CN106206826B - 一种高效异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种高效异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效异质结太阳能电池及其制备方法。一种高效异质结太阳能电池，其包括晶硅层、非晶硅层、热处理硅区，所述高效异质结太阳能电池的下层为所述晶硅层，所述的高效异质结太阳能电池的上层为所述非晶硅层，在所述非晶硅层上，夹杂有热处理硅区。所述热处理硅区为薄片状，在所述非晶硅层表面投影形成的图像为平行线型、圆形、矩阵型或其他图形。本发明还公开了该高效异质结太阳能电池的制备方法。本发明的高效异质结太阳能光伏电池，消除非晶硅的衰减，消除非晶硅中光生载流子的无效复合，大幅度提高光伏效率。

Description

一种高效异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及高效利用太阳能的光伏电池领域，尤其是一种高效异质结太阳能光伏电池及其制备方法。
背景技术
能源是人类生存、发展的基础。传统能源存在不可再生、环境污染等问题，因此再生能源成为人类追求。太阳可为人类提供无限能源，高效利用太阳能，需要提高太阳能电池的发电效率并降低太阳能发电成本。超高效太阳能电池特别是具有产业化前景的超高效太阳能电池一直是产业关注的热点，也是太阳能发电系统应用时极为关注的热点。随着Sunpower背接触高效电池(发电效率达25％)、低倍聚光技术的发展、松下异质结高效电池的发展，高效电池的规模化应用受到极大地关注。目前的太阳能电池市场仍然以晶硅电池为主，高效太阳能电池的研究也主要围绕着晶硅电池展开，经过产业界几十年的不懈努力，晶硅电池的效率不断攀升，实验室效率已经逐渐逼近了晶硅电池的理论极限(30％的Schockley-Quiesser极限)。国内近几年发展十分迅速，常规晶体硅规模化量产水平已达19.5-20.5％(单晶硅)。针对目前常规晶体硅电池而言，平均转换效率每提高0.1％都面临着极大的困难，但即便这样晶体硅电池效率还在不断地提升。因此，进一步提高光伏效率是降低成本、提高效率的核心，是降低太阳能发电成本亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效异质结太阳能电池及其制备方法。
本发明提供一种高效异质结太阳能电池。该高效异质结太阳能电池的底层为晶硅层，上层为非晶硅层，在非晶硅电池中间，利用激光束、电子束或离子束等点状高能量密度能量发射源，进行线性结晶化热处理，形成线性、薄片状热处理硅区。所形成的热处理硅区构成的图形可以是平行直线型、矩阵型、圆形或其他形状。热处理硅区与热处理硅区之间的间距约为10mm左右，热处理硅区的粗细在几微米到几毫米之间。
本发明的晶硅层从光入射面到底部的组成依次为：银电极栅网、氮化硅减反射膜、n型掺杂层、p型衬底、铝背接触层、背面银电极，其中的入射光面经过制绒处理得到制绒区。
可以在晶硅层上面直接沉积非晶硅膜得到异质结电池，也可以在部分晶硅工艺基础上沉积非晶硅膜得到异质结电池。可以减少的晶硅工艺包括：a、制绒，b、银电极栅网，c、减反射膜，d、n型扩散层，e、铝背接触层；这些工序可以部分或全部去除，相应的在非晶硅工艺及其后的处理过程中添加所需的工艺过程。
晶硅层为p型衬底、n型掺杂，实际应用中也可以是n型衬底、p型掺杂，相应的扩散层为p型掺杂。
非晶硅层结构如图3所示，晶硅层作为非晶硅膜的基片；当透光面为非晶硅电池时，非晶硅电池工艺中的镀Al膜、NiV薄膜工艺不再需要；在非晶硅层中，根据晶硅基片的特性，其中的P型掺杂非晶硅膜与n型掺杂非晶硅膜可以互换。制备过程中，在晶硅层与沉积本征非晶硅膜之间，可以不沉积p型掺杂的非晶硅膜、以及透明导电膜；
当所用的晶硅层没有进行制绒时，需要在非晶硅工艺、沉积TCO薄膜后，对该薄膜进行绒化处理。
当所用的晶硅层在光入射面制备有电极栅网时，可以在非晶硅工艺过程中，不再沉积透明导电膜。
如果晶硅层没有铝背接触层，可以在背面沉积上述完整非晶硅膜，实现三异质结，进一步提高光伏转换效率。
完成非晶硅镀膜工艺得到n型掺杂非晶硅膜之后，利用点源电子束、激光束或离子束进行表面线条形热处理，使得表面被处理的非晶硅部分形成热处理硅线，获得如图1所示的本发明的高效异质结太阳能电池。
本发明的高效异质结太阳能电池的制备过程如下所述。n型单晶硅片，经过制绒处理得到制绒区，作为非晶硅电池的基片。在经过制绒处理的表面上，利用PECVD沉积本征半导体硅膜、及P型硅膜。利用聚焦斑点为100微米的电子枪，在该电池片上，线性扫描得到热处理硅区3，线宽为10mm。对上述经过电子束扫描的电池片，利用磁控溅射技术沉积透明导电薄膜。对没有经过制绒处理的表面，利用PECVD沉积本征非晶硅膜、n型非晶硅膜，利用磁控溅射沉积透明导电膜、Al膜、NiV膜。利用丝网印刷在透明导电膜表面制备银栅线电极。
沉积了透明导电膜的电池片表面，利用超声焊接机在NiV膜表面焊接导电电极，从而制备成高效异质结太阳能电池。
获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池的方式分别如下。
P型单晶硅片，表面扩散、制绒、钝化；进一步沉积透明导电薄膜、沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
P型单晶硅片，表面扩散、制绒，沉积TCO膜，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
P型单晶硅片，表面扩散制绒，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
P型单晶硅片，表面扩散，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜，进行制绒处理；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
P型单晶硅片，表面制绒，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
P型单晶硅片，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜并进行制绒处理；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
利用N型单晶或多晶硅片替代P型单晶硅片，在沉积非晶硅过程中，将p-i-n沉积过程反转，同样得到高效异质结太阳能电池。可以利用真空镀膜的方法，替代丝网印刷电极。
本发明的高效异质结太阳能光伏电池，具有下列优点，消除非晶硅的衰减，消除非晶硅中光生载流子的无效复合，大幅度提高光伏效率。
附图说明
图1为本发明异质结太阳能电池主体结构；
图2为本发明的一种晶硅电池结构；
图3为本发明的一种非晶硅电池的结构；
图4为本发明的一种异质结电池结构；
附图标记：
晶硅层1、非晶硅层2、热处理硅区3、正面电极栅线11、钝化层12、n(P)扩散层13、P(n)型晶硅14、铝背接触扩散层15、背面电极16、制绒区17、晶硅电池21、TCO膜22、P型掺杂非晶硅膜23、本征非晶硅膜24、n型掺杂非晶硅膜25、TCO膜26、Al膜27、NiV薄膜28。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
结合附图1-4，本发明的具体实施方式阐述如下。
本发明的高效异质结太阳能电池的结构如图1所示。该高效异质结太阳能电池底层为晶硅层1，上层为非晶硅层2，在非晶硅电池中间，利用激光束、电子束或离子束等点状高能量密度能量发射源，进行线性结晶化热处理，形成线性、薄片状热处理硅区3。所形成的热处理硅区3构成的图形可以是平行直线型、矩阵型、圆形或其他形状。热处理硅区与热处理硅区之间的间距约为10mm左右，热处理硅区3的粗细在几微米到几毫米之间。
本发明的晶硅层1的结构如图2所示，晶硅层1从光入射面到底部的组成依次为：银电极栅网11、氮化硅减反射膜12、n型掺杂层13、p型衬底14、铝背接触层15、背面银电极16，其中的入射光面经过制绒处理得到制绒区17。
可以在晶硅层1上面直接沉积非晶硅膜得到异质结电池，也可以在部分晶硅工艺基础上沉积非晶硅膜得到异质结电池。可以减少的晶硅工艺包括：a、制绒，b、银电极栅网，c、减反射膜，d、n型扩散层，e、铝背接触层；这些工序可以部分或全部去除，相应的在非晶硅工艺及其后的处理过程中添加所需的工艺过程。
图2中的晶硅层1为p型衬底、n型掺杂，实际应用中也可以是n型衬底、p型掺杂，相应的扩散层13为p型掺杂。
非晶硅层2结构如图3所示，晶硅层1作为非晶硅膜的基片21；当透光面为非晶硅电池时，非晶硅电池工艺中的镀Al膜27、NiV薄膜28工艺不再需要；在非晶硅层2中，根据晶硅基片21的特性，其中的P型掺杂非晶硅膜23与n型掺杂非晶硅膜25可以互换。制备过程中，在晶硅层1与沉积本征非晶硅膜24之间，可以不沉积p型掺杂的非晶硅膜23、以及透明导电膜22；
当所用的晶硅层1没有进行制绒时，需要在非晶硅工艺、沉积TCO薄膜26后，对该薄膜进行绒化处理。
当所用的晶硅层1在光入射面制备有电极栅网11时，可以在非晶硅工艺过程中，不再沉积透明导电膜22。
如果晶硅层1没有铝背接触层15，可以在背面沉积上述完整非晶硅膜2，实现三异质结，进一步提高光伏转换效率。
完成非晶硅镀膜工艺得到n型掺杂非晶硅膜25之后，利用点源电子束、激光束或离子束进行表面线条形热处理，使得表面被处理的非晶硅部分形成热处理硅线，从而获得如图1所示的异质结太阳能电池结构。
实施例一
n型单晶硅片14，经过制绒处理得到制绒区17，作为非晶硅电池的基片21。在经过制绒处理的表面上，利用PECVD沉积本征半导体硅膜24、及P型硅膜23。利用聚焦斑点为100微米的电子枪，在该电池片上，线性扫描得到热处理硅区3，线宽为10mm。
对上述经过电子束扫描的电池片，利用磁控溅射技术沉积透明导电薄膜26。
对没有经过制绒处理的表面，利用PECVD沉积本征非晶硅膜24、n型非晶硅膜25，利用磁控溅射沉积透明导电膜26、Al膜27、NiV膜28。
利用丝网印刷在透明导电膜26表面制备银栅线电极11。
沉积了透明导电膜的电池片表面，利用超声焊接机在NiV膜28表面焊接导电电极16，从而制备成高效异质结太阳能电池。
获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池的方式分别如下。
方式一：P型单晶硅片，表面扩散、制绒、钝化；进一步沉积透明导电薄膜、沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
方式二：P型单晶硅片，表面扩散、制绒，沉积TCO膜，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
方式三：P型单晶硅片，表面扩散制绒，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
方式四：P型单晶硅片，表面扩散，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜，进行制绒处理；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
方式五：P型单晶硅片，表面制绒，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
方式六：P型单晶硅片，沉积P型非晶硅、沉积i型硅膜、沉积n型非晶硅；利用电子束或激光束等高能量点状能量源以一定图案，比如平行线型、矩阵型扫描非晶硅表面；最后再沉积透明导电膜并进行制绒处理；在顶部的透明导电膜基础上，印刷或焊接导电电极，在P型单晶硅片的底部，直接印刷背电极，或者重复上表面过程，即获得基于P型单晶硅的异质结太阳能电池。
利用N型单晶或多晶硅片替代P型单晶硅片，在沉积非晶硅过程中，将p-i-n沉积过程反转，同样得到高效异质结太阳能电池。
可以利用真空镀膜的方法，替代丝网印刷电极。
本发明的高效异质结太阳能光伏电池，消除非晶硅的衰减，消除非晶硅中光生载流子的无效复合，大幅度提高光伏效率。

Claims (22)

1.一种高效异质结太阳能电池，其特征在于，包括晶硅层、非晶硅层、热处理硅区，所述高效异质结太阳能电池的下层为所述晶硅层，所述的高效异质结太阳能电池的上层为所述非晶硅层，在所述非晶硅层上，夹杂有热处理硅区；所述热处理硅区为薄片状，在所述非晶硅层表面投影形成的图像为平行线型、圆形、矩阵型或其他图形；所述热处理硅区与热处理硅区之间的间距为10mm；所述晶硅层没有铝背接触层，所述晶硅层背面沉积有完整非晶硅膜，实现三异质结构；晶硅层的入射光面经过制绒处理得到制绒区。
2.如权利要求1所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述晶硅层的结构是具有完全独立晶硅的电池或者是具有部分晶硅的电池。
3.如权利要求2所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，当所述晶硅层的结构是具有完全独立晶硅的电池时，在晶硅层上面直接沉积非晶硅膜得到所述的高效异质结太阳能电池。
4.如权利要求3所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，当所述晶硅层的结构是具有部分晶硅的电池时，在部分晶硅的基础上沉积非晶硅膜得到所述的高效异质结太阳能电池。
5.如权利要求1-4任一项所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述晶硅层为p型单晶硅片。
6.如权利要求5所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述p型单晶硅片的结构，从光入射面到底部的组成依次为银电极栅网、氮化硅减反射膜、n型掺杂层、p型衬底、背面银电极。
7.如权利要求6所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，使用p型掺杂层代替n型掺杂层，使用n型衬底代替p型衬底。
8.如权利要求1-4任一项所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，所述晶硅层作为非晶硅层的晶硅基片。
9.如权利要求8所述的高效异质结太阳能电池，其特征在于，当透光面为非晶硅层时，非晶硅层不需要镀Al膜和NiV薄膜。
10.如权利要求1-9任一项所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：
(1)制备单晶硅片；
(2)经过制绒处理，将所述单晶硅片作为基片，获得具有非晶硅层的电池片；
(3)利用高能量密度的点源能量输出装置在步骤(2)获得的电池片上线性扫描；
(4)对所述经过电子束扫描的电池片，沉积透明导电薄膜；
(5)对沉积了透明导电薄膜的电池片表面，焊接引线，与背电极一起，构成完整异质结太阳能电池。
11.如权利要求10所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述晶硅电池为具有部分晶硅结构特征的电池。
12.如权利要求11所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，在制备所述具有部分晶硅结构特征的电池时，没有进行制绒、钝化、印刷、扩散电极的一道或多道工序。
13.如权利要求12所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述晶硅电池为P型晶硅电池。
14.如权利要求13所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，制备P型晶硅电池的方法为经过制绒、扩散、刻蚀、去磷硅玻璃清洗、沉积减反射膜、丝网印刷电极并烧结。
15.如权利要求14所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体为将所述P型晶硅电池作为基片，利用PECVD沉积本征半导体硅膜、及P型硅膜，获得具有非晶硅层的电池片。
16.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述高能量密度的点源能量输出装置为电子枪，电子枪的聚焦斑点优选100微米，线性扫描的线宽优选为10mm。
17.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池制备方法，其特征在于，所述高能量密度的点源为激光束、电子束或离子束。
18.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射技术沉积透明导电薄膜。
19.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，利用超声焊接机焊接引线。
20.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，当非晶硅电池制备过程是基于透明导电膜结构时，制备非晶硅层中，不需要进行激光划线工序，仅仅需要沉积透明导电膜。
21.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，当晶硅层制备过程中没有进行制绒工序时，需要在非晶硅层制备之前沉积透明导电膜并进行制绒处理。
22.如权利要求15所述高效异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，当晶硅电池工序过程中没有进行制绒工序时，在非晶硅电池制备得到最上层的透明导电膜后，对其进行制绒处理。
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