CN104733557B - Hit太阳能电池及提高hit电池的短路电流密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种HIT太阳能电池及提高HIT电池短路电流密度的方法，其中，所述HIT太阳能电池包括衬底层，设置在衬底层两侧的第一本征层和第二本征层，在衬底层受光侧第一本征层上设置的N型掺杂层，以及在衬底层背光侧第二本征层上设置的P型掺杂层，在所述N型掺杂层上设置有前电极，在所述P型掺杂层上设置有背电极。本发明提供的HIT太阳能电池将所述N型掺杂层作为受光面的窗口层，避免了高性能的P型材料作为窗口层不易制备的问题。本发明将N型掺杂层作为窗口层，其制备方便，且电导率为1～10‑ 5s/cm，带隙大于1.8eV，从而提高电池的短路电流密度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种HIT太阳能电池。另外还涉及一种提高HIT电池短路电流密度的方法。
背景技术
Hetero-junction with Intrinsic Thin layer太阳能电池(以下简称HIT太阳能电池)是异质结非晶硅/晶硅异质结的太阳能电池，是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。由于HIT太阳能电池具有高的光电转换效率，低的温度系数和相对简单的制备技术，在近几年来成为光伏行业研究和开发的热门技术，是目前主流的高效太阳能电池技术之一。
图1为传统的HIT太阳能电池的结构，104为N型(或者P型)单晶硅片，厚度为70-400微米；103和105为非晶硅本征钝化层，厚度1-20纳米；102和106为非晶硅P或N掺杂层；101为透明导电氧化物(TCO)前电极；107为TCO背电极(或者TCO/金属复合背电极)。其中，102为掺硼的非晶硅P层，106为掺磷的非晶硅N层。
目前绝大多数HIT电池以N型单晶硅为主体，P面为入光面，即该种电池的窗口层为P层，为掺硼的a-Si:H(氢化非晶硅薄膜)或者为掺硼的nc-Si:H(氢化纳米硅薄膜)等。相对N层材料而言，高性能P层材料的制备更为困难。一般相同的掺杂浓度情况下，a-Si:H的N层光电导率10-2～10-3s/cm，带隙1.7～1.8eV。但是a-Si:H的P层光电导率只有10-4～10-5s/cm，带隙1.6～1.7eV。如果通过提高掺杂浓度来改善P层的导电性能，将会造成光学带隙的进一步恶化，从而降低电池的短路电流密度，影响其光电转换效率。
所以，亟需一种可以提高窗口层的电导率及光学带隙的制备太阳能电池的方法。
发明内容
本发明提供一种HIT电池，以解决现有太阳能电池存在的上述问题。
本发明另外提供一种提高HIT电池短路电流密度的方法，以解决现有的上述问题。
本发明提供一种HIT太阳能电池，包括衬底层，设置在衬底层两侧的第一本征层和第二本征层，在衬底层受光面侧的第一本征层上设置的N型掺杂层，以及在衬底层背光面的第二本征层上设置的P型掺杂层；在所述N型掺杂层上设置有前电极，在所述P型掺杂层上设置有背电极。
可选地，所述N型掺杂层包含至少一层磷掺杂的N型纳米硅氧薄膜，不同层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量不同。
优选地，所述N型掺杂层包含至少两层磷掺杂的N型纳米硅氧薄膜，且相邻两层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量呈梯度递增或递减。
优选地，靠近第一本征层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量小，且其上依次形成的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量呈梯度递增。
可选地，所述N型掺杂层的厚度范围是大于等于4nm，且小于等于40nm。
优选地，所述N型掺杂层的厚度为12nm。
可选地，所述P型掺杂层的厚度范围是大于等于4nm，且小于等于40nm。
优选地，所述P型掺杂层为硼掺杂的非晶硅或微晶硅。
可选地，所述第一本征层和第二本征层的厚度相同，其厚度范围是大于等于1nm，且小于等于20nm。
可选地，所述衬底层为晶体硅片，其厚度范围是大于等于150um，且小于等于300um。
优选地，所述前电极为透明导电氧化物，所述背电极为透明导电氧化物和/或金属。
可选地，所述前电极的厚度范围是大于等于50nm，且小于等于120nm。
本发明还提供一种提高HIT电池短路电流密度的方法，步骤如下：以晶体硅为材料制备衬底层；在衬底层的两侧分别形成第一本征层和第二本征层，在受光面侧的第一本征层上形成N型掺杂层，在背光面侧的第二本征层上形成P型掺杂层；或者，在背光面侧的第二本征层上形成P型掺杂层，在受光面侧的第一本征层上形成N型掺杂层；或者，在衬底层的受光面一侧形成第一本征层和N型掺杂层，在背光面侧形成第二本征层和P型掺杂层；或者，在衬底层的背光面侧形成第二本征层和P型掺杂层，在受光面侧形成第一本征层和N型掺杂层；在N型掺杂层上形成前电极，在P型掺杂层上形成背电极。
优选地，其特征在于，采用等离子增强化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法在所述第一本征层上形成所述N型掺杂层。
可选地，其特征在于，所述N型掺杂层沉积压力范围是大于等于为1.0mbar，且小于等于3.0mbar；溅射功率的范围是大于等于0.05W/cm2，且小于等于0.2W/cm2。
可选地，所述N型掺杂层的中纳米硅氧的晶化率的范围是大约等于20％，且小于等于40％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供一种HIT太阳能电池，包括衬底层，设置在衬底层两侧的第一本征层和第二本征层，在衬底层受光侧第一本征层上设置的N型掺杂层，以及在衬底层背光侧第二本征层上设置的P型掺杂层，在所述N型掺杂层上设置有前电极，在所述P型掺杂层上设置有背电极。本发明提供的HIT太阳能电池将所述N型掺杂层作为受光面的窗口层，避免了高性能的P型材料作为窗口层不易制备的问题，本发明将N型掺杂层作为窗口层，其制备方便，且电导率为1～10-5s/cm，带隙大于1.8eV，从而提高电池的短路电流密度。
附图说明
图1是传统的HIT太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明HIT电池的结构示意图；
图3是本发明实施例中HIT电池中两种不同N层的透过曲线对比图；
图4是本发明提高HIT电池短路电流密度的方法的流程图。
其中，101、TCO前电极，102、掺硼的非晶硅P层，103、非晶硅本征钝化层，104、N型(或者P型)单晶硅片，105、非晶硅本征钝化层，106、掺磷的非晶硅N层，107、TCO背电极，201、前电极，202、N型掺杂层，203、第一本征层，204、衬底层，205、第二本征层，206、P型掺杂层，207、背电极。
具体实施方式
本发明提供一种HIT电池，该HIT电池是异质结非晶硅/晶硅异质结的太阳能电池，是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。该太阳能电池的光电转换效率高，且制备技术简单，是最近几年来光伏行业的太阳能电池发展的趋向。
传统的HIT太阳能电池的光电转换效率虽然高，但是其入光面的窗口层采用高性能的P型掺杂层，而高性能的P型材料的制备非常困难，且在相同的掺杂浓度下，窗口层的光/暗电导率和带隙都低于N型掺杂层，而光/暗电导率和带隙这两个参数直接影响电池的短路电流密度及其光电转换效率。
为此，本发明提供的HIT电池可以克服上述问题，通过改造传统HIT太阳能电池的构造，提高电池短路电流密度及光电转换效率。
图2是本发明HIT电池的结构示意图。
如图2所示，本发明提供的HIT电池包括衬底层204、第一本征层203、第二本征层205、N型掺杂层202、P型掺杂层206、前电极201和背电极207。
所述衬底层204根据其类材料型不同，所述HIT电池的转换效率也不同。研究表明，N型衬底的HIT电池由于异质结能带结构方面的优势，其转换效率略高于P型衬底的HIT太阳能电池，所以，本实施例中衬底层204采用N型单晶硅片。
所述N型单晶硅片的厚度范围是大于等于150um，且小于等于250um。优选地，该N型单晶硅片的厚度为200um。
另外，为了保证HIT电池的衬底层204的导电性，该N型单晶硅片的电阻率范围设置为大于等于2.0Ω·m，且小于等于3.5Ω·m。且，优选地，该N型单晶硅片的电阻率为3.0Ω·m。
所述第一本征层203和第二本征层205分别设置于所述衬底层204的两侧，其材料均为氢化非晶硅，用于钝化衬底层204的单晶硅片的表面。
另外，位于HIT电池受光面的一侧的本征层可以称为第一本征层203，则位于背光面的一侧为第二本征层205。所述第一本征层203和第二本征层205的材料及厚度相同。厚度范围是大于等于1nm，且小于等于20nm。
所述N型掺杂层202为窗口层，设置于所述第一本征层203上。所述N型掺杂层202是掺杂磷的氢化纳米硅氧(nc-SiOx:H)，其电导率为1～10-3s/cm，带隙大于1.8eV，厚度范围是5～40nm。
氢化纳米硅氧(nc-SiOx:H)中氧的含量通过化学式中氧元素的角标x表示。即纳米硅氧中氧元素的含量可以不相同。
根据纳米硅氧具有的上述特性，所述N型掺杂层202可以包含至少一层磷掺杂的N型纳米硅氧薄膜，当N型掺杂层202为两层或者多层纳米硅氧薄膜时，不同层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量不同。
所述第一本征层203为未掺杂的非晶硅，为了保证电池的参数的稳定，电池每层之间材料平缓过度，所以，最优地，在靠近本征层的一侧的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量最少，依次递增方式在其上依次形成的氧含量较高的N型纳米硅氧薄膜。
所述N型掺杂层202的厚度也会影响HIT电池的参数，故为保证电池具有最优的参数特征，将所述N型掺杂层202的厚度设置为大于等于4nm，且小于等于40nm。优选地，所述N型掺杂层202的厚度可以设置为12nm。
由于所述N型掺杂层202可以为由纳米硅氧薄膜构成的多层结构，每一层纳米硅氧薄膜的厚度可以相同，也可以根据具体要求单独调整每一层纳米硅氧薄膜的厚度，仅保证多层结构构成的N型掺杂层202的总厚度范围内4nm-40nm之间即可。
所述N型掺杂层202可以采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或者热丝化学气相沉积法(HWCVD)方法制备，其制备方法简单，无需增加额外的实验设备，并且其工艺可调范围大，电导率为1～10-5s/cm，带隙大于1.8eV。所述N型掺杂层202作为HIT电池的受光面的窗口层，可以提高电导率及带隙，光学带隙和导电性能之间不发生矛盾。从而可以增加电池的短路电流密度，提高光电转换效率。
所述P型掺杂层206设置于所述第二本征层205上，其掺杂元素为硼B，该P型掺杂层206可以是硼掺杂的非晶硅或者微晶硅。
所述P型掺杂层206的厚度范围是大于等于4nm，且小于等于40nm。
所述HIT电池中纳米硅氧中SiOx复合膜的晶化率约为35％，相对于非晶相a-Si:HN层而言，其短波透过率和导电性能均存在明显优势。图3是两种不同N层的透过曲线对比图。根据图3显示可知，采用nc-SiOx:H复合膜后，电池短路电流密度Isc上升了1.5mA/cm2。
所述前电极201设置于所述N型掺杂层202上，其材料具体可以为透明导电氧化物。所述前电极201的厚度范围是大于等于50nm，且小于等于120nm。
所述背电极207设置于所述P型掺杂层206上，其材料可以是为透明导电氧化物或金属，或者为透明导电氧化物和金属的复合层。
本发明提供一种HIT电池，采用纳米硅氧(nc-SiOx)N层作为HIT电池的窗口层。nc-SiOx N层是光学和电学性能优异的HIT电池窗口层，本发明的HIT电池的nc-SiOx N层电导率大于10-3s/cm，光学带隙大于1.8eV。且nc-SiOx N层的折射率在2.0～3.0范围内可调，该N层用于a-Si:H第一本本征层(折射率为3.3)和前电极201(折射率为2.0)之间，同时起到降低单晶硅片和前电极201的界面反射作用，使更多的太阳光入射至晶体硅层，从而提高HIT电池的短路电流密度。
本发明还提供一种提高HIT电池短路电流密度的方法，其中，图4是本发明提高HIT电池短路电流密度的方法的流程图。
如图4所示，所述提高HIT电池短路电流密度方法步骤如下：
S401，以晶体硅为材料制备衬底层。
所述衬底层204为N型单晶硅片，其电阻率为3Ω·m，厚度为180um。为了去掉单晶硅片表面的切割损伤层，并将其制备为倒金字塔绒面结构，降低电池表面的反射；另外为了去表单晶硅片表面的金属离子或有机物等污染，所以需要将所述N型单晶硅片进行制绒和清洗的操作，将经过制绒和清洗后的N型单晶硅片放好备用。
S402，在衬底层的两侧分别形成第一本征层203和第二本征层205，在受光面侧的第一本征层203上形成N型掺杂层202，在背光面侧的第二本征层205上形成P型掺杂层206；或者，在背光面侧的第二本征层205上形成P型掺杂层206，在受光面侧的第一本征层203上形成N型掺杂层202；或者，在衬底层204的受光面一侧形成第一本征层203和N型掺杂层202，在背光面侧形成第二本征层205和P型掺杂层206；或者，在衬底层204的背光面侧形成第二本征层205和P型掺杂层206，在受光面侧形成第一本征层203和N型掺杂层202。
该步骤中，是在所述衬底层204的受光面的一侧形成第一本征层203和N型掺杂层202，在背光面的一侧形成第二本征层205和P型掺杂层206。其中所述N型掺杂层202为HIT电池的窗口层。
所述第一本征层203、N型掺杂层202、第二本征层205、P型掺杂层206的形成顺序不受限制。可以先在所述衬底层204上形成第一本征层203，接着在第一本征层203上形成N型掺杂层202，然后将所述衬底层204翻面，在衬底层204的另一侧形成第二本征层205和P型掺杂层206；也可以在所述衬底层204的一侧先形成第二本征层205和P型掺杂层206，然后翻面形成第一本征层203和N型掺杂层202。另外，也可以分别单层形成，在衬底层204的一侧形成第一本征层203，翻面后形成第二本征层205，然后接着在第二本征层205上形成P型掺杂层206，然后再翻面在第一本征层203上形成N型掺杂层202。
综上，可以根据实际情况在衬底层204上形成第一本征层203、N型掺杂层202、第二本征层205和P型掺杂层206。
该步骤中需要在VHF-PECVD或RF-PECVD真空腔室中完成，以下通过一具体实例描述第一本征层203、N型掺杂层202、第二本征层205和P型掺杂层206在真空腔室的形成过程。该实例中采用步骤S002第一本征层203、N型掺杂层202、第二本征层205和P型掺杂层206形成顺序中的一个进行详述。
将N型单晶硅片放入40MHz的VHF-PECVD真空腔室，在N型单晶硅片正面镀上氢化非晶硅(a-Si:H)第一本征层203和氢化纳米硅氧(nc-SiOx:H)的磷掺杂的N层，厚度分别为5nm和12nm。其中nc-SiOx:H N层为剃度分布的SiOx多层膜结构，其详细制备条件如下：H2/SiH4＝130，PH3/(PH3+SiH4)＝6.5％，溅射功率为0.06W/cm2，沉积压力为1.2mbar，CO2/SiH4比例在0.6-2之间变化，且靠近第一本征层203的N型掺杂层202的纳米硅氧中氧含量越小。另外衬底层204温度为200℃。经过适当冷却后从真空腔室取出，翻面，然后再在反面镀上氢化非晶硅(a-Si:H)第二本征层205和掺硼的氢化非晶硅(a-Si:H)P层，厚度分别为5nm和15nm。
一般情况下，所述N型掺杂层202采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或者热丝化学气相沉积法(HWCVD)进行沉积。
S403，在N型掺杂层202上形成前电极201，在P型掺杂层206上形成背电极207。
采用磁控溅射的方法在N型掺杂层202上沉积一层80nm的透明导电氧化物作为前电极201和减反层，在P型掺杂层206上沉积一层透明导电氧化物和银的复合膜作为背电极207。最后，采用丝网印刷的方式在电池的前电极201上印刷上栅线收集光生电流。
本发明提供的一种提高HIT电池短路电流密度的方法，该方法将掺磷的纳米硅氧材料作为HIT电池的窗口层，其制备简单，并且纳米硅氧中SiOx复合膜的晶化率约为35％，相对于非晶相a-Si:H N层而言，其短波透过率和导电性能均存在明显优势。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种HIT太阳能电池，其特征在于，包括衬底层，设置在衬底层两侧的第一本征层和第二本征层，在衬底层受光面侧的第一本征层上设置的N型掺杂层，以及在衬底层背光面的第二本征层上设置的P型掺杂层；
在所述N型掺杂层上设置有前电极，在所述P型掺杂层上设置有背电极；
所述N型掺杂层包含至少两层磷掺杂的N型纳米硅氧薄膜，不同层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量不同；
靠近第一本征层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量小，且其上依次形成的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量呈梯度递增。
2.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述N型掺杂层的厚度范围是大于等于4nm，且小于等于40nm。
3.根据权利要求2所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述N型掺杂层的厚度为12nm。
4.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述P型掺杂层的厚度范围是大于等于4nm，且小于等于40nm。
5.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述P型掺杂层为硼掺杂的非晶硅或微晶硅。
6.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述第一本征层和第二本征层的厚度相同，其厚度范围是大于等于1nm，且小于等于20nm。
7.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述衬底层为晶体硅片，其厚度范围是大于等于150um，且小于等于300um。
8.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述前电极为透明导电氧化物，所述背电极为透明导电氧化物或透明导电氧化物/金属复合背电极。
9.根据权利要求1所述的HIT太阳能电池，其特征在于，所述前电极的厚度范围是大于等于50nm，且小于等于120nm。
10.一种提高HIT电池短路电流密度的方法，其特征在于，
以晶体硅为材料制备衬底层；
在衬底层的两侧分别形成第一本征层和第二本征层，在受光面侧的第一本征层上形成N型掺杂层，在背光面侧的第二本征层上形成P型掺杂层；或者，在背光面侧的第二本征层上形成P型掺杂层，在受光面侧的第一本征层上形成N型掺杂层；或者，在衬底层的受光面一侧形成第一本征层和N型掺杂层，在背光面侧形成第二本征层和P型掺杂层；或者，在衬底层的背光面侧形成第二本征层和P型掺杂层，在受光面侧形成第一本征层和N型掺杂层；
在N型掺杂层上形成前电极，在P型掺杂层上形成背电极；
其中，所述N型掺杂层包含至少一层磷掺杂的N型纳米硅氧薄膜，不同层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量不同；
靠近第一本征层的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量小，且其上依次形成的N型纳米硅氧薄膜中氧的含量呈梯度递增。
11.根据权利要求10所述的提高HIT电池短路电流密度的方法，其特征在于，采用等离子增强化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法在所述第一本征层上形成所述N型掺杂层。
12.根据权利要求11所述的提高HIT电池短路电流密度的方法，其特征在于，所述N型掺杂层沉积压力范围是大于等于为1.0mbar，且小于等于3.0mbar；溅射功率的范围是大于等于0.05W/cm2，且小于等于0.2W/cm2。
13.根据权利要求10-12任一项所述的提高HIT电池短路电流密度的方法，其特征在于，所述N型掺杂层的中纳米硅氧的晶化率的范围是大于等于20％，且小于等于40％。
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