CN106449813B - 一种背钝化晶硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背钝化晶硅太阳电池及其制备方法，该太阳电池背钝化晶硅太阳电池背表面含有超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜，置于p型晶体硅和背电极之间；超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层膜用于钝化接触p型晶体硅背表面；制备方法包括采用原子层淀积法制备超薄氧化铝层；选用热蒸发法或等离子增强原子层淀积法制备金属氧化物层。本发明能够降低背表面光损失和载流子复合损失，从而提升电池的光电转换效率；同时超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层能够收集和传输空穴，仅需原子层淀积和热蒸发镀膜工艺制备获得，避免了进一步使用工艺难度大、所需设备昂贵的激光开孔工艺。
Description
技术领域
本发明属于光伏太阳能技术领域，尤其涉及一种背钝化晶硅太阳电池及其制备方法。
背景技术
晶硅太阳电池的光电转换效率影响着光伏产业的发展和决定着光企业的核心竞争力，如何提升晶硅太阳电池的光电转换效率倍受业界关注。当前主流的晶硅太阳电池产品的背表面是采用铝背场(Al-BSF)结构，背铝电极与晶体硅直接接触。其中，950-1200nm光谱范围的长波光子在晶体硅中的吸收系数小于5×102/cm，导致吸收不完全入射到晶硅太阳电池背表面，随后被背铝电极吸收损失。另外，晶体硅背表面与铝电极直接接触，使得界面存在高密度的载流子复合中心，从而背表面处光生载流子复合严重。因此，在铝背场(Al-BSF)结构的晶硅太阳电池中，背表面处光学损失和载流子复合损失是限制其光电转换效率的一个重要原因。
PERC背钝化光电结构是一种求解方法，该背钝化光电结构是在铝电极和硅之间引入氧化铝和氮化硅叠层介质膜，借助叠层介质膜的光学干涉耦合效应来提高长波太阳光子背反射率，降低背铝电极的光吸收损失；同时利用氧化铝层的表面钝化和场钝化效应来降低载流子背表面复合，从而有效地提升晶硅太阳电池的光电转换效率。可是，在该结构中氧化铝和氮化硅叠层介质膜不导电，需要局域激光开孔，随后印刷铝浆料与硅接触，烧结形成金属半导体欧姆接触。因此，PERC背钝化光电结构将存在如下三个问题：
(1)背铝电极与硅接触处仍然存在传统结构中的光损失和载流子复合损失；
(2)背铝电极与硅接触面积小，造成电池串联电阻偏大，从而导致填充因子和光电转换效率降低；
(3)包含激光开孔制备工艺，激光加工设备昂贵、工艺难度大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种背钝化晶硅太阳电池及其制备方法，旨在降低Al-BSF结构晶硅太阳电池中背表面光损失和载流子复合损失，同时避免了上述PERC背钝化光电结构中存在的三个问题。
本发明是这样实现的，一种背钝化晶硅太阳电池，所述背钝化晶硅太阳电池背表面含有超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜，置于p型晶体硅和背电极之间；所述超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层可钝化接触p型晶体硅背表面。
进一步，超薄氧化铝(AlOx)层中含有固定负电荷，其与p型晶体硅背表面直接接触可实现硅表面悬挂键钝化和场效应钝化；并且其厚度为为0.2～3nm，能够使空穴隧穿通过。因此，所述超薄氧化铝具有钝化p型晶体硅背表面且能够使空穴隧穿通过的功能
进一步，高功函数过渡金属氧化物层为非化学计量比的氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)或氧化钒(V2Ox)中的一种，厚度为10nm～100nm。这些非化学计量比过渡金属氧化物存在氧空位缺陷，使其费米能级接近导带底，呈现半金属特性，能够收集和传输空穴；且其费米能级低于晶体硅的价带顶，从而与超薄氧化铝、p型晶体硅接触后形成由p型晶体硅指向过渡金属氧化物的诱导电场，进一步场效应钝化p型晶体硅背表面。因此，所述高功函数过渡金属氧化物层能够进一步钝化p型硅背表面且能够收集空穴和并将其传导至背电极。
同时，超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层能够干涉耦合传输到晶硅太阳电池背表面长波太阳光子，提高长波光子背反射率，从而增强长波太阳光子的光伏转换。
本发明另一目的在于提供一种背钝化晶硅太阳电池的制备方法，包括：
清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积高功函数过渡金属氧化物层、印刷背电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺。
本发明提供的背钝化晶硅太阳电池的制备方法中，所述淀积超薄氧化铝层采用原子层淀积法，所述淀积高功函数过渡金属氧化物层采用热蒸发法；
进一步，高功函数过渡金属氧化物层的制备或采用等离子增强原子层淀积法。
进一步，所述采用原子层淀积的方法制备超薄氧化铝层具体包括：
以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，氮气为载气，150～200摄氏度的衬底温度下反应生成0.2～3nm厚的氧化铝(AlOx)层。
进一步，所述采用热蒸发法制备高功函数过渡金属氧化物层具体包括：
以纯度大于99.9％的过渡金属氧化物粉末为蒸发源，蒸发速率约0.05～0.2nm/S，通过控制热蒸发时间获得约10～100nm厚的高功函数过渡金属氧化物层。
本发明通过背钝化晶硅太阳电池背表面置有超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜，构成了晶硅太阳电池的背钝化结构，能够降低背表面光损失和载流子复合损失，从而提升电池的光电转换效率；同时超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层能够收集和传输空穴，仅需原子层淀积和热蒸发镀膜工艺制备获得，避免了进一步使用工艺难度大、所需设备昂贵的激光开孔工艺。
附图说明
图1是本发明提供的背钝化晶硅太阳电池的结构示意图；
图中：1、正银栅线电极；2、氮化硅减反射层；3、n型晶体硅；4、p型晶体硅；5、超薄氧化铝层；6、过渡金属氧化物层；7、背电极。
图2是本发明提供的背钝化晶硅太阳电池的制备方法流程图。
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，以下结合实施例，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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明应用原理作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的背钝化晶硅太阳电池，该晶硅太阳电池背表面置有超薄氧化铝层5及高功函数过渡金属氧化物层6；所述超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜置于p型晶体硅和背电极之间，能够钝化接触p型晶体硅背表面。
所述背钝化晶硅太阳电池各组成单元自前表面至背表面依次为：正银栅线电极1，氮化硅减反射层2，n型晶体硅3，p型晶体硅4，超薄氧化铝层5，过渡金属氧化物层6，背电极7。
进一步，超薄氧化铝层(AlOx)厚度为0.2～3nm；所述超薄氧化铝层用于钝化p型晶体硅背表面且能够使空穴隧穿通过。
进一步，高功函数过渡金属氧化物层为非化学计量比的氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)或氧化钒(V2Ox)中的一种，厚度为10～100nm；所述高功函数过渡金属氧化物层用于进一步钝化p型硅背表面且能够收集和空穴并及其能够其传导至背电极。
进一步，背电极选用银浆电极、铝浆电极、铜浆电极的一种或两种以上的混合电极。
如图2所示，本发明实施例提供的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，包括：
S101：清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层；
S102：采用原子层淀积的方法制备用于钝化p型晶体硅背表面且能够使空穴隧穿通过的超薄氧化铝层；
S103：采用热蒸发法制备用于进一步钝化p型硅背表面且能够收集和传导空穴的高功函数过渡金属氧化物层。
S104：印刷背电极、印刷正银栅线电极、烧结后获得背钝化晶硅太阳电池。
进一步，高功函数过渡金属氧化物层的制备或采用等离子增强原子层淀积法制备。
进一步，所述采用原子层淀积的方法制备用于钝化p型晶体硅背表面且能够使空穴隧穿通过的超薄氧化铝层具体包括：
以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，氮气为载气，150～200摄氏度的衬底温度下反应生成0.2～3nm厚的氧化铝(AlOx)层。
进一步，所述采用等离子增强原子层淀积法制备用于进一步钝化p型硅背表面且能够收集和传导空穴的高功函数过渡金属氧化物叠层具体包括：
以纯度大于99.9％的过渡金属氧化物粉末为蒸发源，蒸发速率约0.05～0.2nm/S，通过控制热蒸发时间获得约10～100nm厚的高功函数过渡金属氧化物层。
下面结合具体实施例对本发明应用原理作进一步描述。
实施例1：
以156*156mm2面积的p型单晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钼层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化单晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钼层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钼层。
实施例2：
以156*156mm2面积的p型多晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钼层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化多晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钼层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钼层。
实施例3：
以156*156mm2面积的p型单晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钨层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化单晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钨层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钨层。
实施例4：
以156*156mm2面积的p型多晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钨层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化多晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钨层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钨层。
实施例5：
以156*156mm2面积的p型单晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钒层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化单晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钒层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钒层。
实施例6：
以156*156mm2面积的p型多晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钒层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化多晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钒层采用热蒸发法制得，工艺中以纯度大于99.9％的氧化钼粉末为蒸发源，蒸发速率约0.1nm/S，通过控制热蒸发时间获得约35nm厚非化学计量比的氧化钒层。
实施例7：
以156*156mm2面积的p型单晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钼层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化单晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钼层采用等离子增强原子层淀积法制得，工艺中以(NtBu)2(NMe2)2Mo为钼源、O2等离子体为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成约35nm厚的非化学计量比的氧化钼层。
实施例8：
以156*156mm2面积的p型多晶硅片为初始材料，依次经过清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层、淀积超薄氧化铝层、淀积非化学计量比的氧化钼层、印刷背银电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺获得背钝化多晶硅太阳电池。超薄氧化铝层采用原子层淀积法制得，工艺中以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成1nm厚氧化铝层。非化学计量比的氧化钼层采用等离子增强原子层淀积法制得，工艺中以(NtBu)2(NMe2)2Mo为钼源、O2等离子体为氧源，150摄氏度的衬底温度下反应生成约35nm厚的非化学计量比的氧化钼层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种背钝化晶硅太阳电池，其特征在于，所述背钝化晶硅太阳电池背表面含有超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜，置于p型晶体硅和背电极之间；所述超薄氧化铝及高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜用于钝化接触p型晶体硅背表面；
超薄氧化铝层厚度为0.2nm～3nm；所述超薄氧化铝层用于钝化p型晶体硅背表面且能够实现空穴隧穿通过。
2.如权利要求1所述的背钝化晶硅太阳电池，其特征在于，高功函数过渡金属氧化物层为非化学计量比的氧化钼(MoOx )、氧化钨(WOx)或氧化钒(V2Ox)中的一种，厚度为10nm～100nm；所述高功函数过渡金属氧化物叠层钝化膜用于进一步钝化p型晶体硅背表面且能够收集空穴并将其传导至背电极。
3.一种如权利要求1所述的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，包括：
步骤一：清洗制绒、磷扩散制pn结、湿法刻边及背抛光去背结、去磷硅玻璃、淀积氮化硅减反射层；
步骤二：淀积超薄氧化铝层；
步骤三：淀积高功函数过渡金属氧化物层；
步骤四：印刷背电极、印刷正银栅线电极、烧结工艺。
4.如权利要求3所述的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，采用原子层淀积的方法制备超薄氧化铝层及采用热蒸发法制备高功函数过渡金属氧化物层。
5.如权利要求3所述的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，高功函数过渡金属氧化物层采用等离子增强原子层淀积法制备。
6.如权利要求4所述的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，所述采用原子层淀积的方法制备超薄氧化铝层具体包括：
以(CH3)3Al为铝源、高纯H2O为氧源，氮气为载气，150～200摄氏度的衬底温度下交替反应后获得0.2～3nm厚的氧化铝(AlOx )层。
7.如权利要求4所述的背钝化晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，所述采用热蒸发法制备高功函数过渡金属氧化物层具体包括：
以纯度大于99.9％的过渡金属氧化物粉末为蒸发源，蒸发速率约0.05～0.2nm/S，通过控制热蒸发时间获得10～100nm厚的高功函数过渡金属氧化物层。
8.一种利用权利要求1所述的背钝化晶硅太阳电池为p型单晶硅太阳电池。
9.一种利用权利要求1所述的背钝化晶硅太阳电池为p型多晶硅太阳电池。
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