CN106169512A - 一种稀土掺杂的晶体硅、其制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。本发明通过在P型或N型晶体硅中掺杂一定量的稀土元素，能够有效提高晶体硅的光谱吸收限，将晶体硅的吸收光谱由400～1100nm左右提高至1100nm以上的波长，增加太阳光的吸收率，从而提高了太阳能电池的光电转化效率。实验结果表明，本发明中的稀土掺杂的晶体硅制成的太阳能电池的光电转化效率提升了0.1％。本发明还提供了一种稀土掺杂的晶体硅的制备方法和太阳能电池。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，尤其涉及一种稀土掺杂的晶体硅、其制备方法及太阳能电池。
背景技术
太阳能电池分为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，由于晶体硅太阳能电池具有较长的使用寿命以及相对非晶硅薄膜电池的材料制备工艺更加简单等优点，晶体硅太阳能电池逐渐成为太阳能电池市场的主流。
制作晶体硅太阳能电池主要是以晶体硅片材料为基础，其工作原理是利用晶体硅片材料吸收光能后发生光电转换反应产生电能。因此，提高晶体硅片的光电转化效率是提高晶体硅太阳能电池效率的重要途径。
现有的硅片技术中，主要是在晶体硅片中掺入硼、镓等三价元素形成P型半导体，或者是在晶体硅片中掺入磷等五价元素形成N型半导体，以提高晶体硅片的光电转化效率，但是上述两种技术方案中晶体硅片制成的太阳能电池理论效率只有28％，实际效率只有23％左右，进一步提升效率已非常困难，目前，亟需研发一种更高转化效率的晶体硅片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土掺杂的晶体硅、其制备方法及太阳能电池，本发明中的稀土掺杂的晶体硅制成的太阳能电池具有更高的光电转化效率。
本发明提供一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；
所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。
优选的，所述晶体硅为单晶硅或多晶硅。
优选的，所述稀土元素为钍和铈、钍和镱、镱和铈、或者为铒和钍。
优选的，所述稀土元素的掺杂量为10ppba～100ppba。
优选的，所述P型晶体硅中硼和/或镓的掺杂浓度为1×1015cm-3～2×1017cm-3；
所述N型晶体硅中磷的掺杂浓度为1×1015cm-3～2×1017cm-3。
本发明提供一种稀土掺杂的晶体硅的制备方法，包括以下步骤：
A)将稀土元素与硅料混合，熔融后进行晶体生长，得到晶体硅锭；
所述硅料为N型晶体硅料或P型晶体硅料，所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba；
B)将晶体硅锭在1000～1370℃下退火0.5～5小时，得到稀土掺杂的晶体硅。
优选的，所述步骤B)中退火的温度为1100～1350℃。
优选的，所述步骤B)中退火的时间为1～4小时。
优选的，所述步骤A)中熔融的温度为1500～1600℃。
本发明提供一种太阳能电池，包括顶板、粘结层、晶体硅片和背板；
所述晶体硅片由上文所述的稀土掺杂的晶体硅切片得到。
本发明提供一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。本发明通过在P型或N型晶体硅中掺杂一定量的稀土元素，能够有效提高晶体硅的光谱吸收限，将晶体硅的吸收光谱由400～1100nm左右提高至1100nm以上的波长，增加太阳光的吸收率，从而提高了太阳能电池的光电转化效率。实验结果表明，本发明中的稀土掺杂的晶体硅制成的太阳能电池的光电转化效率提高了0.1％以上，吸收的波长范围为400～1400nm。
具体实施方式
本发明提供了一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；
所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。
在本发明中，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅，所述晶体硅可以是单晶硅也可以是多晶硅，本发明对所述P型晶体硅中硼和/或镓的掺杂量没有特殊的限制，优选为1×1015cm-3～2×1017cm-3，更优选为5×1015cm-3～1×1017cm-3，最优选1×1016cm-3～5×1016cm-3；本发明对所述N型晶体硅中磷的含量没有特殊的限制，优选为1×1015cm-3～2×1017cm-3，更优选为2×1015cm-3～1×1016cm-3，最优选为3×1015cm-3～5×1015cm-3。在本发明中，所述晶体硅优选为晶体硅片。
在本发明中，所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种，更优选为钍和铈、钍和镱、镱和铈、或者为铒和钍；当所述稀土元素为其中的两种时，这两种稀土元素的质量比优选为1∶10～10:1，更优选为1∶8～8:1，最优选为1:5～5:1；所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba；优选为10ppba～100ppna，更优选为20ppba～80ppba，具体的，在本发明的实施例中，可以是1ppba。
本发明中的稀土掺杂的晶体硅的光谱吸收限为400～1400nm，优选为1100nm以上，本发明将晶体硅的光谱吸收限提高到了1100nm以上，增加太阳光的吸收率，从而提高了太阳能电池的光电转化效率。。
本发明还提供了一种稀土掺杂的晶体硅的制备方法，包括以下步骤：
A)将稀土元素与硅料混合，熔融后进行晶体生长，得到晶体硅锭；
所述硅料为N型晶体硅料或P型晶体硅料，所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba；
B)将晶体硅锭在1000～1370℃下退火0.5～5小时，得到稀土掺杂的晶体硅。
本发明将稀土元素与硅料混合，熔融后进行晶体生长，得到晶体硅锭，在本发明中，所述硅料优选为N型晶体硅或P型晶体硅，所述N型晶体硅或P型晶体硅中磷、镓、硼的掺杂量与上文中N型晶体硅或P型晶体硅磷、镓、硼的掺杂量一致，在此不再赘述。所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种，更优选为钍和铈、钍和镱、镱和铈、或者为铒和钍；所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba；优选为10ppba～100ppna，更优选为20ppba～80ppba，具体的，在本发明的实施例中，可以是1ppba。
在本发明中，所述熔融的温度优选为1500～1600℃，更优选为1530～1580℃，最优选为1550～1560℃；本发明对所述熔融的时间没有特殊的限制，能够将所述硅料和稀土元素全部熔化且混合均匀即可。
本发明对所述晶体生长的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员常用的晶体生长的方法即可，在本发明中，需要生长单晶硅时，可采用拉制的方法进行单晶硅的生长，需要生长多晶硅时，可采用铸锭定向生长的方法进行多晶硅的生长。
在本发明中，所述拉晶生长单晶硅的工艺优选如下：通过1500℃～1600℃下熔融，并降温至1430℃左右等径，拉晶结束后单晶棒随炉冷却，出炉。所述铸锭定向生长的工艺优选如下：通过1500℃～1600℃下熔融，并降温至1430℃左右定向长晶，长晶结束后退火冷却，出炉。
得到晶体硅锭后，本发明将晶体规定进行退火，得到稀土掺杂的晶体硅，在本发明中，所述退火的温度为1000～1370℃，优选为1100～1350℃，更优选为1200～1300℃，具体的，在本发明的实施例中，可以是1200℃；所述退火的时间优选为0.5～5小时，更优选为1～4小时，最优选为2～3小时，具体的，在本发明的实施例中，可以是2小时。
本发明还提供了一种太阳能电池，包括顶板、粘结层、晶体硅片和背板；
所述晶体硅片由上文所述的制备方法制得的稀土掺杂的晶体硅切片得到。
在本发明中，所述顶板、粘结层和背板均采用本领域技术人员常用的顶板、粘结层和背板即可，本发明对此没有特殊的限制，在本发明中，所述晶体硅片为上文所述的稀土掺杂的晶体硅切片得到，本发明优选将所述晶体硅片焊接制成硅片串，即电池串，本发明对所述电池串中晶体硅片的个数没有特殊的限制，根据实际需求选择合适的个数即可。本发明对所述晶体硅的尺寸没有特殊的限制。
本发明优选将上文中的稀土掺杂的晶体硅切片，然后将若干个晶体硅片焊接形成电池串，将顶板、粘结层、电池串和背板依次堆叠好好进行层压，即得到太阳能电池。
本发明提供一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。本发明通过在P型或N型晶体硅中掺杂一定量的稀土元素，能够有效提高晶体硅的光谱吸收限，将晶体硅的吸收光谱由400～1100nm左右提高至1100nm以上的波长，增加太阳光的吸收率，从而提高了太阳能电池的光电转化效率。实验结果表明，本发明中的稀土掺杂的晶体硅制成的太阳能电池的光电转化效率提升0.1％以上。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种稀土掺杂的晶体硅、其制备方法及太阳能电池进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将1g铒与800kgP型晶体硅混合，在1500℃下熔融，将熔融的混合硅料在1420℃下进行晶体生长，得到多晶硅锭；
将多晶硅锭在1000℃下退火1小时，得到晶体硅片。
本发明将本实施例的晶体硅片制成太阳能电池，并对太阳能电池的光电转换效率进行测试，结果表明，本实施例得到的太阳能电池的光电转化效率提升了0.1％，吸收的波长范围为400～1400nm。
实施例2
将2g钍与1000kgN型晶体硅混合，在1600℃下熔融，将熔融的混合硅料在1430℃下进行晶体生长，得到多晶硅锭；
将多晶硅锭在1200℃下退火1小时，得到晶体硅片。
本发明将本实施例的晶体硅片制成太阳能电池，并对太阳能电池的光电转换效率进行测试，结果表明，本实施例得到的太阳能电池的光电转化效率提升了0.1％，吸收的波长范围为400～1400nm。
实施例3
将0.1g钍、0.9g铈与800kgP型晶体硅混合，在1500℃下熔融，将熔融的混合硅料在1430℃下进行晶体生长，得到多晶硅锭；
将多晶硅锭在1200℃下退火1小时，得到晶体硅片。
本发明将本实施例的晶体硅片制成太阳能电池，并对太阳能电池的光电转换效率进行测试，结果表明，本实施例得到的太阳能电池的光电转化效率提升了0.2％，吸收的波长范围为400～1400nm。
实施例4
将0.5g钍、0.8g镱与900kgN型晶体硅混合，在1600℃下熔融，将熔融的混合硅料在1420℃下进行晶体生长，得到多晶硅锭；
将多晶硅锭在1350℃下退火2小时，得到晶体硅片。
本发明将本实施例的晶体硅片制成太阳能电池，并对太阳能电池的光电转换效率进行测试，结果表明，本实施例得到的太阳能电池的光电转化效率提升了0.2％，吸收的波长范围为400～1400nm。
实施例5
将0.5g铒、0.5g钍与800kgN型晶体硅混合，在1600℃下熔融，将熔融的混合硅料在1430℃下进行晶体生长，得到多晶硅锭；
将多晶硅锭在1350℃下退火2小时，得到晶体硅片。
本发明将本实施例的晶体硅片制成太阳能电池，并对太阳能电池的光电转换效率进行测试，结果表明，本实施例得到的太阳能电池的光电转化效率为0.2％，吸收的波长范围为400～1400nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种稀土掺杂的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为N型晶体硅或P型晶体硅；
所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba。
2.根据权利要求1所述的晶体硅，其特征在于，所述晶体硅为单晶硅或多晶硅。
3.根据权利要求1所述的晶体硅，其特征在于，所述稀土元素为钍和铈、钍和镱、镱和铈、或者为铒和钍。
4.根据权利要求1所述的晶体硅，其特征在于，所述稀土元素的掺杂量为10ppba～100ppba。
5.根据权利要求4所述的晶体硅，其特征在于，所述P型晶体硅中硼和/或镓的掺杂浓度为1×1015cm-3～2×1017cm-3；
所述N型晶体硅中磷的掺杂浓度为1×1015cm-3～2×1017cm-3。
6.一种稀土掺杂的晶体硅的制备方法，包括以下步骤：
A)将稀土元素与硅料混合，熔融后进行晶体生长，得到晶体硅锭；
所述硅料为N型晶体硅料或P型晶体硅料，所述稀土元素为铒、钍、铈、镱和铥中的一种或几种；
所述稀土元素的掺杂量为0.01ppba～1000ppba；
B)将晶体硅锭在1000～1370℃下退火0.5～5小时，得到稀土掺杂的晶体硅。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中退火的温度为1100～1350℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中退火的时间为1～4小时。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A)中熔融的温度为1500～1600℃。
10.一种太阳能电池，包括顶板、粘结层、晶体硅片和背板；
所述晶体硅片由权利要求1～5任意一项所述的稀土掺杂的晶体硅或权利要求6～9任意一项所述的制备方法制得的稀土掺杂的晶体硅切片得到。
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