CN105742493B - 一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池及其制备方法。所述多铁氧化物叉指背接触太阳能电池包括玻璃衬底，在所述玻璃衬底上制有透明导电薄膜，在所述透明导电薄膜上生长有多铁氧化物薄膜，生长所述多铁氧化物薄膜时通过掩膜版在所述透明导电薄膜上预留有极化电极区域；在所述多铁氧化物薄膜上制有交叉排列的第一电极和第二电极；在所述透明导电薄膜的所述极化电极区域上制有极化电极，所述极化电极用于实现对多铁氧化物薄膜上不同区域的极化。本发明所提供的电池，光生载流子的分离和输运不再需要p‑n结或者高低结形成的内建电场，而是被多铁氧化物薄膜内部的极化场分离和输运，制备工艺简单，且电池的能量转化效率高。

Description

一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池及其制备方法。
背景技术
高能量转换效率的太阳能电池是未来人们利用太阳能的重要技术保障。目前，地面电站采用的电池技术中，IBC（Interdigitated Back Contact，叉指背接触）太阳能电池取得了最高的能量转换效率（25.6%）。现有IBC太阳能电池的结构如图1和图2所示。太阳光从正面入射，产生大量的光生载流子，即电子-空穴对。与常见的太阳能电池不同的是，IBC太阳能电池的p-n结和背场n+-n高低结都位于电池的背面，并且交叉排列，形成叉指结构。载流子的分离和输运依靠两个场，一是p-n结附近由n指向p的内建场，二是高低结n+-n附近由n+指向n的背场，这两个场方向相反，一边利于空穴的漂移，一边利于电子的漂移。
IBC电池虽然具有较高的能量转化效率，但是其制备工艺非常复杂。常规制作IBC太阳能电池的工艺流程大致为：硅片清洗—表面制绒—双面扩散掺杂—去玻璃层—丝网印刷阻挡层—刻蚀形成第一导电指区—扩散形成第二导电指区—正面制备减反射层—背面制备背钝化层—丝网印刷第一电极和第二电极—烧结—激光烧结。
以上仅是制作IBC太阳能电池的主要步骤，在实际生产过程中制作IBC太阳能电池的技术细节及相应的操作步骤也非常多，繁多的步骤和复杂的工艺使IBC太阳能电池的生产效率较低，并且生产成本也较高，给IBC太阳能电池的发展造成了困难。
IBC太阳能电池结构属于晶体硅电池结构的一种，目前IBC电池效率的发展已经接近晶体硅电池的理论极限（29%）。这一理论限制是由常规太阳能电池的基本物理原理决定的。由正常光伏效应的原理可知，太阳能电池的开路电压不可能超过吸收层材料的带隙。例如：硅太阳能电池中的硅材料的带隙为1.1eV，那么硅太阳能电池的开路电压肯定不会超过1.1V（当前最高的硅太阳能电池的开路电压是0.75V)。这种理论上的局限性限制了IBC太阳能电池效率的进一步提升。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，以解决现有的叉指背接触太阳能电池效率受限制不能进一步提升的问题。
本发明的目的之二就是提供一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，该制备方法工艺简单，制备成本低，且所制备的电池的效率较高。
本发明的目的之一是这样实现的：一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，包括玻璃衬底，在所述玻璃衬底上制有透明导电薄膜，在所述透明导电薄膜上生长有多铁氧化物薄膜，生长所述多铁氧化物薄膜时通过掩膜版在所述透明导电薄膜上预留有极化电极区域；在所述多铁氧化物薄膜上制有叉指型结构电极，所述叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极和第二电极；在所述透明导电薄膜的所述极化电极区域上制有极化电极；通过所述极化电极和所述第一电极可实现对所述多铁氧化物薄膜上与第一电极对应的第一指区的极化，通过所述极化电极和所述第二电极可实现对所述多铁氧化物薄膜上与第二电极对应的第二指区的极化，且所述第一指区和所述第二指区被极化后的极化场方向相反。
所述透明导电薄膜为In2O3:F、In2O3:SnO2、In2O3:WO3、In2O3:MoO3、ZnO:Al或 ZnO:B导电薄膜。
所述多铁氧化物薄膜为铁酸铋薄膜或掺杂的铁酸铋薄膜。
所述掺杂的铁酸铋薄膜中所掺的杂质为Cr、Mn或La和Ni。
所述极化电极、所述第一电极和所述第二电极为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo、Ni或这些金属中的两种或两种以上的合金电极。
本发明的目的之二是这样实现的：一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
a、选取玻璃衬底，并进行清洗；
b、采用物理气相沉积法在所述玻璃衬底上制备透明导电薄膜；
c、借助于掩膜版遮挡所述透明导电薄膜上的部分区域，采用物理气相沉积法或溶胶-凝胶法在所述透明导电薄膜上未遮挡的区域生长多铁氧化物薄膜；所述透明导电薄膜上由掩膜版所遮挡的区域为预留的极化电极区域；
d、在所述多铁氧化物薄膜上制备叉指型结构电极，所述叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极和第二电极；
e、在所述透明导电薄膜的极化电极区域上制备极化电极；
f、通过所述极化电极和所述第一电极对所述多铁氧化物薄膜上与第一电极对应的第一指区进行极化，通过所述极化电极和所述第二电极对所述多铁氧化物薄膜上与第二电极对应的第二指区进行极化，且所述第一指区极化后的极化场方向与所述第二指区极化后的极化场方向相反。
所述透明导电薄膜为In2O3:F、In2O3:SnO2、In2O3:WO3、In2O3:MoO3、ZnO:Al或 ZnO:B导电薄膜。
所述多铁氧化物薄膜为铁酸铋薄膜或掺杂的铁酸铋薄膜。
所述掺杂的铁酸铋薄膜中所掺的杂质为Cr、Mn或La和Ni。
所述极化电极、所述第一电极和所述第二电极为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo、Ni或这些金属中的两种或两种以上的合金电极。
本发明所提供的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池是在玻璃衬底上制备透明导电薄膜，在透明导电薄膜上生长多铁氧化物薄膜，该多铁氧化物薄膜具有铁电材料的性质，因此本发明中的电池是基于铁电材料的反常光伏效应原理，即开路电压可以大于铁电材料带隙甚至远大于其带隙，例如铁酸铋（BFO）材料的带隙是2.7 eV，但是BFO光伏器件的开路电压可以达到16 V，这就打破了传统太阳能电池的理论限制。在本发明的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池中，光生载流子的分离和输运不再需要p-n结或者高低结形成的内建电场，而是被多铁氧化物薄膜内部的极化场分离和输运。极化场有一个重要特点，就是它的大小和方向随着外电压的大小和方向变化，即具有“可调控”性。因此图1所示常规IBC太阳能电池需要的两个方向相反的场，在本发明中只需要通过外加电压对多铁氧化物薄膜进行局部极化即可实现。这种情况下无需像硅太阳能电池那样进行高温扩散工艺，因此制备过程中大大降低了工艺的复杂性和制备成本。
本发明所提供的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池具有如下优点：1、突破理论局限，获得较大的开路电压；2、无需p-n结，采用极化场分离和输运电荷；3、工艺大大简化，降低了成本；4、提升太阳能电池的能量转化效率。
附图说明
图1是现有技术中IBC太阳能电池的剖面结构示意图。
图2是现有技术中IBC太阳能电池的背面结构示意图。
图3是本发明中多铁氧化物IBC太阳能电池的剖面结构示意图。
图4是本发明中多铁氧化物IBC太阳能电池的背面结构示意图。
具体实施方式
实施例1，一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池。
如图3和图4所示，本发明所提供的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池包括玻璃衬底1，在玻璃衬底1上制备有透明导电薄膜2，在透明导电薄膜2上生长有多铁氧化物薄膜3，生长多铁氧化物薄膜3时采用掩膜版遮挡住透明导电薄膜2上的部分区域，由掩膜版所遮挡住的这一部分区域为预留的极化电极区域（一般在透明导电薄膜2的边缘），透明导电薄膜2上除极化电极区域外的其他区域上均生长有多铁氧化物薄膜3。在多铁氧化物薄膜3上制备有叉指型结构电极，该叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极4和第二电极5。本发明中第一电极4和第二电极5均呈梳子状结构，两者相对设置，且两者的梳齿之间交叉排列（如图4所示）。
在透明导电薄膜2上预留的极化电极区域上制有极化电极6。极化电极6用于实现对多铁氧化物薄膜3上的相应区域进行极化。多铁氧化物薄膜3上与第一电极4对应的区域称为第一指区，多铁氧化物薄膜3上与第二电极5对应的区域称为第二指区。通过在极化电极6与第一电极4之间设置一电源（即外加一电压），可实现对多铁氧化物薄膜3上第一指区的极化；通过在极化电极6与第二电极5之间设置一电源，可实现对多铁氧化物薄膜3上第二指区的极化。本发明中对多铁氧化物薄膜3上第一指区和第二指区极化后，应满足两个指区内的极化场方向相反。这就需要在极化时满足以下两种情况中的任意一种：第一种情况，极化第一指区时，使极化电极6连接电源的正极，第一电极4连接电源的负极；极化第二指区时，使极化电极6连接电源的负极，第二电极5连接电源的正极。这种情况称为使第一指区正极化（正极化定义为外加电压正极接触透明导电薄膜2），使第二指区负极化。第一指区正极化后，第一指区内部的极化场方向向上；第二指区负极化后，第二指区内部的极化场方向向下。第二种情况与第一种情况正好相反，即：使第一指区负极化，第一指区内部的极化场方向向下；使第二指区正极化，第二指区内部的极化场方向向上，如图3所示。
本发明中透明导电薄膜2的材料可以为In2O3:F（FTO）、In2O3:SnO2（ITO）、In2O3:WO3（IWO）、In2O3:MoO3（IMO）、ZnO:Al（AZO）或ZnO:B（BZO）等。
多铁氧化物薄膜3一般为多晶多铁氧化物薄膜，多铁氧化物薄膜3的材料可以为铁酸铋（BiFeO3，简写为BFO），或者掺杂其他元素的铁酸铋，例如掺Cr的BFO（BCFO），掺Mn的BFO（BMFO），掺La和Ni的BFO（BLFNO）等。
极化电极6、第一电极4和第二电极5，这三个电极的材料可以为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo或Ni等，还可以是这些金属中的两种或两种以上形成的合金。
实施例2，一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法。
本发明所提供的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
a、选取玻璃衬底，并进行清洗。
b、采用物理气相沉积法（PVD）在玻璃衬底上制备透明导电薄膜（TCO）。透明导电薄膜可以为In2O3:F（FTO）、In2O3:SnO2（ITO）、In2O3:WO3（IWO）、In2O3:MoO3（IMO）、ZnO:Al（AZO）或ZnO:B（BZO）等导电薄膜。
c、借助于掩膜版遮挡透明导电薄膜上的部分区域，采用物理气相沉积法（PVD）或溶胶-凝胶法在透明导电薄膜上未遮挡的区域上生长多铁氧化物薄膜。多铁氧化物薄膜为铁酸铋薄膜或掺杂的铁酸铋薄膜；掺杂的铁酸铋薄膜中所掺的杂质可以为Cr、Mn或La和Ni等。透明导电薄膜上由掩膜版所遮挡的区域为预留的极化电极区域。
d、利用PVD法结合光刻技术在多铁氧化物薄膜上制备叉指型结构电极，所述叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极和第二电极。第一电极和第二电极的材料可以为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo或Ni等，也可以是这些金属中的两种或两种以上形成的合金。
e、利用PVD法结合光刻技术在透明导电薄膜的极化电极区域上制备极化电极。极化电极的材料可以为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo或Ni等，也可以是这些金属中的两种或两种以上形成的合金。
f、在极化电极和第一电极之间加一恒定电压或恒定电流，以对多铁氧化物薄膜上与第一电极对应的第一指区进行极化，极化可以为正极化（正极化后，指区内部极化场方向向上），也可以为负极化（负极化后，指区内部极化场方向向下）；正极化指外加电压正极接触极化电极，负极化指外加电压负极接触极化电极。在极化电极和第二电极之间加一恒定电压或恒定电流，以对多铁氧化物薄膜上与第二电极对应的第二指区进行极化；第二指区极化后的极化场方向与第一指区极化后的极化场方向相反。也就是说：若第一指区进行正极化，则第二指区进行负极化；若第一指区进行负极化，则第二指区进行正极化。

Claims (10)

1.一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，其特征是，包括玻璃衬底，在所述玻璃衬底上制有透明导电薄膜，在所述透明导电薄膜上生长有多铁氧化物薄膜，生长所述多铁氧化物薄膜时通过掩膜版在所述透明导电薄膜上预留有极化电极区域；在所述多铁氧化物薄膜上制有叉指型结构电极，所述叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极和第二电极；在所述透明导电薄膜的所述极化电极区域上制有极化电极；通过所述极化电极和所述第一电极可实现对所述多铁氧化物薄膜上与第一电极对应的第一指区的极化，通过所述极化电极和所述第二电极可实现对所述多铁氧化物薄膜上与第二电极对应的第二指区的极化，且所述第一指区和所述第二指区被极化后的极化场方向相反。
2.根据权利要求1所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，其特征是，所述透明导电薄膜为In2O3:F、In2O3:SnO2、In2O3:WO3、In2O3:MoO3、ZnO:Al和ZnO:B中任意一种导电薄膜。
3.根据权利要求1所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，其特征是，所述多铁氧化物薄膜为铁酸铋薄膜或掺杂的铁酸铋薄膜。
4.根据权利要求3所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，其特征是，所述掺杂的铁酸铋薄膜中所掺的杂质为Cr和Mn中的一种或为La和Ni两种。
5.根据权利要求1所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池，其特征是，所述极化电极、所述第一电极和所述第二电极为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo、Ni或这些金属中的两种以上的合金电极。
6.一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
a、选取玻璃衬底，并进行清洗；
b、采用物理气相沉积法在所述玻璃衬底上制备透明导电薄膜；
c、借助于掩膜版遮挡所述透明导电薄膜上的部分区域，采用物理气相沉积法或溶胶-凝胶法在所述透明导电薄膜上未遮挡的区域生长多铁氧化物薄膜；所述透明导电薄膜上由掩膜版所遮挡的区域为预留的极化电极区域；
d、在所述多铁氧化物薄膜上制备叉指型结构电极，所述叉指型结构电极包括交叉排列的第一电极和第二电极；
e、在所述透明导电薄膜的极化电极区域上制备极化电极；
f、通过所述极化电极和所述第一电极对所述多铁氧化物薄膜上与第一电极对应的第一指区进行极化，通过所述极化电极和所述第二电极对所述多铁氧化物薄膜上与第二电极对应的第二指区进行极化，且所述第一指区极化后的极化场方向与所述第二指区极化后的极化场方向相反。
7.根据权利要求6所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，其特征是，所述透明导电薄膜为In2O3:F、In2O3:SnO2、In2O3:WO3、In2O3:MoO3、ZnO:Al或 ZnO:B导电薄膜。
8.根据权利要求6所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，其特征是，所述多铁氧化物薄膜为铁酸铋薄膜或掺杂的铁酸铋薄膜。
9.根据权利要求8所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，其特征是，所述掺杂的铁酸铋薄膜中所掺的杂质为Cr和Mn中的一种或为La和Ni两种。
10.根据权利要求6所述的多铁氧化物叉指背接触太阳能电池的制备方法，其特征是，所述极化电极、所述第一电极和所述第二电极为Pt、Au、Ag、Al、Cu、Mo、Ni或这些金属中的两种以上的合金电极。
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