数值来提高电池的效率。

针对表面载流子复合损失，目前商业化电池生产中主要采用PECVD沉积氮化硅薄膜或是沉积氧化硅、氧化铝薄膜。这些利用常规方式沉积的表面钝化薄膜，其薄膜中固定电荷密度很低，而且稳定性差，主要是以薄膜的表面化学钝化为主，场钝化作用很弱。

尽管在集成电路领域驻极体研究很多，已是一个十分成熟的技术，然而在太阳能电池领域则鲜有报道，所以本发明试图在常规太阳能电池结构中引入了驻极体薄层，通过驻极体材料对太阳能电池进行场钝化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种引入驻极体结构的高效太阳能电池及制备方法，以提高太阳能电池的少数载流子寿命，降低表面载流子复合，从而增加反向保护电流，提高太阳能电池的开压，从而从根本上提高太阳能电池的光电转换效率。本发明要解决的技术难题就是：针对常规结构的太阳能电池，表面载流子复合损失严重的特点，本发明提供了一种带有驻极体薄层结构的太阳能电池。通过引入的驻极体薄层的场钝化效果，避免了常规太阳能电池中表面载流子复合严重的问题。

本发明为解决技术难题所采取的技术方案是：在常规的太阳能电池结构中引入驻极体薄层结构，提高电池表面的场钝化效果，最终提高太阳能电池的少子寿命。

本发明公开了一种引入驻极体结构的太阳能电池及其制备方法，其特征（A）在于在常规电池结构中引入了驻极体薄层结构，以增加太阳能电池的光电转化效率。

特征（B）在于引入的驻极体薄层结构，①可以是通过对太阳能电池的表面钝化减反射薄膜进行驻极体化处理，使其具有驻极体功能（详见实施例1，3-5）；②所述的薄膜可以为单体或多层薄膜，可以在太阳能电池表面单独沉积驻极体薄层（详见实施例2）；③也可以通过在组件封装中引入具有驻极体性质的封装材料；④还可以是在电池或组件制备完成后，通过驻极体化手段，在电池或组件中诱导出驻极体薄层（详见实施例7）。

特征（C）在于对电池表面钝化减反射薄膜进行驻极体化处理时的钝化减反射材料，可以是单一的氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧化铝、碳化硅、氧化钽、氧化钛等介电质薄膜，也可以是多层薄膜的复合体。薄膜的形成方式，可以是表面化学反应生长，化学沉积，物理沉积等各种方法。薄膜厚度2～200纳米。如果驻极体薄层的厚度太薄，小于2纳米，则驻极体的优势不明显；如果驻极体层太厚，超过200纳米，则会导致常规晶硅电池的正面栅线烧结困难，驻极体层太厚还会对光的吸收较多，引起太阳能电池的效率下降，所以2-200纳米是较适合的范围。

特征（D）在于在电池表面沉积单独的驻极体薄膜材料，可以是单一的氧化硅、氮化硅、氮氧硅、氧化铝、碳化硅、氧化钽、氧化钛等介电质薄膜，也可以是多层薄膜的复合体。薄膜的形成方式，可以是表面化学反应生长，化学沉积，物理沉积等各种方法。薄膜厚度2～200纳米。如果驻极体薄层的厚度太薄，小于2纳米，则对驻极体的优势不明显；如果驻极体层太厚，超过200纳米，则会导致常规晶硅电池的正面栅线烧结困难，驻极体层太厚还会对光的吸收较多，引起太阳能电池的效率下降。

特征（E）在于在组件封装中引入的驻极体功能封装材料，可以是对EVA、PVB、EBA、聚氨酯、硅酮等经过驻极体化处理。在组件中引入的驻极体薄膜厚度0.1～10毫米。如果驻极体薄层的厚度太薄，小于0.1毫米，则难以达到密封目的；如果驻极体层太厚，超过10毫米，则会导致驻极体封装层对光的吸收较多，引起太阳能电池组件的效率下降。

特征（F）在于对薄层材料的驻极体化处理，可以通过电晕充电、离子注入、粒子束辐照、接触充电、热极化方法、光极化方法、非穿透性电子束辐照等方法实现。可以一种方法单独处理，也可以结合多种方法进行驻极体化处理。

特征（G）在于所述的驻极体化处理步骤可以在钝化层薄膜沉积后的任一道工艺。可以在钝化薄膜沉积后、金属化电极制作后、边缘刻蚀后、烧结后、电池制作完成后或封装成组件后进行。

所述的制备步骤包括：⑴在清洗、扩散后的硅片沉积一层或多层薄膜。⑵对硅片表面沉积的薄膜，通过电晕充电、离子注入、粒子束辐照、接触充电、热极化方法、光极化方法、非穿透性电子束辐照等方法实施驻极体化过程。可以一种方法单独处理，也可以结合多种方法进行驻极体化处理。⑶进行退火处理。

对于组件封装，采用驻极体封装材料。对制备好的电池或组件进行电晕充电等驻极体诱导方法，使介电质进行驻极体化。

由此可见，本发明可以减少太阳能电池的载流子复合，提高电池的开路电压，减少效率衰减，降低电池的温度系数（太阳能电池的开压越高温度系数越低）。对于晶体硅电池，可以提高开路电在5mV以上，提高效率绝对值0.3%以上。本发明不仅适用于作为太阳能电池主流的晶体硅电池，包括单晶硅和多晶硅电池，占了目前太阳能电池90%以上；也适用非晶硅薄膜电池、碲化镉电池、砷化镓电池、铜铟镓硒电池、染料敏化电池和有机太阳能电池等其他类型的太阳能电池。

附图说明

图1电晕充电驻极体化示意图；

图2离子注入驻极体化示意图；

图3（a）常规电池结构示意图；（b）引入驻极体薄膜结构后的太阳能电池结构示意图；

图4（a）双面钝化的太阳能电池结构示意图；（b）在双面钝化电池上的引入驻极体后的电池结构示意图。

具体实施方式

实施例1:对单层膜电晕充电驻极体化的制备步骤是：

1、将厚度280±10微米、电阻率为3欧姆·厘米的p型硅片清洗制绒后，经高温扩散炉进行磷掺杂，形成p-N结。扩散形成N型表面方块电阻为60欧姆/□。等离子体边缘刻蚀，清洗掉表面磷硅玻璃。

2、在N型表面通过PECVD方法生长折射率为2.05、厚度80纳米的氮化硅簿膜。

3、对氮化硅薄膜进行驻极体化处理。在硅片的氮化硅表面进行电晕充电。充电电压为6千伏，电极距离硅片表面2厘米，时间为80秒。

4、对表面处理后的硅片在380摄氏度进行60秒退火处理。

5、印刷背极背场和正面电极，烧结和测试。

本实施例为对单层膜电晕充电驻极体化（图1）。

实施例2:直接沉积驻极体结构的减反射钝化薄膜的方法步骤是：

1、将厚度280±10微米、电阻率为3欧姆·厘米的p型硅片清洗制绒后，经高温扩散炉进行磷掺杂，形成p-N结。扩散形成N型表面方块电阻为60欧姆/□。等离子体边缘刻蚀，清洗掉表面磷硅玻璃。

2、在N型表面，通过驻极体优化的等离子体气相沉积方法沉积折射率为2.05、厚度80纳米的氮化硅驻极体簿膜。

3、对生长了氮化硅驻极体薄膜的硅片，在380摄氏度进行60秒退火处理。

4、印刷背极背场和正面电极，烧结和测试。

本实施例为直接沉积驻极体结构的减反射钝化薄膜。

实施例3：对单层膜离子注入驻极体化的制备的步骤包括：

1、将厚度280±10微米、电阻率为3欧姆·厘米的p型硅片清洗制绒后，经高温扩散炉进行磷掺杂，形成p-N结。扩散形成N型表面方块电阻为60欧姆/□。等离子体边缘刻蚀，清洗掉表面磷硅玻璃。

2、在N型表面通过PECVD方法生长折射率为2.05、厚度80纳米的氮化硅簿膜。

3、对氮化硅薄膜进行驻极体化处理。在硅片表面的氮化硅薄膜进行离子注入。注入离子源为氦粒子，电压为3千伏，注入剂量为：10¹³/cm²。

4、对表面处理后的硅片在350摄氏度进行60秒退火处理。

5、印刷背极背场和正面电极，烧结和测试。

本实施例为单层膜离子注入驻极体化；引入驻极体后的电池结构变化如图3、4。

实施例4:氧化硅-氮化硅双层薄膜的步骤包括：

1、将厚度280±10微米、电阻率为3欧姆·厘米的p型硅片清洗制绒后，经高温扩散炉进行磷掺杂，形成p-N结。扩散形成N型表面方块电阻为60欧姆/□。等离子体边缘刻蚀，清洗掉表面磷硅玻璃。

2、对掺杂后硅片的N型表面通过高温氧化热生长方法，生长10纳米厚的氧化硅钝化层。然后通过PECVD方法在表面沉积70纳米厚折射率为2.0的氮化硅薄膜，形成氧化硅－氮化硅双层钝化薄膜。

3、对氧化硅-氮化硅双层钝化薄膜进行驻极体化处理。在硅片的氮化硅表面进行电晕充电。充电电压为6千伏，电极距离硅片表面2厘米，时间为80秒。

4、对表面处理后的硅片在380℃进行60秒退火处理。

5、印刷背极背场和正面电极，烧结和测试。

实施例5：氧化铝和氮化硅双面处理的步骤包括：

1、将厚度280±10微米、电阻率为3欧姆·厘米的p型硅片清洗制绒后，经高温扩散炉进行磷掺杂，形成p-N结。扩散形成N型表面方块电阻为60欧姆/□。等离子体边缘刻蚀，清洗掉表面磷硅玻璃。

2、在N型表面通过PECVD方法生长折射率为2.05、厚度80纳米的氮化硅簿膜。

3、对电池背面利用原子层沉积方法生长20纳米氧化铝钝化层。

4、对硅片前表面的氮化硅薄膜进行驻极体化处理。在硅片的氮化硅表面进行电晕充电。充电电压为6千伏，电极距离硅片表面2厘米，时间为80秒。

5、对硅片背表面的氧化铝薄膜进行驻极体化处理。在硅片的氧化铝钝化薄膜表面进行电晕充电。充电电压为负2千伏，电极距离硅片表面2厘米，时间为80秒。

6、在380℃进行60秒退火处理。

7、背面铝金属化和激光烧结。正面丝网印刷电极，烧结和测试。

实施例4和5为引入双层复合体薄膜。

实施例6：在电池制备后进行驻极体化处理的步骤包括：

1、对制作好的电池片的氮化硅面进行电晕充电。充电电压为6千伏，电极距离硅片表面2厘米，时间为80秒。

2、对表面处理后的电池片在380℃进行60秒退火处理。

实施例7：用驻极体薄膜封装的步骤包括：

1、对制作好的电池片进行分拣，选择电性能一致的电池分成一组，经过串焊和测试。

2、然后用具有驻极体功能的密封膜代替常规封装所用的EVA进行层压和封装。

最后，应特别强调指出的是本申请的具体实施例仅针对本发明内容所述的特征作了例举，实际上不只是实施例所述的，发明内容中所述的均可适用。例如实施例7所述的采用EVA方法进行层压的方法不只是仅局限于EVA还可以是PVB、EBA、聚氨酯或硅酮中任一种。

Claims (10)

1.一种引入驻极体结构的太阳能电池，其特征在于在常规太阳能电池结构中引入驻极体薄层，以增加太阳能电池的光电转化效率。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于引入的驻极体薄层为以下四种中任一种：

①通过对太阳能电池的表面钝化减反射薄膜进行驻极体化处理，使其具有驻极体功能；

②或在太阳能电池表面单独沉积驻极体薄层；

③或通过在组件封装中引入具有驻极体性质的封装材料；

④或是在太阳能电池或组件制备完成后，通过驻极体化手段处理，在太阳能电池或组件中诱导出驻极体薄层。

3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于对太阳能电池表面钝化减反射薄膜进行驻极体化处理时的钝化减反射材料，是单一的氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧化铝、碳化硅、氧化钽或氧化钛介电质薄膜，或为多层薄膜的复合体。

4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于所述薄膜的厚度为2-200纳米。

5.根据权利要求2所述的电池，其特征在于在组件封装中引入的驻极体功能封装材料，是对EVA、PVB、EBA、聚氨酯或硅酮经过驻极体化处理。

6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于在组件中引入的驻极体薄膜厚度0.1～10毫米。

7.制备如权利要求1或2所述的电池的方法，其特征在于所述的方法步骤至少包括：

⑴在清洗、扩散后的硅片沉积一层或多层薄膜；

⑵硅片表面沉积的薄膜，通过电晕充电、离子注入、粒子束辐照、接触充电、热极化方法、光极化方法或非穿透性电子束辐照方法实施驻极体化结构过程；

⑶进行退火处理；

对于组件封装，采用驻极体封装材料是对制备好的电池或组件进行电晕充电驻极体诱导方法，使介电质进行驻极体化。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

a)步骤2所述的实施驻极体化结构的过程为一种方法单独处理或多种方法进行驻极体化处理；

b)驻极体化处理步骤shi在钝化层薄膜沉积后的任一道工艺，或在钝化薄膜沉积后、金属化电极制作后、边缘刻蚀后、烧结后、电池制作完成后或封装成组件后进行。

9.根据权利要求1或2所述的电池的应用，其特征在于适用于单晶硅和多晶硅在内的晶体硅电池以及非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟镓硒电池染料敏化电池和有机太阳能电池。

10.根据权利要求9所述的电池的应用，其特征在于提高晶体硅电池的开路电压在5mV以上，提高效率绝对值0.3%以上。

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