CN105720114A - 一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极 - Google Patents
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Abstract
本发明是提供了一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极，发明提供的掺杂透明导电膜可以和阵列分布的金属或重掺杂区域形成局部接触，共同构成晶硅电池的正面或背面电极，扩大晶体硅太阳能电池的光谱利用范围；大幅提高电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极。
背景技术
自1954年第一块太阳能电池在贝尔实验室诞生以来，晶体硅太阳能电池得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前，晶体硅太阳能电池占太阳能电池全球市场总额的80％以上，晶体硅电池片的产线转换效率目前已突破20％，全球年新增装机容量约50GW且增速明显，与火力发电的度电成本不断缩小，在未来几年有望与之持平。晶体硅太阳能电池作为一种清洁能源在改变能源结构、缓解环境压力等方面的重要作用日益凸显。
晶体硅太阳能电池要想继续保持竞争力、获得更大的发展与应用，必须进一步提高转换效率，同时降低生产成本。目前急需解决两个方面的问题：第一是晶硅太阳能电池的光谱响应与太阳光谱匹配性差，太阳光谱中的绝大部分光能无法被利用；第二是晶硅太阳能电池正面和背面金属电极的光遮挡及高成本问题。
构成晶体硅太阳能电池的核心材料硅，是一种间接吸收的窄带隙半导体，无法利用1100nm以上波长的红外光。此外，由于表面的缺陷及高少子复合速率，400nm以下波长的紫外光也不能很好的利用。所以晶硅太阳能电池可利用的光谱范围集中在400～1100nm之间，大部分的太阳光无法转换为电能，这使得晶硅太阳能电池的理论效率极限仅为30％。在晶硅电池的转换效率不断逼近效率极限的情况下，进一步大幅提升转换效率所需的成本愈来愈高，比如多结电池、多激子产生太阳能电池、空间分割量子裁剪太阳能电池等，这些技术虽然突破了晶硅电池的效率极限，但复杂的制备流程及高昂成本使其基本上局限于实验室。近年来，上转换材料和下转换材料在光伏电池中的应用日益受到重视，将其应用于晶硅太阳电池，通过改变到达PN结附近的光谱分布，使之与晶硅太阳能电池的光谱响应更加匹配，从而大幅提升电池的转换效率。
常规晶体硅电池的受光面电极采用银浆丝网印刷的方式形成近百条细栅和若干条主栅，此工序使用的物料成本昂贵，且银电极会造成电池片表面5％～7％的面积形成对光的遮挡，大大降低了电池片的转换效率。如何在减少遮光面积与保持良好的导电性之间进行平衡，是近几年晶体硅电池技术研究的一个重点。由于浆料技术与印刷技术的进步，晶体硅电池的受光面电极细栅宽度不断减小，根据SEMI预测，到2020年细栅的宽度将减小至35微米以下，同时主栅采用多主栅及无主栅。在这个栅线细化技术过程中，电极的遮光面积有所下降，导电性有所提升，同时获得了效率的提升与成本的下降。但随着栅线宽度的不断减小，电极制备的工艺难度不断加大，进一步提高效率、降低生产成本的空间缩小。透明导电膜兼具良好的导电性与透光性，是作为电池电极的理想材料，有望彻底解决金属电极的光遮挡及成本问题。
如果能将透明导电膜与上/下转换材料合二为一，将会给晶硅电池技术带来非常大的进步。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极，发明提供的掺杂透明导电膜可以和阵列分布的金属或重掺杂区域形成局部接触，共同构成晶硅电池的正面或背面电极，扩大晶体硅太阳能电池的光谱利用范围；大幅提高电池的光电转换效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，所述的量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部接触金属电极、掺杂透明导电膜和金属电极；局部接触金属电极以规则图案方式排布在减反射膜及钝化膜上，且局部接触金属电极穿透减反射膜/钝化膜与晶体硅片形成局部欧姆接触；所述金属电极设置于透明导电膜之上；所述的掺杂透明导电膜设置在减反射膜/钝化膜及局部接触金属电极之上，并将局部接触金属电极及金属电极连接成为电极导电组合体。
一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，所述的量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部重掺杂区、设置在减反射膜/钝化膜表面的掺杂透明导电膜和设置在掺杂透明导电膜上的金属电极，所述的局部重掺杂区以规则图案方式排布在晶体硅片表面，减反射膜/钝化膜设置在晶体硅片表面；所述的局部重掺杂区与对应位置的掺杂透明导电膜直接接触，掺杂透明导电膜将局部重掺杂区及金属电极连接成为电极导电组合体。
所述的掺杂透明导电膜是将稀土金属或过渡金属掺杂到透明导电膜中得到的。
掺杂的金属为Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+或Cr3+，掺杂的质量百分数为0.001％～5％；所述的透明导电膜为AZO、GZO、ITO、FTO、IWO或石墨烯，厚度为50～1000nm。
电池正面的掺杂透明导电膜掺杂元素用于下转换发光，电池背面的掺杂透明导电膜掺杂元素用于上转换发光。
所述的晶体硅片为P型或者N型的单晶硅片、P型或者N型的多晶硅片。
所述的规则图案为阵列图案，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。
金属电极的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm。
所述的局部重掺杂区下方的局部硅基体为重掺杂区或一般掺杂区，重掺杂区的方阻为5～50Ω/□，一般掺杂的方阻区为50～150Ω/□。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的量子裁剪透明电极结构是将透明导电膜与上/下转换材料合二为一，在透明导电膜中掺杂稀土金属(镧系4f和锕系5f)或过渡金属(3d/4d/5d)得到掺杂透明导电膜，该结构简化了电池电极及生产流程；一方面可以大幅减少金属栅线的光遮挡及高昂的材料成本；另一方面使晶硅电池无法利用的部分红外光与紫外光分别发生蓝移和红移，扩大晶体硅太阳能电池的光谱利用范围；大幅提高电池的光电转换效率。
附图说明
图1是用于电池正面的掺杂透明导电膜/阵列状金属/金属电极构成的复合电极剖面；
图2是用于电池背面的掺杂透明导电膜/阵列状金属/金属电极构成的复合电极剖面；
图3是用于电池正面的掺杂透明导电膜/阵列状重掺杂构成的复合电极局部剖面图；
图4是用于电池背面的掺杂透明导电膜/阵列状重掺杂构成的复合电极局部剖面图。
图中，1为掺杂透明导电膜，2为减反射膜/钝化膜；3为局部接触金属电极；4为金属电极；5为晶体硅片，6为局部重掺杂区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，通过将稀土金属(镧系4f和锕系5f)及过渡金属(3d/4d/5d)按一定比例掺杂到透明导电膜中，使掺杂的复合薄膜同时具备透明、导电、量子裁剪功能，掺杂的金属可以是：Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+、Cr3+等，掺杂的质量分数为0.001％～5％。透明导电膜可以是AZO、GZO、ITO、FTO、IWO或石墨烯，厚度为50～1000nm。制备的方法可以采用溅射、气相沉积、纳米/微米粉体喷涂、胶体旋涂、浸渍提拉等。发明提供的掺杂透明导电膜可以和阵列分布的金属或重掺杂区域形成局部接触，并将其连结成为一个导电整体，共同构成晶硅电池的正面或背面电极，阵列分布图形可以是点、线段和栅线。
如图1和图2，量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部接触金属电极3、掺杂透明导电膜1和金属电极4；局部接触金属电极3以规则图案方式排布在减反射膜/钝化膜2上，且局部接触金属电极3穿透减反射膜/钝化膜2与晶体硅片5形成局部欧姆接触；所述金属电极4设置于透明导电膜1之上；所述的掺杂透明导电膜1设置在减反射膜/钝化膜2及局部接触金属电极3之上，并将局部接触金属电极3及金属电极4连接成为电极导电组合体。
如图3和图4所示，一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部重掺杂区6、设置在减反射膜/钝化膜2表面的掺杂透明导电膜1和设置在掺杂透明导电膜1上的金属电极4，所述的局部重掺杂区6以规则图案方式排布在晶体硅片4表面，减反射膜/钝化膜2设置在晶体硅片4表面；所述的局部重掺杂区6与对应位置的掺杂透明导电膜1直接接触，掺杂透明导电膜1将局部重掺杂区6及金属电极4连接成为电极导电组合体。
上述用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极制备包括下述步骤：
1)晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理，晶体硅片可以是P型或者N型的单晶硅片、多晶硅片，随后晶硅电池的制作按如下步骤。
2)在正面或/和背面的减反射膜/钝化膜上采用印刷烧结、激光或化学腐蚀局部开孔协同蒸镀等方法制备阵列分布的金属电极，金属电极穿透减反射膜/钝化膜与硅基体形成良好的欧姆接触，金属电极可以是银、铝、镍、铜等。步骤2)也可以采用扩散、掩膜刻蚀、印刷/喷涂掺杂剂等方法按阵列图形制备局部重掺杂，重掺杂区域需去除减反射膜/钝化膜。阵列图形可以是点状、线段状和栅线，优先采用点状和线段状，点状阵列中的单个点电极的直径为50～200um，相邻两个点电极之间的间距为0.8～2mm；线段状阵列中的单个线段电极的线宽为40～100um，长度为0.05～1.5mm，同一行/列中相邻两个线段的间距为0.5～2mm。
3)在正面或/和背面采用溅射、气相沉积、纳米/微米粉体喷涂、胶体旋涂、浸渍提拉等方法制备掺杂透明导电膜，掺杂元素为稀土金属(镧系4f和锕系5f)及过渡金属(3d/4d/5d)离子，尤其为：Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+、Cr3+等，掺杂的质量分数为0.001％～5％。正面掺杂元素具有下转换功能，可将短波长的光转换为长波长的光，背面掺杂元素具有上转换功能，可将长波长的光转化为短波长的光。透明导电膜可以是AZO、GZO、ITO、FTO、IWO或石墨烯，厚度为50～500nm。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1：
(1)P型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜、制作背电极等工序处理；
(2)在正面采用丝网印刷的方法制作点状银电极，单个点的直径为50um，点与点之间的间距为0.8mm；
(3)在炉体中进行300～900℃下烧结，正面点状银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在点状电极上采用溅射法制备100nm的掺杂AZO透明导电膜，掺杂元素为Eu3+，掺杂的质量分数为0.001％；
(5)再在掺杂AZO透明导电膜上采用丝网印刷的方法制作银电极，银电极图案由1组等距平行的栅线构成，栅线数量为20根，栅线宽度为20um，随后进行热处理。掺杂AZO透明导电膜、点状银及银栅线共同形成电池正面的量子裁剪透明电极。
实施例2：
(1)N型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)采用激光对正面和背面的减反射膜和钝化膜以点状阵列进行开孔，单个点的直径为100um，点与点之间的间距为1.5mm；
(3)采用化学镀的方法在正面和背面的开孔处分别制备点状铝电极和银电极，随后在200～500℃下进行退火处理；
(4)在正面采用化学气相沉积制备110nm的掺杂ITO透明导电膜，掺杂元素为Bi3+和Sm3+，掺杂的质量分数合计为0.01％；
(5)在背面采用化学气相沉积制备110nm的掺杂ITO透明导电膜，掺杂元素为Yb3+和Er3+，掺杂的质量分数合计为0.01％；
(6)在正面的掺杂透明导电膜上采用喷墨的方法制作银栅线电极，电极图案由一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为30根，截面宽度为30um；主栅为4根，截面宽度为1mm，随后进行热处理。掺杂ITO透明导电膜、点状银及银栅线共同形成电池正面的量子裁剪透明电极；
(7)在背面的掺杂透明导电膜上采用喷墨的方法制作银栅线电极，电极图案由一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为20根，截面宽度为30um；主栅为3根，截面宽度为1mm，随后进行热处理。掺杂ITO透明导电膜、点状银及银栅线共同形成电池背面的量子裁剪透明电极。
实施例3：
(1)P型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)在正面和背面按特定图形分别印刷含磷的掺杂剂和含硼的掺杂剂，印刷图形采用线段状阵列，线段长度为50um，宽度为40um，线段与线段之间的间距为0.5mm；
(3)采用激光按步骤(2)中所述的特定图形对掺杂剂进行脉冲加热，使磷原子和硼原子穿透减反射膜及钝化膜向硅基体扩散，在硅片的正面和背面形成线段状阵列的局部重掺杂区域；
(4)在正面喷涂经过掺杂的FTO纳米粉体，形成厚度为200nm的掺杂透明导电膜，掺杂元素为Eu3+，掺杂的质量分数为0.1％；
(5)在背面喷涂经过掺杂的FTO纳米粉体，形成厚度为200nm的掺杂透明导电膜，掺杂元素为Tm3+，掺杂的质量分数为0.1％；
(6)在正面的掺杂透明导电膜上采用丝网印刷的方法制作银栅线电极，电极图案由一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为20根，截面宽度为40um；主栅为5根，截面宽度为0.5mm，随后进行热处理。掺杂FTO透明导电膜、重掺杂区及银栅线共同形成电池正面的量子裁剪透明电极；
(7)在背面的掺杂透明导电膜上采用丝网印刷的方法制作银栅线电极，电极图案由一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为10根，截面宽度为40um；主栅为2根，截面宽度为0.5mm，随后进行热处理。掺杂FTO透明导电膜、重掺杂区及银栅线共同形成电池背面的量子裁剪透明电极。
实施例4：
(1)P型多晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜、制作正面电极等工序处理；
(2)在背面按特定图形喷涂含硼的掺杂剂，印刷图形采用线段状阵列，线段长度为1.5mm，宽度为100um，线段与线段之间的间距为2mm；
(3)采用激光按步骤(2)中所述的特定图形对含硼掺杂剂进行脉冲加热，使硼原子穿透钝化膜向硅基体扩散，在硅片的背面形成线段状阵列的局部重掺杂区域；
(4)将掺杂有稀土金属元素的AZO前驱体胶体采用旋涂的方法涂敷在背面，厚度为100nm，掺杂的元素为Yb3+和Er3+，掺杂的质量分数合计为5％，随后在200～600℃下进行焙烧，在电池的背面形成掺杂AZO透明导电膜，该掺杂薄膜与线段状重掺杂区共同形成电池背面的量子裁剪透明电极。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部接触金属电极(3)、掺杂透明导电膜(1)和金属电极(4)；局部接触金属电极(3)以规则图案方式排布在减反射膜/钝化膜(2)上，且局部接触金属电极(3)穿透减反射膜/钝化膜(2)与晶体硅片(5)形成局部欧姆接触；所述金属电极(4)设置于掺杂透明导电膜(1)之上；所述的掺杂透明导电膜(1)设置在减反射膜/钝化膜(2)及局部接触金属电极(3)之上，并将局部接触金属电极(3)及金属电极(4)连接成为电极导电组合体。
2.一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的量子裁剪透明电极结构设置在电池的正面和/或背面；包括局部重掺杂区(6)、设置在减反射膜/钝化膜(2)表面的掺杂透明导电膜(1)和设置在掺杂透明导电膜(1)上的金属电极(4)，所述的局部重掺杂区(6)以规则图案方式排布在晶体硅片(5)表面，减反射膜/钝化膜(2)设置在晶体硅片(5)表面；所述的局部重掺杂区(6)与对应位置的掺杂透明导电膜(1)直接接触，掺杂透明导电膜(1)将局部重掺杂区(6)及金属电极(4)连接成为电极导电组合体。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的掺杂透明导电膜(1)是将稀土金属或过渡金属掺杂到透明导电膜中得到的。
4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，掺杂的金属为Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+或Cr3+，掺杂的质量百分数为0.001％～5％；所述的透明导电膜为AZO、GZO、ITO、FTO、IWO或石墨烯，厚度为50～1000nm。
5.根据权利要求4所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，电池正面的掺杂透明导电膜掺杂元素用于下转换发光，电池背面的掺杂透明导电膜掺杂元素用于上转换发光。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的晶体硅片(5)为P型或者N型的单晶硅片、P型或者N型的多晶硅片。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的规则图案为阵列图案，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
8.根据权利要求7所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，金属电极(4)的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm。
10.根据权利要求2所述的一种用于太阳能电池的量子裁剪透明电极结构，其特征在于，所述的局部重掺杂区(6)下方的局部硅基体为重掺杂区或一般掺杂区，重掺杂区的方阻为5～50Ω/□，一般掺杂的方阻区为50～150Ω/□。
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