CN105355671A - 一种宽光谱高效太阳能光伏电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱高效太阳能光伏电池，包括基材、透明玻璃、钝化层、减反射层、导电膜、正电极、铝背场和背电极，其中：正电极及背电极分别直接烧结在基材的迎光面及背面，基材的迎光面上由上至下依次设置透明玻璃、导电膜、减反射层及钝化层，基材的背面上设置铝背场，基材为黑硅，钝化层为三氧化二铝薄膜，减反射层为氮化硅薄膜，导电膜为石墨烯膜；本发明的太阳能光伏电池结构简单，能有效解决了太阳能电池效率的瓶颈问题，提高了光电转换效率，制备方法简单易行，制造成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏电池，具体涉及一种宽光谱高效太阳能光伏电池。
背景技术
晶体硅太阳电池是目前太阳电池发展的主流，占据着绝大部分的市场份额，高转换效率和降低成本是光伏研究者所追求的目标，为了提高转化效率，主要通过以下方式进行改善：一方面提高光的吸收，采用陷光的表面织构和镀减反射层，另一方面降低电池表面的复合速率，采用钝化层进行钝化。
硅材料无法吸收低于其带隙的红外光，而黑硅材料对全太阳光谱的强减反和强吸收（光吸收率超过90％），特别是对红外光的吸收，使得黑硅可以将红外光能量转换为电能输出，而红外光能量占晶体硅吸收的太阳能总量的三分之一，如果这部分能量全部转换为电能输出，则电池效率增加22.5%。要实现这一目标，关键是要减少缺陷和表面复合，重掺形成深能级子带，且延伸至表面与电极相连；其次深能级上的电子要有一定的寿命，输运途径不能太长，光子吸收与电子收集的方向分开，这一点黑硅完全具备，光子在晶锥内折射方向几乎与电子表面收集垂直，越到表面掺杂越浓，深能级子带越好；因此，黑硅将红外光转换成电子输出是完全可行的。
提高电池的光电转换效率是降低太阳电池发电价格的重要途径，太阳电池效率的提高要求充分利用各波长的太阳光，微纳结构硅材料对宽太阳光谱范围内的入射光，都具有理想的吸收效果，有望解决硅基太阳能电池广谱光吸收率低的问题，成为太阳能电池领域的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种宽光谱高效太阳能光伏电池，该太阳能光伏电池结构简单，能有效解决了太阳能电池效率的瓶颈问题，提高了光电转换效率，制备方法简单易行，制造成本低廉。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种宽光谱高效太阳能光伏电池，包括基材、透明玻璃、钝化层、减反射层、导电膜、正电极、铝背场和背电极，其中：
正电极及背电极分别直接烧结在基材的迎光面及背面，基材的迎光面上由上至下依次设置所述的透明玻璃、导电膜、减反射层及钝化层，基材的背面上设置铝背场；
基材为黑硅，钝化层为三氧化二铝薄膜，减反射层为氮化硅薄膜，导电膜为石墨烯膜。
本发明进一步限定的技术方案为：
前述宽光谱高效太阳能光伏电池中，钝化层的厚度为10-25nm；基材厚度为50-100μm；导电膜的厚度为100-300nm。
前述宽光谱高效太阳能光伏电池中，铝背场的制备，具体如下：
（1）使用丝网印刷机在基材背面印刷铝浆，并在20-40℃下烘干；
（2）在超过铝硅共晶温度的高温烧结炉中烧结，温度控制到600-700℃，铝逐渐开始融化；
（3）将温度降低至铝硅共晶温度以下，融化的液态铝开始固化，在背场形成一层致密的铝硅层，形成铝背场，所述的铝背场中硅的含量为10-13%。
前述宽光谱高效太阳能光伏电池中，基材黑硅的制备方法，具体如下：
选用硅片，然后用乙醇-丙酮-乙醇依次擦拭硅片的表面，然后用去离子水冲洗并烘干，然后依次放入三氯乙烯、丙酮和甲醇中分别超声清洗10-15min，最后用甲醇冲洗干净并干燥；
采用飞秒脉冲激光对硅片进行处理制备黑硅，将硅片放入密封腔处采用六氟化硫气体和氮气混合，混合气体的摩尔比例为1:1，气体总压强控制在0.08-0.1MPa，在氩气的保护下退火时长为20-30min，退火温度为550-600℃，脉冲数为200，激光能量密度分别为4-6kJ/m2，制得黑硅。
前述宽光谱高效太阳能光伏电池中，该宽光谱高效太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将硅片清洗、制绒和扩散；
（2）在700-800℃下，用液态的Pocl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散，经扩磷后，基材表面形成200-400nm深度的发射极；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的基材边缘进行刻蚀以去除边缘寄生结，扩磷过程中形成的磷硅玻璃用稀HF去除；
（3）通过原子层沉积在基材的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为钝化层；
（4）通过等离子增强化学气相沉积的方法在基材迎光面的三氧化二铝钝化层的表面制备减反射层；
（5）印刷、烧结电池电极的正面和背面，正电极和背电极畸形退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700-780℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10-15L/min；
然后关闭氮气，静置5-8min，然后通入氮气流量为15-18L/min，降温至600-680℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，在导电膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
本发明的有益效果是：
本发明中采用的基材为黑硅，黑硅材料对全太阳光谱的强减反和强吸收（光吸收率超过90％），特别是对红外光的吸收，使得黑硅可以将红外光能量转换为电能输出，而红外光能量占晶体硅吸收的太阳能总量的三分之一，黑硅的缺陷和表面复合少，重掺形成深能级子带，且延伸至表面与电极相连，深能级上的电子寿命场，光子吸收与电子收集的方向分开，光子在晶锥内折射方向几乎与电子表面收集垂直，越到表面掺杂越浓，深能级子带越好，黑硅充分利用各波长的太阳光，提高了太阳电池效率。
三氧化二铝薄膜与基材的界面，有一层高质量的超薄1-3nm氧化硅层存在，该氧化硅层对三氧化二铝薄膜钝化质量起着非常关键的作用，三氧化二铝与基材的晶格适配度较大，该氧化层可以起到降低晶格失配，减少表面缺陷的作用，三氧化二铝与基材界面有大量负的固定电荷存在，因此三氧化二铝薄膜对基材有良好的钝化效果。
本发明中以石墨烯薄膜为导电膜，石墨烯薄膜收集正面电流，在很宽的波长范围内具有很高的透过率、超高的载流子迁移率，不遮光、导电性好，可有效提高电池片效率，同时具有优异的力学性能和稳定性。
本发明设置了减反射层和钝化层，通过减反射层来降低太阳能电池表面对光的反射，同时实现其外观颜色的多样性，钝化层来保证太阳能光伏电池的钝化效果，在保证太阳能电池减反季钝化效果的同时，可实现太阳能电池外观颜色的多样性显示。
附图说明
图1为本发明实施例宽光谱高效太阳能光伏电池的结构示意图；
图中：1-基材，2-透明玻璃，3-钝化层，4-减反射层，5-导电膜，6-正电极，7-铝背场，8-背电极。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种宽光谱高效太阳能光伏电池，结构如图1所示，包括基材1、透明玻璃2、钝化层3、减反射层4、导电膜5、正电极6、铝背场7和背电极8，其中：
正电极6及背电极8分别直接烧结在基材1的迎光面及背面，基材1的迎光面上由上至下依次设置透明玻璃2、导电膜5、减反射层4及钝化层3，基材1的背面上设置铝背场7；
基材1为黑硅，钝化层3为三氧化二铝薄膜，减反射层4为氮化硅薄膜，导电膜5为石墨烯膜。
钝化层3的厚度为10-25nm；基材1厚度为50-100μm；导电膜5的厚度为100-300nm。
铝背场的制备，具体如下：
（1）使用丝网印刷机在基材背面印刷铝浆，并在20-40℃下烘干；
（2）在超过铝硅共晶温度的高温烧结炉中烧结，温度控制到600-700℃，铝逐渐开始融化；
（3）将温度降低至铝硅共晶温度以下，融化的液态铝开始固化，在背场形成一层致密的铝硅层，形成铝背场，所述的铝背场中硅的含量为10-13%。
基材黑硅的制备方法，具体如下：
选用硅片，然后用乙醇-丙酮-乙醇依次擦拭硅片的表面，然后用去离子水冲洗并烘干，然后依次放入三氯乙烯、丙酮和甲醇中分别超声清洗10-15min，最后用甲醇冲洗干净并干燥；
采用飞秒脉冲激光对硅片进行处理制备黑硅，将硅片放入密封腔处采用六氟化硫气体和氮气混合，混合气体的摩尔比例为1:1，气体总压强控制在0.08-0.1MPa，在氩气的保护下退火时长为20-30min，退火温度为550-600℃，脉冲数为200，激光能量密度分别为4-6kJ/m2，制得黑硅。
实施例2
本实施例提供上述宽光谱高效太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将硅片清洗、制绒和扩散；
（2）在700℃下，用液态的Pocl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散，经扩磷后，基材表面形成400nm深度的发射极；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的基材边缘进行刻蚀以去除边缘寄生结，扩磷过程中形成的磷硅玻璃用稀HF去除；
（3）通过原子层沉积在基材的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为钝化层；
（4）通过等离子增强化学气相沉积的方法在基材迎光面的三氧化二铝钝化层的表面制备减反射层；
（5）印刷、烧结电池电极的正面和背面，正电极和背电极畸形退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至780℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10L/min；
然后关闭氮气，静置5min，然后通入氮气流量为16L/min，降温至680℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，在导电膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
实施例3
本实施例提供上述宽光谱高效太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将硅片清洗、制绒和扩散；
（2）在800℃下，用液态的Pocl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散，经扩磷后，基材表面形成200nm深度的发射极；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的基材边缘进行刻蚀以去除边缘寄生结，扩磷过程中形成的磷硅玻璃用稀HF去除；
（3）通过原子层沉积在基材的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为钝化层；
（4）通过等离子增强化学气相沉积的方法在基材迎光面的三氧化二铝钝化层的表面制备减反射层；
（5）印刷、烧结电池电极的正面和背面，正电极和背电极畸形退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为15L/min；
然后关闭氮气，静置8min，然后通入氮气流量为15L/min，降温至600℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，在导电膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
实施例4
本实施例提供上述宽光谱高效太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将硅片清洗、制绒和扩散；
（2）在750℃下，用液态的Pocl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散，经扩磷后，基材表面形成300nm深度的发射极；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的基材边缘进行刻蚀以去除边缘寄生结，扩磷过程中形成的磷硅玻璃用稀HF去除；
（3）通过原子层沉积在基材的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为钝化层；
（4）通过等离子增强化学气相沉积的方法在基材迎光面的三氧化二铝钝化层的表面制备减反射层；
（5）印刷、烧结电池电极的正面和背面，正电极和背电极畸形退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至750℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为12L/min；
然后关闭氮气，静置6min，然后通入氮气流量为18L/min，降温至650℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，在导电膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种宽光谱高效太阳能光伏电池，其特征在于：包括基材（1）、透明玻璃（2）、钝化层（3）、减反射层（4）、导电膜（5）、正电极（6）、铝背场（7）和背电极（8），其中：
所述正电极（6）及背电极（8）分别直接烧结在基材（1）的迎光面及背面，所述基材（1）的迎光面上由上至下依次设置所述的透明玻璃（2）、导电膜（5）、减反射层（4）及钝化层（3），所述基材（1）的背面上设置所述的铝背场（7）；
所述的基材（1）为黑硅，所述的钝化层（3）为三氧化二铝薄膜，所述的减反射层（4）为氮化硅薄膜，所述的导电膜（5）为石墨烯膜。
2.根据权利要求1所述的宽光谱高效太阳能光伏电池，其特征在于：所述钝化层（3）的厚度为10-25nm；所述的基材（1）厚度为50-100μm；所述导电膜（5）的厚度为100-300nm。
3.根据权利要求1所述的宽光谱高效太阳能光伏电池，其特征在于：所述铝背场的制备，具体如下：
（1）使用丝网印刷机在基材背面印刷铝浆，并在20-40℃下烘干；
（2）在超过铝硅共晶温度的高温烧结炉中烧结，温度控制到600-700℃，铝逐渐开始融化；
（3）将温度降低至铝硅共晶温度以下，融化的液态铝开始固化，在背场形成一层致密的铝硅层，形成铝背场，所述的铝背场中硅的含量为10-13%。
4.根据权利要求1所述的宽光谱高效太阳能光伏电池，其特征在于：所述基材黑硅的制备方法，具体如下：
选用硅片，然后用乙醇-丙酮-乙醇依次擦拭硅片的表面，然后用去离子水冲洗并烘干，然后依次放入三氯乙烯、丙酮和甲醇中分别超声清洗10-15min，最后用甲醇冲洗干净并干燥；
采用飞秒脉冲激光对硅片进行处理制备黑硅，将硅片放入密封腔处采用六氟化硫气体和氮气混合，混合气体的摩尔比例为1:1，气体总压强控制在0.08-0.1MPa，在氩气的保护下退火时长为20-30min，退火温度为550-600℃，脉冲数为200，激光能量密度分别为4-6kJ/m2，制得黑硅。
5.根据权利要求1所述的宽光谱高效太阳能光伏电池，其特征在于：该宽光谱高效太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将硅片清洗、制绒和扩散；
（2）在700-800℃下，用液态的Pocl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散，经扩磷后，基材表面形成200-400nm深度的发射极；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的基材边缘进行刻蚀以去除边缘寄生结，扩磷过程中形成的磷硅玻璃用稀HF去除；
（3）通过原子层沉积在基材的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为钝化层；
（4）通过等离子增强化学气相沉积的方法在基材迎光面的三氧化二铝钝化层的表面制备减反射层；
（5）印刷、烧结电池电极的正面和背面，正电极和背电极畸形退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700-780℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10-15L/min；
然后关闭氮气，静置5-8min，然后通入氮气流量为15-18L/min，降温至600-680℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，在导电膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
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