CN105449018A - 一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能电池，包括：N型黑硅衬底(3)、位于N型黑硅衬底(3)之下的第一Al2O3薄膜(2)、位于N型黑硅衬底(3)之上的第二Al2O3薄膜(4)以及位于第二Al2O3薄膜(4)之上的空穴输运层(5)。本发明还提供了一种太阳能电池的制备方法。本发明在黑硅的正面和背面沉积Al2O3薄膜，有效地钝化了黑硅表面，降低了表面复合，增加了电池的开路电压。采用过渡金属氧化物作为空穴输运层，方法简单，降低了生产成本，适合大面积制备。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制备技术领域，尤其涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，世界各国对能源的需求急剧增加，而化石能源等不可再生资源日益减少，并且化石能源对环境污染严重，太阳能作为新型的绿色可再生能源有望成为未来主要能源之一。太阳能电池是利用太阳能的有效方式之一，目前，利用硅来制备太阳能电池占主导地位。硅基太阳能电池朝着高转化效率和低生产成本的方向发展。
黑硅作为一种有效的减反射结构，可以将单晶硅和多晶硅在可见光区的反射率降低到5％以下，有效的提高了硅片对光的吸收能力。但是由于黑硅表面的纳米结构大大增加了表面积，使得表面复合增加，并且，由于纳米结构的存在，在常规扩散工艺(N型硅衬底扩散硼，P型硅衬底扩散磷)制作发射极时，扩散的元素会集中分布在纳米结构中，形成太阳能电池中所谓的“死层”，这样会大大增加了俄歇复合，而且由于纳米结构的存在，扩散后的方阻极不均匀，对电池的效率有很大的影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种太阳能电池，包括N型黑硅衬底、位于N型黑硅衬底之下的第一Al2O3薄膜、位于N型黑硅衬底之上的第二Al2O3薄膜以及位于第二Al2O3薄膜之上的空穴输运层。
根据本发明的上述太阳能电池，优选地，还包括位于空穴输运层之上的透明导电薄膜、位于透明导电薄膜之上的金属栅电极以及位于第一Al2O3薄膜之下的金属背电极。
根据本发明的上述太阳能电池，优选地，空穴输运层为过渡金属氧化物。
根据本发明的上述太阳能电池，优选地，过渡金属氧化物为MoOx(本发明中，0<x<3，MoOx表示非化学计量比氧化钼，钼的化合价可以为Mo4+，Mo5+和Mo6+混合态，该化合物中存在氧空位，有助于空穴输运)。
根据本发明的上述太阳能电池，优选地，透明导电薄膜为透明氧化铟锡或掺镓氧化锌或掺铝氧化锌。
本发明还提供了一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在黑硅衬底的背面制备第一Al2O3薄膜以及在黑硅衬底的正面面制备第二Al2O3薄膜；
步骤二：在第二Al2O3薄膜上面制备空穴输运层。
根据本发明的上述制备方法，优选地，还包括以下步骤：
步骤三：在空穴输运层上面制备透明导电薄膜；
步骤四：在透明导电薄膜上面制备金属栅电极；
步骤五：在第一Al2O3薄膜下面制备金属背电极。
根据本发明的上述制备方法，优选地，在步骤一中，在制备第一Al2O3薄膜和第二Al2O3薄膜之前，修饰黑硅衬底的纳米结构。
根据本发明的上述制备方法，优选地，在步骤一中，制备第一Al2O3薄膜和第二Al2O3薄膜的方法为ALD方法。
根据本发明的上述制备方法，优选地，在步骤二中，制备空穴输运层的方法为热蒸发MoO3粉末或反应磁控溅射Mo金属靶材或磁控溅射MoO3靶材。
本发明在黑硅的正面和背面制备Al2O3薄膜，可以对黑硅的纳米结构形成保角覆盖，从而有效地钝化黑硅表面，降低表面复合，避免了因黑硅表面积增加而导致的表面复合的增加，从而实现大面积制备，并且对黑硅背面的钝化能够减少背面复合速率，提高电池的开路电压，又和背面形成重掺杂，使背电极形成良好的欧姆接触，减少接触电阻；采用过渡金属氧化物作为空穴输运层，既避免了传统扩散工艺造成纳米结构的重掺杂而引起俄歇复合的增加，又降低了生产成本，而且全程无需掺杂，方法简单，适用于大面积制备，成本低廉。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的太阳能电池的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的太阳能电池的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，根据本发明的一个实施例，提供了一种太阳能电池，包括金属背电极1、第一Al2O3薄膜2、N型黑硅衬底3、第二Al2O3薄膜4、空穴输运层5、透明导电薄膜6和金属栅电极7。
金属背电极1位于第一Al2O3薄膜2之下，本实施例中为金属铝(Al)背电极；第一Al2O3薄膜2位于N型黑硅衬底3之下(背面)，第二Al2O3薄膜4位于N型黑硅衬底3之上(正面)，用于有效地钝化黑硅表面；空穴输运层5位于Al2O3薄膜4之上，本实施例中采用MoOx(本发明中，0<x<3，MoOx表示非化学计量比氧化钼，钼的化合价可以为Mo4+，Mo5+和Mo6+混合态，该化合物中存在氧空位，有助于空穴输运)。空穴输运层5与N型黑硅衬底3之间形成异质结；透明导电薄膜6位于空穴输运层5之上，本实施例中采用氧化铟锡(ITO)；金属栅电极7位于透明导电薄膜6之上，作为太阳能电池正面引出电极，本实施例中为银栅电极。
参见图2，根据本发明的另一个实施例，还提供了一种太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：取N型黑硅衬底3，用30℃的2％wtKOH溶液处理1分钟后，修饰黑硅纳米结构，使其纳米孔径变大，深度变浅；
步骤二：对上述样品分别用去离子水和RCA清洗方法进行清洗；接着在10％HF溶液中浸泡60秒，去除表面的自然氧化层；
步骤三：将步骤二处理完的黑硅衬底3放入原子层沉积(ALD)腔室中，对其背面沉积第一Al2O3薄膜2，对其正面沉积第二Al2O3薄膜4，实验采用热ALD技术，其前驱体为三甲基铝(TMAL)，氧化物为水(H2O)，沉积温度为200℃，Al2O3薄膜厚度为5纳米。在氮气气氛中，425℃退火30分钟，以激活Al2O3薄膜的钝化效果。
步骤四：采用热蒸发MoO3粉末在黑硅纳米结构之上的第二Al2O3薄膜4上制备一层MoOx作为空穴输运层5，其厚度为10纳米，实验MoO3纯度为99.99％。
步骤五：采用磁控溅射在MoOx空穴输运层5上制备氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜6，其厚度为60纳米，实验射频功率为100W，溅射气压为1Pa，溅射时间为5分钟。ITO薄膜的方阻为30Ω/□。
步骤六：采用热蒸发Ag金属在ITO透明导电薄膜6表面制备银栅电极7，厚度为120纳米，宽度为10微米，间距为500微米。
步骤七：采用热蒸发在样品背面制备一层金属Al电极1，其厚度为200纳米，实验Al纯度为99.99％。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光AM1.5，光强100mWcm-2条件下，测得最佳电池的短路电流密度38.6mAcm-2，开路电压为0.635V，填充因子为0.67，光电转换效率为16.4％。
根据本发明的其他实施例，在步骤一中，N型黑硅衬底3的电阻率为1～10Ω·cm；处理溶液不限于KOH溶液，还可以是NaOH、TMAH等碱溶液；碱处理溶液的浓度可以为1％～20％，溶液温度可以为20℃～50℃，处理时间可以为5秒～120秒；
根据本发明的其他实施例，在步骤二中，HF溶液浓度为3％～20％，处理时间为10秒～300秒，处理温度为室温；
根据本发明的其他实施例，在黑硅衬底3较理想的情况下，步骤一和步骤二可以省略；
根据本发明的其他实施例，在步骤三中，第一Al2O3薄膜2和第二Al2O3薄膜4的厚度为2～10纳米；制备Al2O3薄膜不限于ALD方法，还包括本领域公知的其他方法；激活Al2O3薄膜所用的退火温度可以为300-500℃，时间可以为5-60分钟；
根据本发明的其他实施例，在步骤四中，MoOx空穴输运层5的厚度为5～30纳米，并且空穴输运层5不限于采用MoOx，还可以采用NiOx，VOx，WOx等过渡金属氧化物；在黑硅纳米结构之上的第二Al2O3薄膜4上制备一层MoOx的方法不限于热蒸发MoO3粉末，还包括反应磁控溅射Mo(反应溅射法)金属靶材或磁控溅射MoO3靶材，溅射Mo金属靶材时，实验所用的Mo靶材纯度99.99％，溅射气压为0.1～4Pa，氧气(O2)和氩气(Ar)流量比为0.05～0.8；溅射MoO3靶材时，实验所用MoO3靶材纯度99.99％，溅射气压为0.1～4Pa，Ar流量在5～50标准状态毫升/分(sccm)；
根据本发明的其他实施例，在步骤五中，ITO透明导电薄膜6的厚度为40～90纳米，透过率≥85％，方块电阻为5-50Ω/□，并且透明导电薄膜6不限于氧化铟锡(ITO)，还可以是掺镓氧化锌(GZO)，掺铝氧化锌(AZO)等。
根据本发明的其他实施例，在步骤六中，金属背电极1的厚度为50～300纳米，其不限于金属铝背电极，还可由铜、银、金、铂或其合金制成；并且制备铝背电极的方法不限于热蒸发，还包括磁控溅射；
根据本发明的其他实施例，在步骤七中，金属栅电极7的厚度为40～200纳米，宽度为5～20微米，间距为350～550微米，并且其不限于银栅电极，还可以由铝、铜、金、铂或其合金制成；并且，制备银栅电极的方法不限于热蒸发，还包括磁控溅射。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种太阳能电池，包括：N型黑硅衬底(3)、位于N型黑硅衬底(3)之下的第一Al2O3薄膜(2)、位于N型黑硅衬底(3)之上的第二Al2O3薄膜(4)以及位于第二Al2O3薄膜(4)之上的空穴输运层(5)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，还包括：位于所述空穴输运层(5)之上的透明导电薄膜(6)、位于所述透明导电薄膜(6)之上的金属栅电极(7)以及位于所述第一Al2O3薄膜(2)之下的金属背电极(1)。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于：所述空穴输运层(5)为过渡金属氧化物。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：所述过渡金属氧化物为MoOx。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：所述透明导电薄膜(6)为透明氧化铟锡或掺镓氧化锌或掺铝氧化锌。
6.一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在黑硅衬底(3)的背面制备第一Al2O3薄膜(2)以及在黑硅衬底(3)的正面制备第二Al2O3薄膜(4)；
步骤二：在第二Al2O3薄膜(4)上面制备空穴输运层(5)。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池的制备方法，还包括以下步骤：
步骤三：在空穴输运层(5)上面制备透明导电薄膜(6)；
步骤四：在透明导电薄膜(6)上面制备金属栅电极(7)；
步骤五：在第一Al2O3薄膜(2)下面制备金属背电极(1)。
8.根据权利要求6或7所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤一中，在制备第一Al2O3薄膜(2)和第二Al2O3薄膜(4)之前，修饰所述黑硅衬底(3)的纳米结构。
9.根据权利要求6或7所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤一中，制备所述第一Al2O3薄膜(2)和第二Al2O3薄膜(4)的方法为ALD方法。
10.根据权利要求6或7所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤二中，制备所述空穴输运层(5)的方法为热蒸发MoO3粉末或反应磁控溅射Mo金属靶材或磁控溅射MoO3靶材。
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