CN104167472A - 一种异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质结太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池包括衬底(1)、n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、本征非晶SiOX层(0<x<2)(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)、电极(7)，所述衬底(1)的背面依次生长n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)，所述衬底(1)的正面依次生长本征非晶SiOX(0<x<2)层(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)。本发明提供的异质结太阳能电池，相比传统晶硅电池和HIT电池，具有更高的转换效率和更高的工作稳定性。所述制备方法具有节能、方便实施的特点。
Description
技术领域
本发明属于光伏太阳能电池技术领域，具体涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源危机和环境污染问题促进了清洁能源的广泛研究与应用开发。太阳能光伏发电具有资源充足、清洁、安全、寿命长等优点，已成为可再生能源技术中发展最快、最具活力的研究领域。日前市场上的光伏太阳能电池主要有晶体硅(包括单晶硅、多晶硅)、非晶硅薄膜、碲化镉薄膜及铜铟硒薄膜太阳电池等。
其中，晶体硅太阳能电池仍占主流，技术也最为成熟，其光电转化效率已达19.5％，但受到制备工艺限制，其转化效率的提高已经达到极限；而非晶硅太阳能电池虽然生产环节原料及能源消耗比较小，但其转换效率比较低，并且稳定性差。
近年来HIT电池得到了迅速的发展，这种异质结结构的电池综合了晶硅电池和非晶硅电池两者的优点，是一种非常有应用前景的技术。在HIT电池研究及其大规模产业化的过程中，日本的Sanyo公司做出了重要贡献，1991年其在1cm2面积上制备出转化效率为20.0％的HIT电池，2003年，Sanyo公司100cm2电池转化效率达到19.5％，到2006年，其HIT电池的最高转化效率达到21.8％。2009年5月，Sanyo公司又将HIT池的转化效率提高到23％。被Panasonic收购后的2013年，Sanyo HIT太阳能电池实现了24.7％的实验室转化效率。
为了进一步提高异质结太阳能电池的转化效率及其长时间工作的稳定性，有必要对其结构及制备方法进行进一步的优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种异质结太阳能电池及其制备方法，所述异质结太阳能电池具有更高的实际功率输出和良好的温度稳定性。所述制备方法具有低温节能、方便实施的优点。
一种异质结太阳能电池，包括衬底、n+型扩散层、n++型非晶硅薄膜层、本征非晶SiOX层(0<x<2)、P型非晶SiOX(0<x<2)层、TCO薄膜层、电极，其中，所述衬底的背面依次生长n+型扩散层、n++型非晶硅薄膜层、TCO薄膜层，TCO薄膜层上设置电极，所述衬底的正面依次生长本征非晶SiOX(0<x<2)层、P型非晶SiOX(0<x<2)层、TCO薄膜层，TCO薄膜层上设置电极。
上述异质结太阳能电池，所述衬底的材料为n型单晶硅，所述n+型扩散层通过热扩散POCl3形成，所述TCO薄膜层的材料为ITO，所述电极通过丝网印刷银浆烧结而成。
上述异质结太阳能电池，所述银浆的成份包括银粉80～90wt％、玻璃粉2～5wt％、有机载体10～20wt％。经烧结后电阻率低于2μΩ·cm。
上述异质结太阳能电池，所述电极的宽度为30μm～60μm，高度为30μm～50μm。具有低的遮光面积和低的电阻。
上述异质结太阳能电池，所述衬底的厚度为100μm～150μm。检测其电阻率为2Ω·cm～18Ω·cm，晶格方向为100，此条件下得到的电池具有高的开路电压、高的短路电流、良好的绒面结构。
上述异质结太阳能电池，所述n+型扩散层的厚度为1nm～10nm，n++型非晶硅薄膜层的厚度为20nm～30nm，本征非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为1nm～3nm，P型非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为3nm～8nm，TCO薄膜层的厚度为100nm～150nm。厚度的选择使电池在表面充分钝化的基础上，具有比较高的短路电流和开路电压性能。
所述TCO薄膜层的方阻为10Ω/□～30Ω/□，可以尽量降低对电池串联电阻的影响。
本发明同时还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法，操作步骤依次包括：
a.对衬底进行制绒和清洗；
b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成n+型扩散层；
c.利用PECVD在n+型扩散层上生长n++型非晶硅薄膜层；
d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶SiOx(0<x<2)层；
e.利用PECVD在本征非晶SiOx(0<x<2)层上生长P型非晶SiOx(0<x<2)层；
f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜表面和P型非晶SiOx(0<x<2)层表面溅射TCO薄膜层；
g.利用丝网印刷分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷银浆，并利用烧结炉对银浆进行烧结。在150～250℃的温度下进行5分钟至35分钟烧结。
上述异质结太阳能电池的制备方法，所述步骤a具体操作依次包括：去有机物、制绒、HNO3表面处理、SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
所述步骤b中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为3x10-15～5x10-18kg/cm3；
在进行步骤c所述操作之前，要对已形成n+型扩散层的衬底进行预处理，预处理的过程依次包括：SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
所述步骤c为在150℃～200℃下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层；
所述步骤d为在150℃～200℃下通入SiH4、CO2生长本征非晶SiOx(0<x<2)层；
所述步骤e为在150℃～200℃下通入SiH4、B2H6、CO2生长P型非晶SiOx(0<x<2)层；
所述步骤f为在射频磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材，通过加入O2、H2调节TCO薄膜层的掺杂；
所述步骤g中烧结的温度为150℃～250℃，使印刷之后的电极完成固化过程。
ITO靶材成分为90％的In2O3，10％的SnO2，纯度为99.999％。
通过加入O2、H2调节TCO薄膜层的掺杂过程中，O2占总通气量的1％-10％，H2占总通气量的的1％-8％，控制膜层厚度100nm，方阻低于30Ω/□。
上述异质结太阳能电池的制备方法，所述步骤a中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、1％-10％KOH和5％-15％IPA的水溶液、30％-60％HNO3和1％-10％HF的水溶液、10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、10％-30％HCl和10％-40％H2O2的水溶液、1％-5％HCl和1％-5％HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
上述异质结太阳能电池的制备方法，在进行步骤c所述操作之前，预处理的过程中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、10％-30％HCl和10％-40％H2O2的水溶液、1％-5％HCl和1％-5％HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
经过清洗处理降低硅片表面颗粒度和金属离子含量，能够达到工艺的要求。
本发明提出了在n型晶硅的背面通过轻扩散生长n+扩散层和通过PECVD法生长n++型非晶硅薄膜，在n型晶硅的正面通过PECVD法生长本征非晶SiOx(0<x<2)层和P型非晶SiOx(0<x<2)层的新型电池结构。本发明提供的异质结太阳能电池，相比传统晶硅电池和HIT电池，具有更高的转换效率和更高的工作稳定性，实验证明本发明的异质结太阳能电池的平均效率在22.8％以上，功率温度系数低至-0.27％/K。
所提供的制备方法绝大部分工艺都在低于250℃的温度下进行，可以节约能源，制备得到的产品的良率能达到99.5％。
附图说明
图1为本发明所述异质结太阳能的结构示意图。
图中各标号的含义为：衬底1，n+型扩散层2，n++型非晶硅薄膜3，本征非晶SiOX(0<x<2)层4，P型非晶SiOX(0<x<2)层5，TCO薄膜层6，电极7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述内容做进一步详细的说明。
实施例1
a.对衬底进行制绒和清洗
选用电阻率为2Ω·cm、晶格方向为100、厚度为100μm的n型单晶硅衬底25片，用真空吸笔放入制绒片盒之中。
将衬底依次经过去有机物、制绒、HNO3表面处理、SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干处理。除风干外，每步处理工艺所用溶液及体积分数分别为10％NH4OH和10％H2O2的水溶液、1％KOH和5％IPA的水溶液、30％HNO3和1％HF的水溶液、10％NH4OH和10％H2O2的水溶液、10％HCl和10％H2O2的水溶液、1％HCl和1％HF的的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75℃、80℃、25℃、75℃、75℃、25℃。
b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成n+型扩散层
将经过步骤a处理过的衬底，在5分钟之内放入扩散炉之中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散。POCl3的扩散浓度为3×10-15kg/cm3，所形成的n+型扩散层的厚度为10nm；
随后，要对步骤b已形成n+型扩散层的衬底进行再次处理，处理的过程依次包括：SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干，除风干外，每步工艺所用溶液分别为10％NH4OH和10％H2O2的水溶液、10％HCl和10％H2O2的水溶液、1％HCl和1％HF，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75℃、75℃、25℃。
c.利用PECVD在n+型扩散层上生长n++型非晶硅薄膜层
将经过再次处理的衬底在150℃下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层，所形成的n++型非晶硅薄膜层的厚度为20nm。
d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶SiOx(0<x<2)层
将生长了n++型非晶硅薄膜层的衬底在150℃下通入SiH4、CO2生长本征非晶SiOx(0<x<2)层，所形成的本征非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为3nm。
e.利用PECVD在本征非晶SiOx(0<x<2)层上生长P型非晶SiOx(0<x<2)层
将生长了本征非晶SiOx(0<x<2)层的衬底在200℃下通入SiH4、B2H6、CO2生长P型非晶SiOx(0<x<2)层，所形成的P型非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为8nm。
f.利用直流磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层表面和P型非晶SiOx(0<x<2)层表面溅射TCO薄膜层(ITO材料)。
在直流磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材(In2O390％，SnO210％，纯度99.999％)，其中O2占总通气量的2％，H2占总通气量的的6％，所形成的TCO薄膜层厚度为150nm，方阻低于25Ω/□。
g.利用银浆分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷电极，并利用烧结炉对电极进行烧结，烧结的温度为250℃，烧结时间为25分钟。烧结之后电极的宽度为60μm，高度为30μm，电阻率1.7μΩ·cm。
实施例2
a.对衬底进行制绒和清洗
选用电阻率为2Ω·cm、晶格方向为100、厚度为150μm的n型单晶硅衬底25片，用真空吸笔放入制绒片盒之中。
将衬底依次经过去有机物、制绒、HNO3表面处理、SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干处理。除风干外，每步处理工艺所用溶液体积分数分别为30％NH4OH和40％H2O2的水溶液、10％KOH和15％IPA的水溶液、60％HNO3和10％HF的水溶液、30％NH4OH和40％H2O2的水溶液、30％HCl和40％H2O2的水溶液、5％HCl和5％HF的的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75℃、80℃、25℃、75℃、75℃、25℃。
b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成n+型扩散层
将经过步骤a处理过的衬底通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为5×10-18kg/cm3，所形成的n+型扩散层的厚度为1nm；
随后，要对步骤b已形成n+型扩散层的衬底进行再次处理，处理的过程依次包括：SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干，除风干外，每步工艺所用溶液分别为30％NH4OH和40％H2O2的水溶液、30％HCl和40％H2O2的水溶液、5％HCl和5％HF，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75℃、75℃、25℃。
c.利用PECVD在n+型扩散层上生长n++型非晶硅薄膜层
将经过预处理的衬底在200℃下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层，所形成的n++型非晶硅薄膜层的厚度为30nm。
d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶SiOx(0<x<2)层
将生长了n++型非晶硅薄膜层的衬底(1)在200℃下通入SiH4、CO2生长本征非晶SiOx(0<x<2)层，所形成的本征非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为1nm。
e.利用PECVD在本征非晶SiOx(0<x<2)层上生长P型非晶SiOx(0<x<2)层
将生长了本征非晶SiOx(0<x<2)层的衬底在150℃下通入SiH4、B2H6、CO2生长P型非晶SiOx(0<x<2)层，所形成的P型非晶SiOx(0<x<2)层的厚度为3nm。
f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层表面和P型非晶SiOx(0<x<2)层表面溅射TCO薄膜层
在直流磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材(In2O390％，SnO210％，纯度99.999％)，其中O2占总通气量的2％，H2占总通气量的的6％，所形成的TCO薄膜层厚度为150nm，方阻低于25Ω/□。
g.利用银浆分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷电极，并利用烧结炉对电极进行烧结，烧结的温度为250℃，烧结时间为25分钟。烧结之后电极的宽度为30μm，高度为50μm，电阻率1.7μΩ·cm。
实施例3
为了考察本发明所述异质结太阳能电池的性能，发明人对依照本发明所述异质结太阳能电池的制备方法所制备的实施例1-2的产品进行了抽样检测，每批取三个样品进行检测，具体结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明所述异质结电池在大面积、可量产的硅片上，光电转换效率可以达到23.1％的高效率，并且电池之间的效率相对差距比较小，也说明本发明所提供的太阳能电池的制备方法具有比较高工艺重复性和可靠性。
表2中是本发明所述异质结太阳能电池与国内外一流研发机构和电池生产厂商的产品进行对比的数据，其中包括传统晶硅电池和具有类似结构的HIT电池。
表2
表3是本发明所述异质结太阳能电池与国内外一流电池生产厂商的产品进行对比的数据，其中包括传统晶硅电池和具有类似结构的HIT电池。
表3
由表3可以看出，本发明所述异质结太阳能电池的转换效率，相对于传统的晶硅太阳能电池，以及同种类型的当前世界最高水平的“Panasonic,Japan”的电池具有更低的温度系数，也就是说本发明所述的异质结电池在正常工作时随环境温度的变化，电池功率、电压、电流等参数的波动更小，也就是说具有更高的工作稳定性。
Claims (10)
1.一种异质结太阳能电池，包括衬底(1)、n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、本征非晶SiOX层(0<x<2)(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)、电极(7)，其特征在于，所述衬底(1)的背面依次生长n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)，所述衬底(1)的正面依次生长本征非晶SiOX(0<x<2)层(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)。
2.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)的材料为n型单晶硅，所述n+型扩散层(2)通过热扩散POCl3形成，所述TCO薄膜层(6)的材料为ITO，所述电极(7)通过丝网印刷银浆烧结而成。
3.根据权利要求2所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述银浆的成份包括银粉80～90wt％、玻璃粉2～5wt％、有机载体10～20wt％。
4.根据权利要求1所述一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述电极(7)的宽度为30μm～60μm，高度为30μm～50μm。
5.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为100μm～150μm。
6.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述n+型扩散层(2)的厚度为1nm～10nm，n++型非晶硅薄膜层(3)的厚度为20nm～30nm，本征非晶SiOx(0<x<2)层(4)的厚度为1nm～3nm，P型非晶SiOx(0<x<2)层(5)的厚度为3nm～8nm，TCO薄膜层(6)的厚度为100nm～150nm。
7.如权利要求1所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，操作步骤依次包括：
a.对衬底(1)进行制绒和清洗；
b.利用扩散炉在衬底(1)背面扩散POCl3形成n+型扩散层(2)；
c.利用PECVD在n+型扩散层(2)上生长n++型非晶硅薄膜层(3)；
d.利用PECVD在衬底(1)正面生长本征非晶SiOx(0<x<2)层(4)；
e.利用PECVD在本征非晶SiOx(0<x<2)层(4)上生长P型非晶SiOx(0<x<2)层(5)；
f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层(3)表面和P型非晶SiOx(0<x<2)层(5)表面溅射TCO薄膜层(6)；
g.利用丝网印刷分别在衬底(1)正反面的TCO薄膜层(6)表面印刷银浆，并利用烧结炉对银浆进行烧结。
8.根据权利要求7所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，
所述步骤a具体操作依次包括：去有机物、制绒、HNO3表面处理、SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
所述步骤b中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为3x10-15～5x10-18kg/cm3；
在进行步骤c所述操作之前，要对已形成n+型扩散层(2)的衬底(1)进行预处理，预处理的过程依次包括：SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
所述步骤c为在150℃～200℃下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层(3)；
所述步骤d为在150℃～200℃下通入SiH4、CO2生长本征非晶SiOx(0<x<2)层(4)；
所述步骤e为在150℃～200℃下通入SiH4、B2H6、CO2生长P型非晶SiOx(0<x<2)层(5)；
所述步骤f为在射频磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材，通过加入O2、H2调节TCO薄膜层(6)的掺杂；
所述步骤g中烧结的温度为150℃～250℃。
9.根据权利要求8所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、1％-10％KOH和5％-15％IPA的水溶液、30％-60％HNO3和1％-10％HF的水溶液、10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、10％-30％HCl和10％-40％H2O2的水溶液、1％-5％HCl和1％-5％HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
10.根据权利要求8所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，在进行步骤c所述操作之前，预处理的过程中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10％-30％NH4OH和10％-40％H2O2的水溶液、10％-30％HCl和10％-40％H2O2的水溶液、1％-5％HCl和1％-5％HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
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