CN104201234A - 一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，1)采用厚度80～500um，电阻率0.1～1000Ω·cm的晶体硅片作为衬底；2)先在晶体硅衬底上制作太阳电池正面结构或半成品正面结构；3)保护好已制作的正面结构从背面减薄衬底：在已制作的太阳电池正面结构或半成品正面结构上制作100nm～100um的保护层或同时在背面也制作边框保护，将晶体硅衬底从背面减薄至5～50um；去除保护层或同时包括背面边框保护层；4)制作背面结构：在背面淀积异质结硅基钝化层2～100nm及背面场2～50nm。异质结结构大幅度的提高电池的转换效率、开路电压、短路电流等；光电性能优良的晶体硅作为柔性电池的吸收基区，是获得较高转换效率的保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池及其制备方法，特别是关于一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池及其制备方法。
技术背景
基于非晶体硅的柔性太阳电池，由于材料质量及其自身光电性质的制约，电池的转换效率偏低。
基于晶体硅的柔性太阳电池，由于其技术路线是先使用外延生长等方法制备柔性晶体硅衬底，再在其上完成电池的制备。导致技术路线难度高，工艺冗长复杂；再加上在很薄的柔性晶体硅衬底上，制作电池结构的技术工艺和常规非柔性晶体硅电池的不兼容，致使制备成本很高。
具有柔性的晶体硅其厚度是比较薄的(5～50um)，对太阳光谱中的长波长光子的吸收相对较弱，致使短路电流密度相对降低，其转换效率、开路电压等相对于常规厚度(>180um)的晶体硅电池有所下降。
发明内容
针对上述问题：本发明目的是，采用和常规非柔性晶体硅电池相兼容的光刻/电子束刻写及RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等技术在正面形成柱形阵列结构，对太阳光谱具有优良的陷光性，从而较好改善了短路电流密度；采用异质结结构进一步大幅度的提高了电池的转换效率、开路电压、短路电流等；径向结沿柱形材料的径向分离光生载流子对，进一步提高了载流子对的分离几率，并降低了载流子对的复合几率；利用易于低成本大规模化的化学刻蚀方法，仅从背面将晶体硅衬底减薄至呈现柔性；晶体硅衬底保证了电池具有较高的转换效率。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，包括步骤：1)采用厚度80～500um，电阻率0.1～1000Ω·cm的晶体硅片作为衬底；2)先在晶体硅衬底上制作太阳电池正面结构或半成品正面结构；完整的正面结构的制备方法为：将晶体硅衬底预处理；利用光刻/电子束刻写及RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等，在正面形成高陷光性的柱形阵列结构；在正面淀积异质结硅基钝化层(2～100nm)及发射区(2～50nm)；在正面淀积TCO/金属电极；3)保护好已制作的正面结构从背面减薄衬底：在已制作的太阳电池正面结构或半成品正面结构上制作100nm～100um的保护层(或同时在背面也制作边框保护层)，保护层为SiNx、AlOx、SiOx、PDMS、PMMA等的单层或叠层；在氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)或乙二胺邻苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)化学刻蚀体系中进行刻蚀，将晶体硅衬底从背面减薄至5～50um；去除保护层(或并背面边框保护层)；4)制作背面结构：在背面淀积异质结硅基钝化层(2～100nm)及背面场(2～50nm)；在背面淀积TCO/金属电极；5)根据情形，即制作刻蚀保护层前已制作的太阳电池成品或半成品正面结构，(或)再进一步完成正面结构。
采用厚度>80um，电阻率为0.1～1000Ω·cm的晶体硅片作为衬底；所述晶体硅衬底是p型或n型单晶硅片，或是p型或n型多晶硅片。
对晶体硅衬底进行预处理，包括常规清洗、去除损伤层、适度抛光或适度陷光化(制绒化)等。
在正面形成高陷光性的柱形阵列结构，也可以是孔形、锥形等阵列结构，柱、孔、锥等表面还可以叠加上更小尺度的陷光粗糙结构；制作技术可以采用光刻/电子束刻写、RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等技术，也可以采用压印/单分散层微球、激光烧蚀等技术，可以是其中一种技术的单独使用，也可以是其中多种技术的联合使用。
正面发射区是掺杂的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H等，可以是其中一种的单层，也可以是其中多种的叠层。
正面电极为TCO/金属电极，TCO材料可以是ITO、FTO、AZO等，金属材料可以是Ag、Al等，制作技术涵盖溅射、蒸镀、丝网印刷等。
背面场是掺杂的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H等，可以是其中一种的单层，也可以是其中多种的叠层。
背面电极是TCO/金属电极，TCO材料可以是ITO、FTO、AZO等，金属材料可以是Ag、Al等，制作技术涵盖溅射、蒸镀、丝网印刷等；背面TCO层也可以缺省。
制作减薄背面刻蚀保护层前先在晶体硅衬底上制作至一定的正面结构，即正面结构的部分或全部，例如制作至形成高陷光性的柱形阵列结构，或制作至淀积完异质结硅基钝化层及发射区，或制作至淀积完TCO/金属电极；甚至衬底先不制作正面结构，同时也不再需要制作正面保护层，直接在化学刻蚀体系里从双面减薄衬底至呈现柔性，再将其制成柔性电池，也在本发明的保护范围之内。
在已制作的正面结构上制作保护层(或在背面也制作边框保护层)，保护层可以是SiNx、AlOx、SiOx等，也可以是PDMS、PMMA等，可以是其中一种的单层，也可以是其中多种的叠层；如果在背面制作了边框保护层，背面减薄刻蚀后，衬底将具有一个原衬底厚度的硬边框，该边框的存在可以保护中部的柔性衬底区域，非常便于后续的操作与工艺处理，中部柔性区域全部电池工艺完成后，可以用激光切片机切除该边框，便获得了中部的柔性电池。
用化学刻蚀方法从背面将衬底减薄到5～50um，呈现非常优良的柔性，化学刻蚀体系可以是氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性体系，也可以是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性体系，还可以是乙二胺邻苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)等体系。
正面和背面在制作时可以采用正面钝化层、背面钝化层。正面钝化层是本征的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H等，可以是其中一种的单层，也可以是其中多种的叠层；正面钝化层也可以缺省。背面钝化层是本征的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H等，可以是其中一种的单层，也可以是其中多种的叠层；背面钝化层也可以缺省。
本发明的有益效果：本发明采用和常规非柔性晶体硅电池相兼容的光刻/电子束刻写及RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等技术在正面形成柱形阵列结构，对太阳光谱具有优良的陷光性，改善了短路电流密度；采用异质结结构进一步大幅度的提高了电池的转换效率、开路电压、短路电流等；径向结沿柱形材料的径向分离光生载流子对，进一步提高了载流子对的分离几率，并降低了载流子对的复合几率；利用易于低成本大规模化的化学刻蚀方法，仅从背面将晶体硅衬底减薄至呈现柔性；本发明使用化学刻蚀方法，易于低成本大规模产业化；晶体硅作为柔性电池的吸收基区，具有优良的光电性能，是获得高效柔性电池的基础。本发明最终获得的柔性晶体硅太阳电池的转换效率非常高，远高于一般的柔性薄膜电池，甚至高于常规非柔性单晶硅或多晶硅太阳电池，因此具有更加多样而广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的结构示意图。
图2是本发明提供的一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明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1和图2，对本发明进一步详细说明。
图中所示，1背面TCO/金属电极、2背面场、3背面钝化层、4柔性晶体硅、5正面钝化层、6正面发射区、7正面TCO、8正面金属电极。
一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池及其制备方法，其特征在于：实现完整正面结构的制备方法：将晶体硅衬底预处理；利用光刻/电子束刻写及RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等，在正面形成高陷光性的柱形阵列结构；在正面淀积异质结硅基钝化层及发射区；在正面淀积TCO/金属电极。实现背面结构的制备方法：在背面淀积异质结硅基钝化层及背面场；在背面淀积TCO/金属电极。保护正面减薄背面实现柔性的制备方法：在正面制作至一定的正面结构后，制作保护层将正面结构保护好(或在背面也制作边框保护层)，用化学刻蚀方法从背面将衬底减薄至呈现柔性(例如5～50um)，去除保护层(或并边框保护层)。
实施例1，正面制作至形成高陷光性的柱形阵列结构，保护正面刻蚀背面：
1)采用厚度200±20um，电阻率为1～3Ω·cm的p型单晶硅片作为衬底。
2)对衬底进行常规碱制绒。
3)采用接触式紫外光刻，在正面光刻胶上形成圆孔形阵列；在其上蒸镀0.1～10um的金属铬，通过剥离光刻胶的方法形成铬的圆形阵列；以金属铬的圆形阵列为掩膜版，采用氟基RIE刻蚀，形成晶体硅的柱形阵列；化学湿法去除金属铬及硅的表面损伤；最终在正面形成直径2～20um、周期4～40um、高度3～10um的晶体硅柱形阵列结构。
4)PECVD正面淀积300～600nm的SiNx作为保护层，背面淀积宽度～5mm，厚度300～600um的SiNx作为边框保护层。
5)使用NaOH溶液，从背面将衬底减薄至20～40um，衬底呈现非常优良的柔性。
6)去除正面的SiNx保护层及背面的SiNx边框保护层。
7)正面PECVD先淀积2～10nm的本征a-Si:H，再淀积10～20nm的n型a-Si:H，形成正面钝化层及异质结。
8)背面PECVD先淀积2～10nm的本征a-Si:H，再淀积10～20nm的重掺杂p型a-Si:H，形成背面钝化层及背面场。
9)在正面磁控溅射淀积50～150nm的TCO，并在其上电子束蒸镀具有栅线版形的银电极，形成正面电极。
10)在背面热蒸镀0.5～2.5um的金属铝层，作为背面电极。
11)在较低温度下热退火。
12)使用激光切片机切除硬边框，获得中部的柔性电池。
实施例2，正面制作至淀积完TCO/金属电极，保护正面刻蚀背面：
1)采用厚度200±20um，电阻率为50～500Ω·cm的n型单晶硅片作为衬底。
2)对衬底进行常规化学抛光。
3)采用接触式紫外光刻，在正面光刻胶上形成圆形阵列；在其上电子束蒸镀5～500nm的金属银，通过剥离光刻胶的方法形成银的圆孔形阵列；以圆孔形阵列的金属银作催化辅助，进行化学湿法刻蚀，形成晶体硅的柱形阵列；化学湿法去除金属银及硅的表面损伤；最终在正面形成直径2～20um、周期4～40um、高度3～10um的晶体硅柱形阵列结构。
4)正面PECVD先淀积2～10nm的本征a-Si:H，再淀积10～20nm的p型a-Si:H，形成正面钝化层及异质结。
5)在正面磁控溅射淀积50～150nm的TCO，并在其上电子束蒸镀具有栅线版形的银电极，形成正面电极。
6)正面旋涂50～100um的PDMS作为保护层，烘培固化。
7)使用HF+HNO3+CH3COOH溶液，从背面将衬底减薄至20～40um，衬底呈现非常优良的柔性。
8)去除正面的PDMS保护层。
9)背面PECVD先淀积2～10nm的本征a-Si:H，再淀积10～20nm的重掺杂n型a-Si:H，形成背面钝化层及背面场。
10)在背面热蒸镀0.5～2.5um的金属铝层，作为背面电极。
11)在较低温度下热退火。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是步骤包括：1)采用厚度80～500um，电阻率0.1～1000Ω·cm的晶体硅片作为衬底；2)先在晶体硅片衬底上制作太阳电池正面结构或半成品正面结构；完整的正面结构的制备方法为：将晶体硅衬底预处理；利用光刻/电子束刻写及RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等，在正面形成高陷光性的柱形阵列结构；在正面淀积异质结硅基钝化层(2～100nm)及发射区(2～50nm)；在正面淀积TCO/金属电极；3)保护好已制作的正面结构从背面减薄衬底：在已制作的太阳电池正面结构或半成品正面结构上制作100nm～100um的保护层或同时在背面也制作边框保护，保护层为SiNx、AlOx、SiOx、PDMS、PMMA等的单层或叠层；在氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)或乙二胺邻苯二酚化学刻蚀体系中进行刻蚀，将晶体硅衬底从背面减薄至5～50um；去除保护层或同时包括背面边框保护层；4)制作背面结构：在背面淀积异质结硅基钝化层2～100nm及背面场2～50nm；在背面淀积TCO/金属电极；5)根据情形，即制作刻蚀保护层前已制作的太阳电池成品或半成品正面结构，或再进一步完成正面结构。
2.根据权利要求1所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是采用厚度>80um，电阻率为0.1～1000Ω·cm的晶体硅片作为衬底；所述晶体硅衬底是p型或n型单晶硅片，或是p型或n型多晶硅片；对衬底进行预处理，包括常规清洗、去除损伤层、适度抛光或适度陷光化即制绒化。
3.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是在正面形成高陷光性的柱形阵列结构，也可以是孔形、锥形等阵列结构，柱、孔、锥等表面还可以叠加上更小尺度的陷光粗糙结构；制作技术可以采用光刻/电子束刻写、RIE刻蚀/金属催化辅助刻蚀等技术，也可以采用压印/单分散层微球、激光烧蚀等技术，是其中一种技术的单独使用，或是其中多种技术的联合使用。
4.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是正面发射区是掺杂的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H，是其中一种的单层材料，或其中多种的叠层。
5.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是正面电极为TCO/金属电极，TCO材料是ITO、FTO、AZO，金属材料是Ag、Al，制作技术包括溅射、蒸镀、丝网印刷；背面电极是TCO/金属电极，TCO材料是ITO、FTO、AZO，金属材料可以是Ag、Al，制作技术包括溅射、蒸镀、丝网印刷；背面TCO层能够缺省。
6.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是背面场是掺杂的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H，是其中一种的单层，或是其中多种的叠层。
7.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是，制作减薄背面刻蚀保护层前先在晶体硅衬底上制作至一定的正面结构，即正面结构的部分或全部，制作至形成高陷光性的柱形阵列结构、制作至淀积完异质结硅基钝化层及发射区或制作至淀积完TCO/金属电极；或当衬底先不制作正面结构，同时也不再需要制作正面保护层，直接在化学刻蚀体系里从双面减薄衬底至呈现柔性，再将其制成柔性电池。
8.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是，在已制作的正面结构上制作保护层或在背面也制作边框保护层，保护层是SiNx、AlOx、SiOx，或是PDMS、PMMA，是其中一种的单层，或是其中多种的叠层；如果在背面制作了边框保护层，背面减薄刻蚀后，衬底将具有一个原衬底厚度的硬边框，该边框的存在能保护中部的柔性衬底区域，非常便于后续的操作与工艺处理。中部柔性区域全部电池工艺完成后，可以用激光切片机切除该边框，便获得中部的柔性电池。
9.根据权利要求1或2所述的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池的制备方法，其特征是用化学刻蚀方法从背面将衬底减薄到5～50um，化学刻蚀液是氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)碱性体系，或是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)酸性体系，或是乙二胺邻苯二酚(EthyleneDiaminePyrocatechol)体系。
10.根据权利要求1-9之1所述的制备方法得到的柔性高陷光性径向结异质结高效晶体硅太阳电池，其特征是正面和背面在制作时采用正面钝化层、背面钝化层；正面钝化层是本征的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H，是其中一种的单层或是其中多种的叠层；背面钝化层是本征的a/nc/uc-Si:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-SiOx:H，是其中一种的单层，或是其中多种的叠层；钝化层能够缺省。
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