CN105355693B - 一种可提高光电转换效率的perc太阳能光伏电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，包括硅衬底片及分别直接烧结在硅衬底片迎光面及背面的正电极和背电极，硅衬底片的迎光面上依次设置有二氧化硅层、第一钝化层、减反射层、导电薄膜及透明玻璃，硅衬底片的背面依次设置有第二钝化层及铝背场，导电薄膜与透明玻璃之间还设置有金属纳米颗粒层；本发明的太阳能光伏电池结构简单，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，背面钝化层更好的降低硅片的背表面复合速率，使得硅片的少子寿命达到最大化，同时优化背面钝化层的开口比例，从而大幅提高太阳能电池光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏电池，具体涉及一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池。
背景技术
随着全球能源的日趋紧张，太阳能以无污染、市场空间大等独有的优势受到了世界各国的广泛重视，国际上众多大公司均投入太阳能电池研发和生产行业，硅太阳能电池是一种有效地吸收太阳能辐射并使之转化为电的半导体电子器件，现已广泛应用于各种照明及发电系统中，晶体硅太阳能电池是目前市场上的主导产品，它的光电转换效率较高。
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。
PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究的高效电池，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％，由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化，为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可，然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低；另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用特定的硅材料，为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂，这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低，后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配，因此开发具有自主知识产权的PERC太阳电池很有必要。
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，提供一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，该太阳能光伏电池结构简单，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，背面钝化层更好的降低硅片的背表面复合速率，使得硅片的少子寿命达到最大化，同时优化背面钝化层的开口比例，从而大幅提高太阳能电池光电转换效率。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，包括硅衬底片及分别直接烧结在硅衬底片迎光面及背面的正电极和背电极，硅衬底片的迎光面上依次设置有二氧化硅层、第一钝化层、减反射层、导电薄膜及透明玻璃，硅衬底片的背面依次设置有第二钝化层及铝背场，其中：
第一钝化层及第二钝化层均为三氧化二铝薄膜，减反射膜为三层结构，由上至下包括依次叠合的第一氮化硅薄膜、二氧化钛薄膜及第二氮化硅薄膜；导电薄膜与透明玻璃之间还设置有金属纳米颗粒层。
本发明进一步限定的技术方案为：
前述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池中，金属纳米颗粒层的基本单元形状包括球形、纳米棒、纳米碟，金属纳米颗粒层共振谐振峰在700-900nm的近红外波段。
前述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池中，第一钝化层的厚度为10-15nm，第二钝化层的厚度为7-9nm，导电薄膜的厚度为100-200nm。
前述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池中，三氧化二铝薄膜的形成具体如下：
（1）首先将三甲基铝通过腔室，使其在铝背场表面发生化学吸附，直到饱和；
（2）将剩余的三甲基铝从腔室中抽离，再通入水蒸气，和三甲基铝发生反应生成三氧化二铝；
（3）再将剩余的水蒸气和副产品从腔室中抽离，得到三氧化二铝的单层饱和表面；
（4）以此循环步骤（1）-（3）得到三氧化二铝薄膜的单层生产，直至达到想要的厚度。
前述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池中，该可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用人工检测对硅衬底片进行检测，操作人员带一次性手套，将硅衬底片捻开成扇形，逐一观察是否有破片，油污，尺寸不合格及裂纹，有不合格的剔除；
技术效果，硅片质量的好坏直接影响最后成产出电池的效率，因此，硅片检测是晶硅电池生产的第一步，也是至关重要的一步，从源头上控制硅片的质量可以从根本上杜绝劣质原料对电池效率的影响，在对硅衬底片进行人工检测时人工检测需要操作员带一次性手套，这样可以防止手印对硅片造成污染；
（2）将硅衬底片浸没在浓度为1-2%的氢氧化钠溶液中，温度控制在80-85℃下，浸没20-25min，对硅衬底片进行制绒，在600-700℃下，用液态的POCl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散；
磷扩散时通入氮气保护，并同时通入氧气，氮气流量为5-8L/min，氧气流量为3-6L/min；
技术效果，POCl3在高温下容易分解成五氧化二磷和五氯化磷，生成的五氧化二磷在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅和磷原子，在没有氧气的参与时，生成的五氧化磷是不易分解的，并且对硅衬底片由一定的腐蚀作用，破坏硅片的表面状态，所以本发明在磷扩散时在通入氮气的同时通入了氧气，能够促进POCl3的的充分分解和避免五氧化磷对硅衬底片的腐蚀作用，使其磷扩散后得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，保证了太阳能光伏电池的质量；
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，然后用去离子水清洗，吹干；
（3）通过原子层沉积在硅衬底片的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第一钝化层；
（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，并对形成的正电极和背电极进行退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700-800℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10-13L/min；
然后关闭氮气，静置3-5min，然后通入氮气流量为15-18 L/min，降温至600-680℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，退火后在硅衬底片和第一钝化层之间生长出二氧化硅层；
（6）通过原子层沉积在硅衬底片的背面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第二钝化层，然后对硅衬底片的背面印刷铝浆形成铝背场，最后再在导电薄膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
前述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池中，该可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的制备方法中的步骤（6）中印刷的铝浆按质量份数计包括以下组分：无铅玻璃粉：2-4份，铝粉：60-70份，粘接剂：2-5份，有机载体：20-30份，湿润分散剂：1-3份，流平剂：1-2份，消泡剂：0.5-1.5份，触变剂：1-2份；
其中，粘接剂按质量百分比计包括以下组分：
Bi2O3：50-70%，SiO2：5-10%，ZnO：10-15%，Al2O3：1-3%，P2O5：4-6%，TiO2：5-8%，CaCO3：5-8%，以上各组分之和为100%；
有机载体为改性酚醛树脂及DBE的混合物，并按质量比计改性酚醛树脂：DBE=2:5比例混合；湿润分散剂为Tego710；流平剂为有机硅类流平剂；消泡剂为Tego986；触变剂为二氧化硅。
本发明的有益效果是：
常规晶硅太阳能电池由于没有采用背场钝化技术，只使用铝背场，而经过烧结形成的铝硅合金背表面在减少复合和背反射效果方面有很大的局限性，并且铝硅合金区本身就高复合区，限制了电池效率的进一步提高，对硅基背表面进行钝化能进一步提高开路电压和短路电流，有利于高转换效率低成本。
背场钝化技术降低了铝背场表面复合速率，提高太阳能电池长波响应，第二钝化层与铝层相比，具有较高的反射率，因为可以有效增加长波光的背反射效果，从而增加光生载流子的数量，提高开路电流。
由于本发明采用双层叠合钝化层，避免单层钝化层的弊端，进一步提高了电池效率的进一步提高，有利于高转换效率低成本。
本发明的铝浆成分中添加了改性酚醛树脂作为粘接剂，不但与大小颗粒铝粉之间的浸润性良好，而且与铝粉具有较好的相容性，铝浆中添加了各种助剂，有助于增加浆料的流体性能。
附图说明
图1为本发明实施例可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的结构示意图；
图中：1-硅衬底片，2-正电极，3-背电极，4-二氧化硅层，5-第一钝化层，6-减反射层，7-导电薄膜，8-透明玻璃，9-第二钝化层，10-铝背场。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，结构如图1所示，包括硅衬底片1及分别直接烧结在硅衬底片1迎光面及背面的正电极2和背电极3，硅衬底片1的迎光面上依次设置有二氧化硅层4、厚度为10-15nm的第一钝化层5、减反射层6、厚度为100-200nm的导电薄膜7及透明玻璃8，硅衬底片1的背面依次设置有厚度为7-9nm的第二钝化层9及铝背场10，其中：
第一钝化层5及第二钝化层9均为三氧化二铝薄膜，减反射膜6为三层结构，由上至下包括依次叠合的第一氮化硅薄膜、二氧化钛薄膜及第二氮化硅薄膜；导电薄膜7与透明玻璃8之间还设置有金属纳米颗粒层，金属纳米颗粒层的基本单元形状包括球形、纳米棒、纳米碟，金属纳米颗粒层共振谐振峰在700-900nm的近红外波段。
三氧化二铝薄膜的形成具体如下：
（1）首先将三甲基铝通过腔室，使其在铝背场表面发生化学吸附，直到饱和；
（2）将剩余的三甲基铝从腔室中抽离，再通入水蒸气，和三甲基铝发生反应生成三氧化二铝；
（3）再将剩余的水蒸气和副产品从腔室中抽离，得到三氧化二铝的单层饱和表面；
（4）以此循环步骤（1）-（3）得到三氧化二铝薄膜的单层生产，直至达到想要的厚度。
实施例2
本实施例提供上述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用人工检测对硅衬底片进行检测，操作人员带一次性手套，将硅衬底片捻开成扇形，逐一观察是否有破片，油污，尺寸不合格及裂纹，有不合格的剔除；
（2）将硅衬底片浸没在浓度为1-2%的氢氧化钠溶液中，温度控制在80-85℃下，浸没20-25min，对硅衬底片进行制绒，在600-700℃下，用液态的POCl3作为P源，在扩散炉中对基材进行磷扩散；
磷扩散时通入氮气保护，并同时通入氧气，氮气流量为5-8L/min，氧气流量为3-6L/min；
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，然后用去离子水清洗，吹干；
（3）通过原子层沉积在硅衬底片的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第一钝化层；
（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，并对形成的正电极和背电极进行退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700-800℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10-13L/min；
然后关闭氮气，静置3-5min，然后通入氮气流量为15-18 L/min，降温至600-680℃；
退火后对正电极及背电极进行电性能测试，退火后在硅衬底片和第一钝化层之间生长出二氧化硅层；
（6）通过原子层沉积在硅衬底片的背面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第二钝化层，然后对硅衬底片的背面印刷铝浆形成铝背场，最后再在导电薄膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池；
印刷的铝浆按质量份数计包括以下组分：
无铅玻璃粉：2-4份，铝粉：60-70份，粘接剂：2-5份，有机载体：20-30份，湿润分散剂：1-3份，流平剂：1-2份，消泡剂：0.5-1.5份，触变剂：1-2份；
其中，粘接剂按质量百分比计包括以下组分：
Bi2O3：50-70%，SiO2：5-10%，ZnO：10-15%，Al2O3：1-3%，P2O5：4-6%，TiO2：5-8%，CaCO3：5-8%，以上各组分之和为100%；
有机载体为改性酚醛树脂及DBE的混合物，并按质量比计改性酚醛树脂：DBE=2:5比例混合；湿润分散剂为Tego710；流平剂为有机硅类流平剂；消泡剂为Tego986；触变剂为二氧化硅。
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)
1.一种可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，包括硅衬底片(1)及分别直接烧结在硅衬底片(1)迎光面及背面的正电极(2)和背电极(3)，所述硅衬底片(1)的迎光面上依次设置有二氧化硅层(4)、第一钝化层(5)、减反射层(6)、导电薄膜(7)及透明玻璃(8)，所述硅衬底片(1)的背面依次设置有第二钝化层(9)及铝背场(10)，其中：
所述的第一钝化层(5)及第二钝化层(9)均为三氧化二铝薄膜，所述的减反射层(6)为三层结构，由上至下包括依次叠合的第一氮化硅薄膜、二氧化钛薄膜及第二氮化硅薄膜；所述的导电薄膜(7)与透明玻璃(8)之间还设置有金属纳米颗粒层，其特征在于：该三氧化二铝薄膜的形成具体如下：
(1)首先将三甲基铝通过腔室，使其在铝背场表面发生化学吸附，直到饱和；
(2)将剩余的三甲基铝从腔室中抽离，再通入水蒸气，和三甲基铝发生反应生成三氧化二铝；
(3)再将剩余的水蒸气和副产品从腔室中抽离，得到三氧化二铝的单层饱和表面；
(4)以此循环步骤(1)-(3)得到三氧化二铝薄膜的单层生产，直至达到想要的厚度。
2.根据权利要求1所述的可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，其特征在于：所述的金属纳米颗粒层的基本单元形状包括球形、纳米棒、纳米碟，所述的金属纳米颗粒层共振谐振峰在700-900nm的近红外波段。
3.根据权利要求1所述的可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，其特征在于：所述第一钝化层(5)的厚度为10-15nm，所述第二钝化层(9)的厚度为7-9nm，所述导电薄膜(7)的厚度为100-200nm。
4.根据权利要求1所述的可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，其特征在于：所述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)采用人工检测对硅衬底片进行检测，操作人员带一次性手套，将硅衬底片捻开成扇形，逐一观察是否有破片，油污，尺寸不合格及裂纹，有不合格的剔除；
(2)将硅衬底片浸没在浓度为1-2％的氢氧化钠溶液中，温度控制在80-85℃下，浸没20-25min，对硅衬底片进行制绒，在600-700℃下，用液态的POCl3作为P源，在扩散炉中对硅衬底片进行磷扩散；
磷扩散时通入氮气保护，并同时通入氧气，氮气流量为5-8L/min，氧气流量为3-6L/min；
采用等离子刻蚀技术对扩磷后的硅衬底片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，然后用去离子水清洗，吹干；
(3)通过原子层沉积在硅衬底片的迎光面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第一钝化层；
(4)通过等离子增强化学气相沉积的方法在硅衬底片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，并对形成的正电极和背电极进行退火处理，具体为：
先对正电极和背电极降温至700-800℃，并在此过程正通入氮气保护，氮气流量为10-13L/min；
然后关闭氮气，静置3-5min，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，退火后在硅衬底片和第一钝化层之间生长出二氧化硅层；
(6)通过原子层沉积在硅衬底片的背面发射极沉积一层三氧化二铝薄膜作为第二钝化层，然后对硅衬底片的背面印刷铝浆形成铝背场，最后再在导电薄膜上覆盖透明玻璃，即可得到该太阳能光伏电池。
5.根据权利要求4所述的可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池，其特征在于：所述可提高光电转换效率的PERC太阳能光伏电池的制备方法中的步骤(6)中印刷的铝浆按质量份数计包括以下组分：
无铅玻璃粉：2-4份，铝粉：60-70份，粘接剂：2-5份，有机载体：20-30份，湿润分散剂：1-3份，流平剂：1-2份，消泡剂：0.5-1.5份，触变剂：1-2份；
其中，所述粘接剂按质量百分比计包括以下组分：
Bi2O3：50-70％，SiO2：5-10％，ZnO：10-15％，Al2O3：1-3％，P2O5：4-6％，TiO2：5-8％，CaCO3：5-8％，以上各组分之和为100％；
所述的有机载体为改性酚醛树脂及DBE的混合物，并按质量比计改性酚醛树脂：DBE＝2:5比例混合；所述的湿润分散剂为Tego710；所述的流平剂为有机硅类流平剂；所述的消泡剂为Tego986；所述的触变剂为二氧化硅。
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