CN105932080A - 异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池领域，具体公开了一种异质结太阳能电池，其包括晶体硅片，依次位于晶体硅片的一侧上的第一选择层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于另一侧的第二电极；晶体硅片为N型，第一选择层为空穴选择性接触层，其功函数≥5.3eV；或，晶体硅片为P型，第一选择层为电子选择性接触层，其功函数≤3.9eV。上述异质结太阳能电池，由于采用第一选择层在晶体硅片近表面形成PN结，代替非晶硅‑晶体硅异质结结构，从而取消了非晶硅，因此也避免了非晶硅造成的缺陷。另外，满足第一选择层的材料众多，选择多。本发明还公开了一种电池的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，基于同质PN结的晶体硅太阳电池在光伏市场中占据主导地位。但常规晶体硅电池的效率提升已接近极限。早在1985年，美国科学家E.Yablonovitch就提出，同质PN结并不是太阳电池的理想结构。理想结构应该为异质结结构。异质结太阳能电池理论上可获得更低的反向饱和电流，更高的开路电压和光电转化效率。另外，异质结的形成在低温下可实现，不需要常规晶体硅太阳能电池形成同质PN结的高温(～900℃)扩散工艺。因而，其生产流程可以大大简化且能量投入降低。同时，低温工艺将使生产过程作用于硅片的热损伤和热变形减小，对硅片的纯度要求降低，且允许使用更薄的硅片为衬底。这些特点使得异质结太阳电池的生产成本有较大的下降空间。
目前，异质结太阳能电池一般采用非晶硅-晶体硅的异质结结构，即掺杂非晶硅与晶体硅片构成PN结。然而，该类型的异质结太阳能电池中，由于掺杂非晶硅具有一定的局限性；例如非晶硅对光的吸收能力较强，使得进入晶体硅的有效入射光减少，造成较大的光学损失。因此，亟需一种取代非晶硅异质结结构的异质结太阳能电池。
发明内容
基于此，有必要针对现有的异质结太阳能电池中异质结中的非晶硅局限性的问题，提供一种取代非晶硅的异质结结构的异质结太阳能电池。
一种异质结太阳能电池，包括：晶体硅片，依次位于所述晶体硅片的一侧上的第一选择层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于所述晶体硅片的另一侧的第二电极；
其中，所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一选择层为空穴选择性接触层，所述第一选择层的功函数大于等于5.3eV；
或，
所述晶体硅片为P型晶体硅片，所述第一选择层为电子选择性接触层，所述第一选择层的功函数小于等于3.9eV。
本发明提供了一种新型的异质结太阳能电池，由于采用第一选择层，在晶体硅片近表面形成PN结，代替非晶硅-晶体硅异质结结构，从而取消了非晶硅，因此也避免了非晶硅造成的局限，例如非晶硅光吸收而造成的光损失。本发明的异质结太阳能电池，采用第一选择层，且由于第一选择层与晶体硅片的功函数相差较大，使得晶体硅片的表面发生很大的能带弯曲，进而在晶体硅片的表面形成反型层或积累层，获得电子或空穴选择性接触；选择性接触可以有效抑制电子空穴的复合，使得电池可以获得较高的开路电压。另外，满足第一选择层的材料众多，可以有多种选择，从而还克服了非晶硅材料选择单一的缺陷。
在其中一个实施例中，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第一选择层与所述晶体硅片之间的第一钝化层。
在其中一个实施例中，所述第一钝化层为本征非晶硅或非化学计量的硅氧化合物。
在其中一个实施例中，所述第一钝化层的厚度为1～3nm。
在其中一个实施例中，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述晶体硅片之间的第二选择层；
当所述第一选择层为空穴选择性接触层时，所述第二选择层为电子选择性接触层；
当所述第一选择层为电子选择性接触层时，所述第二选择层为空穴选择性接触层。
在其中一个实施例中，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二选择层与所述晶体硅片之间的第二钝化层。
在其中一个实施例中，所述空穴选择性接触层选自非化学计量的钼氧化合物或非化学计量的钨氧化合物；所述电子选择性接触层选自金属卤化物，所述金属卤化物中的金属选自碱金属和碱土金属中的一种或几种。
在其中一个实施例中，所述空穴选择性接触层的厚度为5～10nm；所述电子选择性接触层的厚度为1～3nm。
本发明还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法。
一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一选择层；当所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一选择层为空穴选择性接触层，所述第一选择层的功函数大于等于5.3eV；当所述晶体硅片为P型晶体硅片，所述第一选择层为电子选择性接触层，所述第一选择层的功函数小于等于3.9eV；
在所述第一选择层上形成第一透明导电层；
在所述第一透明导电层上形成第一电极；
在所述晶体硅片的另一侧形成第二电极。
上述制备方法，可克服现有异质结太阳能电池非晶硅所带来的缺陷。另外，其工艺容易控制，产能大，有利于异质结太阳能电池的工业化大规模生产。
在其中一个实施例中，所述空穴选择性接触层采用等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、或热蒸发沉积法形成；所述电子选择性接触层采用热蒸发沉积法形成。
附图说明
图1为本发明一实施例的异质结太阳能电池的结构示意图。
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，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，本发明一实施例的异质结太阳能电池100，包括：晶体硅片110，依次位于晶体硅片110的一侧(图1中的上侧)上的第一钝化层121、第一选择层131、第一透明导电层151、及第一电极161；以及依次位于晶体硅片110的另一侧(图1中的下侧)的第二钝化层122、第二选择层132、第二透明导电层152、及第二电极162。
在本发明中，第一选择层131在晶体硅片110近表面形成PN结。晶体硅片110与第二选择层132构成加强电场。通过加强电场可以进一步提高异质结太阳能电池100的开路电压。当然，可以理解的是，也可以不设加强电场，也就是说不设第二选择层132。
在本实施例中，晶体硅片110为N型晶体硅片(n-c-Si)，对应地，第一选择层131为空穴选择性接触层，第二选择层132为电子选择性接触层。第一选择层131的功函数较高(大于等于5.3eV)，当其与比其功函数低很多的晶体硅片110接触时，可以在晶体硅片110靠近第一选择层131的表面引入P型反型层，排斥电子，成为空穴选择性接触。第二选择层132的功函数较低(小于等于3.9eV)，当其与比其功函数高很多的晶体硅片110接触时，可以在晶体硅片110靠近第二选择层132的表面引入积累层，排斥空穴，成为电子选择性接触。
当然，可以理解的是，并不局限于上述形式，本发明的异质结太阳能电池中，还可以是晶体硅片110为P型晶体硅片(p-c-Si)，对应地，第一选择层131为电子选择性接触层，其功函数小于等于3.9eV，第二选择层132为空穴选择性接触层，其功函数大于等于5.3eV。同理地，在晶体硅片110的两侧表面分别引入积累层和N型反型层，进而分别形成空穴选择性接触及电子选择性接触。
在本实施例中，晶体硅片110采用N型晶体硅片(n-c-Si)，可使异质结太阳能电池100的性能更加优越，能够克服采用P型的电池光致衰退现象，另外，其高效复合中心的密度远低于P型，使得电子具有更高的寿命及扩散长度。具体地，晶体硅可以是单晶硅或多晶硅。更具体地，本实施例的晶体硅片110为N型单晶硅片。
具体地，晶体硅片110的厚度一般小于200μm。优选地，晶体硅片110的厚度为100～200μm。这样既可以节约硅材料的使用，进而降低成本；又可以提高工艺稳定性。
优选地，晶体硅片110的表面为绒面；也就是说，对晶体硅进行制绒。这样可以减小电池表面的反射，使得更多的光子能够被晶体硅片110吸收；同时还具有能够去除晶体硅表面损伤的作用。在本实施例中，绒面为金字塔形状绒面，这样更有利于光线斜射到晶体硅片110的内部，降低电池表面的光的反射率，使得光程变大，吸收的光子数量变多。
优选地，空穴选择性接触层选自非化学计量的钼氧化合物(MoOx)或非化学计量的钨氧化合物(WOX)。上述材料不需要进行掺杂且具有远大于非晶硅的禁带宽度，其透光性远优于掺杂非晶硅，更进一步减低光学损失。
优选地，电子选择性接触层选自金属卤化物，其中金属选自碱金属和碱土金属中的一种或几种。更优选地，电子选择性接触层选自氟化锂LiF或氟化铯CsF。同样地，上述材料也不需要进行掺杂且具有远大于非晶硅的禁带宽度，其透光性远优于掺杂非晶硅，更进一步减低光学损失。
其中，第一钝化层121的作用是，使晶体硅片110靠近第一钝化层121一侧的表面发生有效的能带弯曲，使晶体硅片110的界面态密度得到有效的控制，避免晶体硅片110的表面费米能级钉扎。
优选地，第一钝化层121的厚度为1～3nm。这样即可以使异质结太阳能电池具有较高的开路电压，同时减少第一钝化层121对光的吸收，同时降低电池电阻，提高填充因子。
在本实施例中，第一钝化层121为本征非晶硅(a-Si:H)层。当然，可以理解的是，本发明的第一钝化层121并不局限于此，还可以是其他材料制成，例如第一钝化层121为非化学计量的硅氧化合物(SiOx)。
同理，第二钝化层122的作用是，使晶体硅片110靠近第二钝化层122一侧的表面发生有效的能带弯曲，使晶体硅片110的界面态密度得到有效的控制，避免晶体硅片110的表面费米能级钉扎。
优选地，第二钝化层122的厚度为1～3nm。这样即可以使异质结太阳能电池具有较高的开路电压，同时减少第二钝化层122对光的吸收，同时降低电池电阻，提高填充因子。
在本实施例中，第二钝化层122为本征非晶硅(a-Si:H)层。当然，可以理解的是，本发明的第二钝化层122并不局限于此，还可以是其他材料制成，例如第二钝化层122为非化学计量的硅氧化合物(SiOx)。可以理解的是，第二钝化层122的材料可以与第一钝化层121的材料相同，也可以不相同。
当然，可以理解的是，本发明也可以不设置第二钝化层122。
在本实施例中，第一电极161为正电极，第二电极162为背电极。具体地，第一电极161及第二电极162均为格栅状，一般通过丝网印刷形成。
其中，第一透明导电层151的作用是，提高第一选择层131与第一电极161导电性能，有效地增加载流子的收集。在本发明中，第一透明导电层151为透明导电氧化物，透明导电氧化物选自氧化铟锡ITO或掺钨氧化铟IWO。具体地，在本实施例中，第一透明导电层151为氧化铟锡。
优选地，第一透明导电层151的厚度为70～80nm。这样其电学性能和光学性能更优。
其中，第二透明导电层152的作用是，提高第二选择层132与第二电极162导电性能，有效地增加载流子的收集。优选地，第二透明导电层152的厚度为100～200nm。这样其电学性能和光学性能更优。
在本实施例中，第二透明导电层152与第一透明导电层151的材料相同。这样可以进一提高光能的利用。当然，第二透明导电层152也可以与第一透明导电层151的材料不相同。当然，可以理解的是，第二透明导电层152还可以是掺钨氧化铟(IWO)层，亦或是氧化氟锡(FTO)层。亦或本发明也可以不设置第二透明导电层152，亦或设置不透明的导电层。
在本实施例中，异质结太阳能电池100基本呈对称结构，这样可以减少生产过程中热应力和机械应力，同时有利于晶体硅片110的减薄发展。另外，两面均可以吸收光线使发电量增加。
本发明所提供的异质结太阳能电池，由于采用第一选择层在晶体硅片近表面形成PN结，代替非晶硅-晶体硅异质结结构，从而取消了非晶硅，因此也避免了非晶硅造成的缺陷，例如非晶硅光吸收而造成的光损失。本发明的异质结太阳能电池，采用第一选择层，且由于第一选择层与晶体硅片的功函数相差较大，使得晶体硅片的表面发生很大的能带弯曲，进而在晶体硅片的表面形成反型层或积累层，获得电子或空穴选择性接触。选择性接触可以有效抑制电子空穴的复合，使得电池可以获得较高的开路电压。另外，满足第一选择层的材料众多，可以有多种选择，从而还克服了非晶硅材料选择单一的缺陷。
本发明还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法。
一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一选择层；当所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一选择层为空穴选择性接触层，所述第一选择层的功函数大于等于5.3eV；当所述晶体硅片为P型晶体硅片，所述第一选择层为电子选择性接触层，所述第一选择层的功函数小于等于3.9eV；
在所述第一选择层上形成第一透明导电层；
在所述第一透明导电层上形成第一电极；
在所述晶体硅片的另一侧形成第二电极。
其中，为了提高异质结太阳能电池的性能，优选地，首先对晶体硅片进行制绒和清洗步骤。其中，制绒方式可以采用湿法制绒或干法制绒；湿法制绒一般使用一定配比的碱性溶液(例如：KOH、NaOH、四甲基氢氧化胺等)进行一定时间的各向异性腐蚀；干法制绒一般是通过光刻掩膜板得到图形再使用反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)进行刻蚀(主要通过C2H4和SF6)；干法制绒也可在没有掩膜的情况下可以通过机器进行反应离子刻蚀(RIE)，使用气体为SF6和O2。对晶体硅片制绒之后需要进行清洗步骤，清洗的主要作用在于去除制绒后残余在晶体硅片表面的金属离子和晶体硅片表面形成的自然氧化膜。另外，在清洗时，用于去除晶体硅片表面氧化膜的化学液体还能够起到对晶体硅片部分钝化的作用。对于晶体硅片的清洗，可以采用化学清洗，例如：使用RCA洗液(碱性和酸性过氧化氢溶液)，碱性过氧化氢溶液，配比可以是，H2O:H2O2:NH4OH＝5:1:1-5:2:1；酸性过氧化氢溶液，配比可以是，H2O:H2O2:HC1＝6:1:1-8:2:1；RCA洗液使用条件为：75℃-85℃，清洗时间10-20分钟，清洗顺序先使用碱性过氧化氢溶液后在使用酸性过氧化氢溶液。
为了提高异质结太阳能电池的性能，本实施例的异质结太阳能电池还包括第一钝化层、第二钝化层、第二选择层、及第二透明导电层等。
优选地，第一钝化层、第二钝化层形成采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)。当然，可以理解的是，并不局限于上述方式，还可以是热丝化学气相沉积法(HWCVD，Hot wireChemical Vapor Deposition)或者高频等离子体增强化学气相沉法(VHF-PECVD)、亦或其他制备方法。当第一钝化层及第二钝化层为非化学计量的硅氧化合物时，还可以采用浓硝酸氧化生长的方式形成。更优选地，浓硝酸的浓度为68wt％，浸泡时间为1～3min。
其中，空穴选择性接触层优选采用等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、或热蒸发沉积法形成。电子选择性接触层优选采用热蒸发沉积法形成。
优选地，第一透明导电层、第二透明导电层通过反应等离子沉积(RPD)形成。在形成第一透明导电层、第二透明导电层时，优选地同时通入氩气与氧气，且氧气/氩气比为2.5。
优选地，第一电极、第二电极通过丝网印刷低温银浆料形成，其中烘干温度为100℃，烧结温度为200℃。
本发明所提供的制备方法，可克服现有异质结太阳能电池非晶硅所带来的缺陷。另外，其工艺容易控制，产能大，有利于异质结太阳能电池的工业化大规模生产。
上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种异质结太阳能电池，其特征在于，包括：晶体硅片，依次位于所述晶体硅片的一侧上的第一选择层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于所述晶体硅片的另一侧的第二电极；
其中，所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一选择层为空穴选择性接触层，所述第一选择层的功函数大于等于5.3eV；
或，
所述晶体硅片为P型晶体硅片，所述第一选择层为电子选择性接触层，所述第一选择层的功函数小于等于3.9eV。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第一选择层与所述晶体硅片之间的第一钝化层。
3.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一钝化层选自本征非晶硅或非化学计量的硅氧化合物。
4.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一钝化层的厚度为1～3nm。
5.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述晶体硅片之间的第二选择层；
当所述第一选择层为空穴选择性接触层时，所述第二选择层为电子选择性接触层；
当所述第一选择层为电子选择性接触层时，所述第二选择层为空穴选择性接触层。
6.根据权利要求5所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二选择层与所述晶体硅片之间的第二钝化层。
7.根据权利要求1-6任一项所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述空穴选择性接触层选自非化学计量的钼氧化合物或非化学计量的钨氧化合物；所述电子选择性接触层选自金属卤化物，所述金属卤化物中的金属选自碱金属和碱土金属中的一种或几种。
8.根据权利要求1-6任一项所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述空穴选择性接触层的厚度为5～10nm；所述电子选择性接触层的厚度为1～3nm。
9.一种权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一选择层；当所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一选择层为空穴选择性接触层，所述第一选择层的功函数大于等于5.3eV；当所述晶体硅片为P型晶体硅片，所述第一选择层为电子选择性接触层，所述第一选择层的功函数小于等于3.9eV；
在所述第一选择层上形成第一透明导电层；
在所述第一透明导电层上形成第一电极；
在所述晶体硅片的另一侧形成第二电极。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述空穴选择性接触层采用等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、或热蒸发沉积法形成；所述电子选择性接触层采用热蒸发沉积法形成。
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