CN105428439B - 硅基sis结构旁路二极管和hit太阳电池的器件集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，采用磁控溅射技术制备TCO导电氧化物薄膜，采用等离子增强化学气相沉积方法制备本征和掺杂氢化非晶硅薄膜，采用化学溶液氧化或快速热氧化生长超薄SiOx薄膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀非晶硅薄膜，采用热蒸发方法制备电极，分别制备了一种新型的AZO/SiOx/n‑Si结构旁路二极管和HIT高效太阳电池，制成硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的集成系统。本发明方法制备的太阳电池的SIS结构具备开启电压小、反向击穿电压高的优点，可以保护HIT电池片不被热斑效应烧坏，减少了硅基电池热斑效应的风险，保证每个电池的使用安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池器件的制备方法，特别是涉及一种晶硅太阳能电池的单元器件集成组件的制备方法，应用于高效晶硅太阳能电池的制备技术和半导体光电器件技术领域。
背景技术
HIT结构高效晶硅太阳电池具有工艺相对简单、制备成本低、使用寿命长等优点，已被大规模生产和应用。其中，世界上单晶硅异质结太阳电池的转化效率记录，由松下的HIT+IBC结构电池保持，为25.6％。然而在光伏发电系统的总成本中，电池片单元只是这个系统的发电机，除电池片外的外设占有相当大的比重。发电系统还包括分立电池片之间的互联、组件接线盒、漏电保护、逆变器、控制器、变压器等分立装置。其中，电池片之间的互联组件和漏电保护器，是保证光伏电站能够提供稳定高功率电能的必要措施。通常，单个电池片可提供约0.5V的峰值电压，这个电压是无法满足日常用电的需要，因此将多个电池片串联和并联起来，形成电池组件，组件的效率平均达到18％左右。在大型发电站，还需将多个组件串联或并联起来，形成发电中心。若干个电池片的串并联原理，要求每个电池片之间相互匹配，才能正常工作。若其中一个电池片出现失配，那么整个发电中心都面临瘫痪的可能，即所谓的热斑效应。
热斑效应是指在一串联支路中，某个太阳电池片被阴影遮蔽，因光生电流和电压相较其它电池片较低，被当作负载串联在组件中，这样此电池片处于反向偏压下，会发热而被烧坏。热斑效应普遍存在于光伏发电系统中。虽然太阳电池通常安装在地域开阔、阳光充足的地区，然而长期暴露在空气中，难免有飞鸟、落叶、尘土等遮蔽物落于电池片表面形成阴影，导致热斑效应。尤其在我国西北地区，虽然地广人稀、太阳能资源丰富，但风沙天气会提高电站的维护成本。据统计热斑效应使太阳电池组件的实际使用寿命至少减少10％，发电功率降低30％。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭到损坏，最好在太阳电池组件的电极间并联一个大功率的旁路二极管，来避免其它的电池片产生的能量被失配的电池片消耗。然而多个电池片只并联一个旁路二极管只能降低热斑效应的风险，不能保护每个电池片的安全。若每个电池片都并联一个旁路二极管无疑会增加外设成本和空间。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，将旁路二极管集成在电池片上，使硅基SIS(Semiconductor-insulator-semiconductor)结构旁路二极管与高效HIT(Hetero-junction Insulator thin film)太阳能电池的系统集成，不仅减少了硅基电池热斑效应的风险，保证每个电池的使用安全，而且降低电池组件的外设成本，并节约组件空间，更适合于未来智能化的应用。
为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：
一种硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，包括如下步骤：
a.采用n-型导电、晶向为(100)、电阻率为1.0～2.0Ω·cm且厚度为130～180μm的硅单晶片为衬底；
b.将在所述步骤a中选取的硅单晶片经化学清洗及表面制绒后，利用PECVD方法在硅单晶片的双面上沉积制备i-a-Si:H本征非晶硅薄膜，然后在硅单晶片正面之上的非晶硅薄膜的正面上再沉积一层p+-a-Si:H的p+-型非晶硅薄膜，并在硅单晶片背面之下的非晶硅薄膜的表面上再沉积一层n+-a-Si:H的n+-型非晶硅薄膜，形成厚度为8～20nm的非晶硅薄膜复合绝缘层；优先采用质量浓度为0.2～1.5％的NaOH溶液作为腐蚀溶液，对经过化学清洗后的硅单晶片表面进行制绒，在硅单晶片表面形成绒面结构；进一步优选在NaOH溶液中再加入质量比为0.2％的Na2SiO3配制成腐蚀溶液，并在对硅单晶片表面进行第一次制绒时使用；
c.利用反应离子刻蚀对在所述步骤b中制备的非晶硅薄膜复合绝缘层进行图案化处理，将部分非晶硅薄膜复合绝缘层去除；
d.在所述步骤c中经过图案化处理后，利用射频磁控溅射方法，分别在硅单晶片正面保留的p+-型非晶硅薄膜上和在硅单晶片背面上保留的n+-型非晶硅薄膜上分别沉积制备厚度为80～100nm的ITO薄膜，作为透明半导体层，并形成形成HIT电池的主要器件结构；
e.在所述步骤c中经过图案化处理后，部分硅单晶片表面裸露出来，化学溶液氧化法或快速热氧化法，在硅单晶片的双面裸露部分的表面上生长厚度为1～5nm的SiOx薄膜；在利用化学溶液氧化法时，优先将硅单晶片的双面裸露部分浸入质量浓度为2～5％的HNO3溶液中，生长SiOx层；
f.在所述步骤e中的硅单晶片背面裸露部分的表面上制备的SiOx薄膜之上再沉积一层厚度为80～100nm的AZO薄膜，形成SIS结构的主要结构部分；
g.利用质量浓度为2～5％的HF溶液，去除在所述步骤e中制备的硅单晶片正面的SiOx薄膜，使此处的硅单晶片表面的正面部分再次裸漏出来；
h.在所述步骤d中完成ITO薄膜制备后，再利用热蒸发或掩膜方法，在硅单晶片两侧的ITO薄膜上分别沉积制备Ag/Al双金属层结合电极或AgAl合金电极，完成ITO/p+-a-Si:H/i-a-Si:H/n-Si/i-a-Si:H/n+-a-Si:H/ITO的HIT太阳电池器件结构的制备；在所述步骤f中完成硅单晶片的背面的AZO薄膜制备后，再利用热蒸发或掩膜方法，在AZO薄膜上制备Ni/Al双金属层结合电极或NiAl合金电极；在经所述步骤g处理使硅单晶片的部分正面再次裸漏出来后，在硅单晶片的正面上制备Al电极，完成AZO/SiOx/n-Si结构器件的制备，从而最终完成硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的集成。
本发明硅基SIS结构旁路二极管与HIT太阳电池的系统集成方法的原理如下：
旁路二极管的作用是为了保护电池片不被热斑效应烧坏，那么对于旁路二极管有两个关键点：①二极管开启电压小；②反向击穿电压高。旁路二极管与电池片并联，但极性相反。当两端无偏压或正向偏压时，电池片正常工作而旁路二极管处于反向截止状态，因此要求二极管可以抵抗较高的反向偏压；当两端加反向偏压时，大电流可通过旁路二极管使电池片不受影响，因此二极管必须立即开启。旁路二极管采用AZO/SiOx/n-Si结构，正好具备这样两个条件。AZO/SiOx/n-Si器件在±1.5V时，整流比为IF/IR＝1670，正向开启电压约0.3V；且在-2.0V时，反向仍保持截止状态；但是在光照下，反向会有光生电流。由于光照下反向饱和电流不再降低，因此在设计旁路二极管集成实验时，本发明将AZO/SiOx/n-Si结构放在背面或者不被光照的区域，避免反向光生电流导致的旁路效果降低。HIT电池也是以n-型硅片作为基底，且转换效率高，可作为旁路二极管集成器件的电池结构。当SIS结构和HIT结构集成在一起时，器件的电流-电压响应方程为：
Ｉ＝Isc-Ibp-IL＝I0，sc[exp(qV/n1kT)-1]-I0，bp[exp(-qV/n2kT)-1]-IL
其中I为器件的总电流，Isc和Ibp分别为太阳电池结构器件和旁路二极管结构器件的电流，IL为光生电流。I0,sc和I0,bp分别为太阳电池结构器件和旁路二极管结构器件的反向饱和暗电流，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，n1和n2分别为太阳电池结构器件和旁路二极管结构器件的理想因子。上式第一部分代表HIT结构器件的I-V关系，第二部分代表旁路二极管的I-V关系，第三部分为光生电流。在正向偏压下，第二部分近似于0，总电流为光照下HIT的输出电流；而在反向偏压下，第一部分近似于0，总电流为旁路二极管电流与光生电流的和，从而达到保护太阳电池不被反向偏压击穿而烧坏的功能。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用AZO/SiOx/n-Si结构器件作为旁路二极管与HIT太阳电池进行双功能器件的集成，既可以保障电池不被热斑效应损坏，又降低外设成本、节约组件空间；
2.本发明的SIS结构具备开启电压小、反向击穿电压高的优点，可以保护HIT电池片不被热斑效应烧坏。
附图说明
图1是本发明优选实施例制备的SIS旁路二极管的结构示意图。
图2是本发明优选实施例制备的SIS旁路二极管在光照和暗条件下的电流-电压特性曲线对比图。
图3是本发明优选实施例制备的HIT太阳电池的结构示意图。
图4是在标准模拟太阳光下，本发明优选实施例制备的HIT太阳电池的电流-电压和功率输出曲线对比图。
图5是本发明优选实施例制备的硅基SIS旁路二极管与HIT太阳电池的器件集成结构图。
图6是本发明优选实施例制备的硅基SIS旁路二极管与HIT太阳电池的器件集成外部结构示意图。
图7是本发明优选实施例制备的硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的系统集成制备方案与流程图。
图8是在标准模拟太阳光下，本发明优选实施例制备的集成器件系统的电流-电压输出曲线对比图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1～8，一种硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，包括如下步骤：
a.采用n-型导电、晶向为(100)、电阻率为1.0～2.0Ω·cm且厚度为130～180μm的硅单晶片为衬底；
b.采用标准RCA清洗方法，对步骤a中选取的硅单晶片经化学清洗，在清洗时，先在75℃下将硅单晶片浸入NH4OH、H2O2和H2O的混合质量比为1：1：5的混合溶液中进行超声波清洗10分钟，再采用去离子水进行再次清洗，然后在75℃下再将硅单晶片浸入HCl、H2O2和H2O的混合质量比为1:1:6的另一混合溶液中超声波清洗10分钟，完成对硅单晶片的化学清洗过程；然后在85℃下将经过清洗后的硅单晶片浸入NaOH和H2O的混合质量比为1.4:100的NaOH溶液中进行化学腐蚀40分钟，由于NaOH对硅单晶片腐蚀具有各向异性，能制备金字塔形绒面结构；对于第1次配液制绒，还需要在NaOH和H2O的质量比为1.4:100的NaOH溶液中再加入0.2％(质量比)的Na2SiO3配置混合溶液，来提高绒面制作效果，完成制绒后，再用去离子水对硅单晶片的制绒面进行冲洗，完成对于(100)的n-型导电直拉硅片进行绒面制备；将完成绒面制备的硅单晶片在HCl和H2O的混合质量比为1:6的稀盐酸中进行清洗，然后去离子水清洗，再将硅单晶片在质量百分比浓度为5％的HF溶液中清洗后表面自然氧化层，然后去离子水清洗单晶硅片表面，并采用氮气进行吹干，得到干燥的具有表面绒面结构的单晶硅片；然后利用PECVD方法，在干燥的具有表面绒面结构的单晶硅片的双面上沉积制备i-a-Si:H本征非晶硅薄膜，然后在硅单晶片正面之上的非晶硅薄膜的正面上再沉积一层p+-a-Si:H的p+-型非晶硅薄膜，并在硅单晶片背面之下的非晶硅薄膜的表面上再沉积一层n+-a-Si:H的n+-型非晶硅薄膜，形成厚度为15nm的非晶硅薄膜复合层；
c.利用反应离子刻蚀(RIE)方法对在所述步骤b中制备的非晶硅薄膜复合绝缘层进行图案化处理，将部分非晶硅薄膜复合绝缘层去除，反应气体为：SF6:O2＝36:6(sccm)，射频功率为100W，反应气压为20Pa，刻蚀时间15min；
d.在所述步骤c中经过图案化处理后，利用射频磁控溅射方法，采用利用掩膜板，分别在硅单晶片正面保留的p+-型非晶硅薄膜上和在硅单晶片背面上保留的n+-型非晶硅薄膜上分别沉积制备厚度为80nm的ITO薄膜，作为透明半导体层，并形成形成HIT电池的主要器件结构；
e.在所述步骤c中经过图案化处理后，部分硅单晶片表面裸露出来，利用化学溶液氧化法，将硅单晶片的双面裸露部分浸入质量浓度为2.5％的HNO3溶液中，在硅单晶片的双面裸露部分的表面上生长厚度为2nm的SiOx薄膜；
f.利用直流磁控溅射方法，在所述步骤e中的硅单晶片背面裸露部分的表面上制备的SiOx薄膜之上再沉积一层厚度为80nm的AZO薄膜，形成SIS结构的主要结构部分，AZO薄膜的沉积条件：衬底温度为250℃，溅射功率为100W，流量为Ar：30sccm，沉积气压为1.5Pa；g.利用质量浓度为5％的HF溶液，去除在所述步骤e中制备的硅单晶片正面的SiOx薄膜，使此处的硅单晶片表面的正面部分再次裸漏出来；
h.在所述步骤d中完成ITO薄膜制备后，采用利用掩膜板，再利用真空热蒸发方法，在硅单晶片两侧的ITO薄膜上分别沉积制备AgAl合金电极，完成ITO/p+-a-Si:H/i-a-Si:H/n-Si/i-a-Si:H/n+-a-Si:H/ITO的HIT太阳电池器件结构的制备；在所述步骤f中完成硅单晶片的背面的AZO薄膜制备后，采用利用掩膜板，再利用真空热蒸发方法，在AZO薄膜上制备NiAl合金电极；在经所述步骤g处理使硅单晶片的部分正面再次裸漏出来后，在硅单晶片的正面上制备Al电极，完成AZO/SiOx/n-Si结构器件的制备，从而最终完成硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的集成。
参见图1～8，本实施例采用磁控溅射技术制备TCO(ITO或AZO)导电氧化物薄膜，采用等离子增强化学气相沉积方法制备本征和掺杂氢化非晶硅薄膜，采用化学溶液氧化法生长超薄SiOx薄膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀非晶硅薄膜，采用热蒸发方法制备Al/Ag和Al/Ni合金电极，分别制备了一种新型的Al/Ni/AZO/SiOx/n-Si/A旁路二极管一种Al/Ag/ITO/p+-a-Si:H/i-a-Si:H/n-Si/i-a-Si:H/n+-a-Si:H/ITO/Ag/Al结构高效太阳电池，并集成为硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件系统。本实施例采用n-型导电、晶向为(100)，电阻率为1～2.0Ω·cm，厚度为130～180μm的硅单晶片为衬底；经常规化学清洗及制绒后，首先在硅片双面进行PECVD沉积i-a-Si:H本征非晶硅薄膜；然后分别在本征非晶硅薄膜正面上沉积一层p+-a-Si:H的p+-型非晶硅薄膜，在背面上沉积一层n+-a-Si:H的n+-型非晶硅薄膜；再利用反应离子刻蚀技术将部分非晶硅薄膜刻蚀掉，然后分两步在p-和n-型非晶硅薄膜上沉积一层ITO薄膜，形成待集成的高效HIT太阳电池结构。利用氧化法在部分刻蚀的硅片背面生长一层超薄SiOx薄膜；再在SiOx薄膜上沉积一层TCO薄膜，形成系统集成的SIS旁路二极管结构。最后利用掩膜板分别热蒸发金属合金电极，形成完整的器件集成。SIS结构具备开启电压小、反向击穿电压高的优点，可以保护HIT电池片不被热斑效应烧坏。
参见图1～8，本实施例将具有旁路二极管功能的AZO/SiOx/n-Si结构器件成功集成在ITO/p+-a-Si:H/i-a-Si:H/n-Si/i-a-Si:H/n+-a-Si:H/ITO的高效太阳电池HIT结构中。图2是本实施例制备的SIS旁路二极管在光照和暗条件下的电流-电压特性曲线对比图，从图中可知，SIS结构器件具有优异的整流特性、较低的开启电压(0.3V)和反向大偏压(-20V)的抗击穿特性。图4是在标准模拟太阳光下，本发明优选实施例制备的HIT太阳电池的电流-电压和功率输出曲线对比图，从图中可知，HIT结构太阳电池的转换效率为16.4％，开路电压、短路电流和填充因子分别为0.67V，36.77mA/cm2和66.56％。图8是在标准模拟太阳光下，本发明优选实施例制备的集成器件系统的电流-电压输出曲线对比图，从图中可知：第一次和第二次测试时，曲线具有光伏特性，与理想曲线(ideal-integrated)相差较大；而第三次测试时，光伏特性消失。通过对本实施例制备的硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的集成系统的测试结果显示，部分集成器件的输出特性还不够稳定，光电转换效率也比较差，但是从大量成功的实验结果和系统集成的设计原理分析，该双器件集成系统还具有很大的改性空间。虽然部分实验结果不够理想，但是微弱的光伏效应表明，该集成器件可实现对高效晶硅电池在发电过程中输出电流的智能控制。本实施例制备的旁路二极管与高效晶硅电池集成的新型光伏系统，为光伏发电的大规模应用提供了新思路、新技术和新方法。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 采用n-型导电、晶向为（100）、电阻率为1.0~2.0Ω·cm且厚度为130~180 μm的硅单晶片为衬底；
b. 将在所述步骤a中选取的硅单晶片经化学清洗及表面制绒后，利用PECVD方法在硅单晶片的双面上沉积制备i-a-Si:H本征非晶硅薄膜，然后在硅单晶片正面之上的非晶硅薄膜的正面上再沉积一层p+-a-Si:H的p+-型非晶硅薄膜，并在硅单晶片背面之下的非晶硅薄膜的表面上再沉积一层n+-a-Si:H的 n+-型非晶硅薄膜，形成厚度为8~20 nm的非晶硅薄膜复合绝缘层；
c. 利用反应离子刻蚀对在所述步骤b中制备的非晶硅薄膜复合绝缘层进行图案化处理，将部分非晶硅薄膜复合绝缘层去除；
d. 在所述步骤c中经过图案化处理后，利用射频磁控溅射方法，分别在硅单晶片正面保留的p+-型非晶硅薄膜上和在硅单晶片背面上保留的n+-型非晶硅薄膜上分别沉积制备厚度为80~100 nm的ITO薄膜，作为透明半导体层，并形成形成HIT电池的主要器件结构；
e. 在所述步骤c中经过图案化处理后，部分硅单晶片表面裸露出来，利用化学溶液氧化法或快速热氧化法，在硅单晶片的双面裸露部分的表面上生长厚度为1~5 nm的SiOx薄膜；
f. 在所述步骤e中的硅单晶片背面裸露部分的表面上制备的SiOx薄膜之上再沉积一层厚度为80~100 nm的AZO薄膜，形成SIS结构的主要结构部分；
g. 利用质量浓度为2~5%的HF溶液，去除在所述步骤e中制备的硅单晶片正面的SiOx薄膜，使此处的硅单晶片表面的正面部分再次裸漏出来；
h. 在所述步骤d中完成ITO薄膜制备后，再利用热蒸发或掩膜方法，在硅单晶片两侧的ITO薄膜上分别沉积制备Ag/Al双金属层结合电极或AgAl合金电极，完成ITO / p+-a-Si:H/ i-a-Si:H / n-Si / i-a-Si:H / n+-a-Si:H / ITO 的HIT太阳电池器件结构的制备；在所述步骤f中完成硅单晶片的背面的AZO薄膜制备后，再利用热蒸发或掩膜方法，在AZO薄膜上制备Ni/Al双金属层结合电极或NiAl合金电极；在经所述步骤g处理使硅单晶片的部分正面再次裸漏出来后，在硅单晶片的正面上制备Al电极，完成AZO/SiOx/n-Si结构器件的制备，从而最终完成硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的双功能器件的集成。
2.根据权利要求1所述硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，其特征在于：在所述步骤b中，采用质量浓度为0.2~1.5%的NaOH溶液作为腐蚀溶液，对经过化学清洗后的硅单晶片表面进行制绒，在硅单晶片表面形成绒面结构。
3.根据权利要求1或2所述硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，其特征在于：在所述步骤b中，在NaOH溶液中再加入质量比为0.2%的Na2SiO3配制成腐蚀溶液，并在对硅单晶片表面进行第一次制绒时使用。
4.根据权利要求1或2所述硅基SIS结构旁路二极管和HIT太阳电池的器件集成方法，其特征在于：在所述步骤e中利用化学溶液氧化法时，将硅单晶片的双面裸露部分浸入质量浓度为2~5%的HNO3溶液中，生长SiOx层。
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