CN107068779B - 一种太阳电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种太阳电池结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107068779B
CN107068779B CN201710138427.1A CN201710138427A CN107068779B CN 107068779 B CN107068779 B CN 107068779B CN 201710138427 A CN201710138427 A CN 201710138427A CN 107068779 B CN107068779 B CN 107068779B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
type
passivation layer
oxide
oxide semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710138427.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107068779A (zh
Inventor
沈辉
高兵
赵影文
刘宗涛
邱开富
蔡伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Runyang Century Photovoltaic Technology Co Ltd
Original Assignee
Sun Yat Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sun Yat Sen University filed Critical Sun Yat Sen University
Publication of CN107068779A publication Critical patent/CN107068779A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107068779B publication Critical patent/CN107068779B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

本发明提供了一种太阳电池结构及其制备方法，该太阳电池结构包括：由下往上依次堆叠的P型层和N型层，从而构成PN结发射极；P型层的正面和N型层的背面相接触；在N型层的正面从下往上依次设置的透明导电层和阴电极；在P型层的背面依次形成有氧化物半导体钝化层和背电极。本发明消除了P型层背面缺陷，有效减少了P型层背面界面处的复合中心，并且，氧化物半导体钝化层降低了P型层和背电极之间的接触电阻，使得P型层与背电极形成良好的欧姆接触，提高了太阳电池的填充因子，进而提高了电池的转换效率。

Description

一种太阳电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种太阳电池结构及其制备方法。
背景技术
由于硅具有金刚石结构，从而保证了其物理化学性质的稳定，硅基太阳电池使用晶体硅材料作为吸收层，长期使用的稳定性高，以其成熟的生产技术，丰富的原料含量，较高的转换效率和稳定的输出功率得到了广泛应用和推广。在晶体硅电池中，p-n结是致使光生载流子分离和运动的核心结构：一般是指在p型硅表面扩散n型硅，从而形成硅同质结。采用该硅同质结制备的太阳电池的理论效率极限约为30％；而根据2015年中国光伏技术发展报告，目前企业中已生产的晶体硅太阳电池的最高效率达21％左右。所以，对于以晶体硅为主的光伏电池，近一步提高其光电转化效率，并在制备工艺上降低成本，是使其获得更广泛应用的关键。
虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺技术的困难，一直没有实际制备出成功的异质结。自1957年克罗墨指出由导电类型相反的两种不同半导体材料制成的异质结比同质结具有更高的注入效率后，异质结的研究才比较广泛地受到重视。后来，由于气相外延生长技术的发展，异质结在1960年第一次被制备成功。1969年发表了第一次成功制备异质结激光二极管的报告，此后半导体异质结在微电子学与微电子工程技术方面的应用日益广泛。由于两种材料的电子亲合势和带隙宽度不同，可使得异质结比同质结具有更高的注入效率和更宽的光谱响应，从而使得利用异质结制备的器件具有比利用同质结制备的器件更优良的光电特性，适宜于制备超高速开关器件、太阳电池以及半导体激光器等。但由于组成异质结的两种材料的晶格常数不同，界面附近的悬挂键和晶格畸变会导致大量位错和缺陷的形成，因而不能制备出性能良好的异质结。引入界面态的一个主要原因是形成异质结的两种半导体材料的晶格失配。除此之外，由于两种材料的热膨胀系数不同，也会对异质结界面造成影响。1968年，美国贝尔实验室和苏联约飞研究所同时宣布制备成功了GaAs-AlGaAs双异质结激光器。他们取得成功的原因之一是选择的两种半导体具有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
与同质结类似，异质结也可以在光照下产生光伏效应。与同质结太阳电池相比，异质结太阳电池的优点是：利用两种材料不同的费米能级形成的内建电场使电子与空穴分离和运动；避免了传统晶体硅太阳电池制备工艺中发射极的掺杂步骤，不需要高温扩散过程，从而降低了电池的制备难度和成本；同时也避免了高温对硅片质量的损伤；并且可以用两种或两种以上材料的禁带宽度来调节电池的光谱响应范围。所以说异质结太阳电池可以使得现有的光伏器件更加降本和高效。比如目前已经产业化的碲化镉/硫化镉(p-CdTe/n-CdS)异质结太阳电池，1972年，Bonnet和Rabenhorst首次试制成功CdTe薄膜太阳电池。经过40年的研究，这种电池得到了长足的发展。目前，这种电池组件已经由美国的First Solar实现了产业化，组件转换效率达19％左右。CdTe是一种非常适合于制备薄膜太阳电池的材料，这是因为它是直接带隙材料，禁带宽度为1.45eV左右，这是能够获得最高光电转换效率的禁带宽度；并且CdTe具有很高的光吸收率，它可以在几微米的厚度内吸收全部可利用的太阳光，因此少数载流子的扩散长度只要在微米的量级上，就可以将所产生的光生载流子收集到电池的两端。1976年美国Maine州大学首次开发出CIS薄膜太阳电池，转换效率达到6.6％。近年来美国可再生能源实验室(NREL)采用多元素共蒸发法制备的CIGS薄膜电池的转换效率已经达到19.5％。中国汉能集团也将该电池进行了产业化。这类电池的生产成本中CIGS吸收层的制造成本占据总成本的相当大的部分，因此降低CIGS吸收层的成本是使其获得大规模应用的关键。但由于该电池中所需的元素没有硅那么丰富，将限制它的大规模生产。在2014年NREL发表的太阳电池效率世界纪录发展图中，HIT(Heterojunction withIntrinsic Thin layer)异质结太阳电池以25.6％的效率打破了尘封了15年之久的晶体硅太阳电池世界记录。不管是常规晶体硅太阳电池，还是高效晶体硅太阳电池，都需要经过高温扩散工艺制备p-n结，由此给晶体硅带来了晶格损伤和缺陷，引入的复合中心降低了电池的效率，同时也不可避免的增加了电池的制造成本。HIT采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)，在制绒过的硅片两面镀上非晶硅作为钝化层和形成异质结，整个工序在220℃以下进行，能耗低，而且避免了高温对硅片的损伤；另外，非晶硅层对异质结界面有良好的钝化效果以及绒面陷光作用，有助于实现大面积的高效率。目前，HIT太阳电池的最高效率纪录由日本松下保持，我国中科院微系统所开发的HIT电池中试线，125mm×125mm面积电池效率达到23％，平均效率为22％，十分接近于松下水平。但是HIT有它的局限之处：首先，非晶硅材料有很多的界面态和缺陷，载流子迁移率比较低，影响了光生电流的收集；其次，非晶硅材料本身有光致衰退作用；其三，非晶硅材料和晶硅材料的光吸收系数都不高，要提高长波响应要求硅片的厚度不能太薄，限制了电池的薄型化发展。
利用新型材料制备的硅基异质结太阳电池的潜在效率还在近一步的探索当中，目前只有关于模拟电池效率工作的报道，成功制备并获得实际应用的高效硅基异质结太阳电池只有HIT，而将其它材料与晶硅做成异质结太阳电池的报道还都处于摸索当中，在材料选择、结构设计和制备工艺的完善方面还有许多工作有待完成。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种太阳电池结构，从而改善各层次之间界面的缺陷态和接触电阻，提高电池的转换效率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种太阳电池结构，包括：
由下往上依次堆叠的P型层和N型层，从而构成PN结发射极；P型层的正面和N型层的背面相接触；
在N型层的正面从下往上依次设置的透明导电层和阴电极；以及
在P型层的背面的背电极；
在P型层的背面和背电极之间形成有氧化物半导体钝化层。
优选地，所述氧化物半导体钝化层由球状氧化物纳米晶粒构成的连续薄膜层。
优选地，所述球状氧化物纳米晶粒的直径为5nm～100nm。
优选地，所述氧化物半导体钝化层中，位于氧化物半导体钝化层表层的球状氧化物纳米晶粒的直径小于氧化物半导体钝化层中心区域的球状氧化物纳米晶粒的直径。
优选地，所述氧化物半导体钝化层分为三层为氧化物半导体钝化层的表层，氧化物半导体钝化层的中间层，氧化物半导体钝化层的最内层，其中，所述表层的球状氧化物纳米晶粒的直径最小，中间层的球状氧化物纳米晶粒的直径大于所述最内层的球状氧化物纳米晶粒的直径。
优选地，所述氧化物半导体钝化层为高功函数氧化物半导体钝化层。
优选地，所述氧化物半导体钝化层的材料为N氧化物，N至少为3。
优选地，所述氧化物半导体钝化层的材料为III～VIII族过渡族金属的氧化物。
优选地，所述PN结发射极包括：P型硅衬底和N型半导体化合物层，所述氧化物半导体钝化层位于所述P型硅衬底背面，所述N形半导体化合物层位于所述P型硅衬底正面；或者N型硅衬底和P型半导体化合物层，所述氧化物半导体钝化层位于所述P型半导体化合物层背面，所述N形硅衬底位于所述P型半导体化合物层正面。
优选地，所述N型半导体化合物层或所述P型半导体化合物层的材料为金属氧化物、金属硫化物或金属硒化物的一种或多种。
优选地，所述N型半导体化合物层或所述P型半导体化合物层具有金字塔型的纳米晶粒构成的表面。
优选地，所述金字塔型的纳米晶粒的直径为5nm～500nm。
优选地，所述P型硅衬底的电阻率为0.5～8Ω·cm；所述阴电极为银栅线，银栅线的宽度为0.5～3mm，高度为100～400nm；所述背电极为全背银电极，所述背电极的厚度为100～400nm。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的太阳电池结构的制备方法，其包括：
步骤01：制备由P型层和N型层构成的PN结发射极的过程；
步骤02：在N型层上形成透明导电层，以及在透明导电层上形成阴电极；
步骤03：在P型层背面形成氧化物半导体钝化层；
步骤04：在透明导电层上形成阴电极，并在半导体钝化层背面形成背电极。
优选地，所述步骤03中，形成所述氧化物半导体钝化层采用真空蒸镀法、电阻式热蒸发法或电子束蒸发法。
优选地，形成所述氧化物半导体钝化层的具体过程包括：首先，采用第一温度和第一速率在P型层背面沉积第一层半导体钝化层，作为底层；然后，采用第二温度和第二速率在第一层半导体钝化层背面沉积第二层半导体钝化层，作为中间层；最后，采用第三温度和第三速率在第二层半导体钝化层背面沉积第三层半导体钝化层，作为表层；其中，第一温度小于第二温度，第一速率大于第二速率；第二温度大于第三温度，第二速率小于第三速率。
优选地，所述步骤03中，在形成氧化物半导体钝化层之后还包括：对P型层和氧化物半导体钝化层进行不大于100℃的退火，提高P型层和氧化物半导体钝化层的界面结晶率。
优选地，所述步骤01具体包括：
步骤0101：提供一P型硅衬底；
步骤0102：采用化学水浴方法在P型硅衬底正面沉积N型半导体化合物层；或者，
步骤0101：提供一N型硅衬底；
步骤0102：采用化学水浴方法在N型硅衬底背面沉积P型半导体化合物层。
优选地，所述化学水浴方法来制备N型半导体化合物层或P形半导体化合物层的温度为50～100℃。
优选地，所述步骤04中，所述背电极为全背银栅线，采用电阻式热蒸发；所述阴电极为银栅线，采用丝网印刷或掩膜网版电阻式热蒸发。
本发明的太阳电池结构，在P型层背面和背电极之间形成了氧化物半导体钝化层，从而消除了P型层背面缺陷，有效减少了P型层背面界面处的复合中心，并且，氧化物半导体钝化层降低了P型层和背电极之间的接触电阻，使得P型层与背电极形成良好的欧姆接触，提高了太阳电池的填充因子，进而提高了电池的转换效率。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的太阳电池结构的截面结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的氧化物半导体钝化层的截面结构示意图
图3为本发明的一个较佳实施例的太阳电池结构的制备方法的流程示意图
图4～10为本发明的一个较佳实施例的太阳电池结构的制备方法的各个制备步骤示意图
图11为本发明的一个较佳实施例的50nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图
图12为本发明的一个较佳实施例的具有50nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图
图13为本发明的一个较佳实施例的100nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图
图14为本发明的一个较佳实施例的具有100nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图
图15为本发明的一个较佳实施例的200nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图
图16为本发明的一个较佳实施例的具有100nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1～16和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例中的一种太阳电池结构包括：由P型层和N型层构成的PN结发射极；本实施例中，PN结发射极包括：P型硅衬底101和N型半导体化合物层103；P型硅衬底101的正面与N型半导体化合物层103的背面相贴合接触；氧化物半导体钝化层105位于P型硅衬底101背面，N形半导体化合物层103位于P型硅衬底101正面。这里，P型硅衬底101的电阻率为0.5～8Ω·cm。
需要说明的是，太阳电池结构中，P型层还可为P型半导体化合物层，N型层还可以为N型硅衬底。这里的硅衬底可以为单晶硅、多晶硅等。
在N型半导体化合物层103表面还具有透明导电层104，在透明导电层104上还具有阴电极106。在P型硅衬底101背面设置有氧化物半导体钝化层105，以及在氧化物半导体钝化层105背面设置有背电极107，背电极107为阳极。这里，PN结发射极吸收光子后，P型硅衬底的空穴向阳极迁移，N型层中的电子向阴极迁移，从而实现光生电路的传输。本实施例中，阴电极106为银栅线，银栅线的宽度可以为0.5～3mm，高度可以为100～400nm；背电极107可以为全背银电极，背电极107的厚度可以为100～400nm。
需要说明的是，本发明的其它实施例中，PN结发射极为N型硅衬底和P型半导体化合物层，氧化物半导体钝化层位于P型半导体化合物层背面，N形硅衬底位于P型半导体化合物层正面。
由于P型硅衬底101暴露的一面会具有很多悬挂键，悬挂键会产生复合中心，导致空穴和电子的灭失，从而降低了太阳电池的转换效率，此外，P型硅衬底101直接与背电极107接触，会产生肖特基接触，提高电阻，从而降低电池的填充因子。本实施例中，在P型硅衬底101暴露的一面形成一层氧化物半导体钝化层105，该氧化物半导体钝化层105利用氧化物来饱和P型硅衬底101表面的悬挂键，从而减少复合中心的形成，减小载流子在P型硅衬底101和背电极107之间的复合，同时，氧化物半导体钝化层105可以与背电极107之间形成欧姆接触，提高电池的填充因子。较佳的，氧化物半导体钝化层105的材料可以为III～VIII族过渡族金属的氧化物，还可以为N氧化物，N至少为3，较佳的，为三氧化钼、三氧化二钒、五氧化二钒、氧化铟等等。本实施例中，为了进一步降低氧化物半导体钝化层105与背电极107之间的接触电阻，氧化物半导体钝化层105的材料还可以采用高功函数氧化物，从而使得氧化物半导体钝化层105与背电极107之间形成更加良好的欧姆接触，提高太阳电池的填充因子。高功函数氧化物为功函数大于5.0eV的氧化物半导体。
为了提高P型硅衬底101背面与氧化物半导体钝化层105之间结合度、对P型硅衬底101背面的悬挂键的饱和率，氧化物半导体钝化层105采用由球状氧化物纳米晶粒构成的连续薄膜层，较佳的，球状氧化物纳米晶粒的直径为5nm～100nm。球状氧化物纳米晶粒小于5nm，不易形成连续薄膜层，球状氧化物纳米晶粒大于100nm时，会导致氧化物半导体钝化层105在P型硅衬底101背面的结合度大面积下降，在氧化物半导体钝化层105与P型硅衬底101背面之间会产生大量空隙，因此，较佳的，氧化物半导体钝化层105中，设置位于半导体钝化层105表层的球状氧化物纳米晶粒的直径小于半导体钝化层105的中心区域的球状氧化物纳米晶粒的直径，从而确保氧化物半导体钝化层105与P型硅衬底101背面进行良好的紧密接触，并且，提高P型硅衬底101背面的悬挂键的饱和率，进一步的，本实施例中，请参阅图2，还可以设置氧化物半导体钝化层105为三层，氧化物半导体钝化层105的表层1053，氧化物半导体钝化层105的中间层1052，氧化物半导体钝化层105的最内层1051，其中，表层1053的球状氧化物纳米晶粒的直径最小，使得氧化物半导体钝化层105的背面与背电极107产生良好的欧姆接触，避免氧化物半导体钝化层105的背面与背电极107之间产生空隙而导致电阻升高；再者，设置中间层1052的球状氧化物纳米晶粒的直径大于最内层1051的球状氧化物纳米晶粒的直径，最内层1051的球状氧化物纳米晶粒相对较小，从而提高P型硅衬底101背面与氧化物半导体钝化层105之间的结合度和悬挂键的饱和度。较佳的，氧化物半导体钝化层105的厚度为10～20nm，其中，表层1053的厚度、中间层1052的厚度和最内层1051的厚度的比例为1:(2～5):(1～2)，这是因为：当空穴载流子从最内层1051的球状氧化物纳米晶粒向中间层1052迁移时，由于原子密度减小，速率会逐渐加快，使得空穴载流子迁移畅通；当空穴载流子从中间层1052向表层1053迁移时，空穴载流子迁移速率逐渐减慢，这样，中间层1052可以作为缓冲层来确保向背电极107输出的空穴载流子的速率的稳定，进而确保太阳电池结构向外输出电流的稳定性，提高太阳电池的使用寿命。此外，本发明其它实施例中，氧化物半导体钝化层105中的球状氧化物纳米晶粒的尺寸还可以从氧化物半导体钝化层105的表层1053到中心逐渐递增，然后从氧化物半导体钝化层105的中心到最内层1051逐渐递减。
本实施例中，采用半导体化合物层作为PN结发射极的N型层或P形层，能够有效减少P型或N形硅衬底中高掺杂引起的俄歇复合和死层，同时减少半导体化合物层与透明导电层104或背电极107之间的复合，增强太阳电池的短波小小，提高太阳电池的短路电流。本实施例中，N型半导体化合物层103或P形半导体化合物层的材料可以为I～V族主族氧化物，较佳的为，金属氧化物、金属硫化物或金属硒化物的一种或多种。
此外，N型半导体化合物层103或P形半导体化合物层具有金字塔型纳米晶粒构成的表面，可以根据实际需要设置金字塔型纳米晶粒的高度，使得相邻的金字塔型纳米晶粒之间紧密接触，这样，能够起到最大陷光作用，从而有效降低太阳电池表面的反射率，增加太阳电池的转换电流和转换效率。较佳的，金字塔型纳米晶粒的直径可以为5nm～500nm。N型半导体化合物层103的总厚度可以为50～200nm或100～200nm。
请参阅图11～16，图11为本发明的一个较佳实施例的50nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图，图12为本发明的一个较佳实施例的具有50nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图，图13为本发明的一个较佳实施例的100nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图，图14为本发明的一个较佳实施例的具有100nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图，图15为本发明的一个较佳实施例的200nm的硫化镉P型半导体化合物层的光学透过率示意图，图16为本发明的一个较佳实施例的具有100nm的硫化镉P型半导体化合物层的太阳电池结构的I-V曲线示意图。可以发现，半导体化合物层的透过率随着其厚度的增加略有降低，然而，不同厚度的半导体化合物层应用于本实施例的太阳电池结构中时，所得到的太阳电池的I-V曲线中所显示的开态电压和电流是相同的，因此，可以得到，本实施例的别的半导体化合物层特别是在50nm～200nm的厚度，能够确保太阳电池的转换效率接近，而且，从实验结果来看，本实施例的太阳电池中采用氧化物半导体钝化层形成于P型层背面和背电极之间，能够得到稳定的输出，进而得到性能稳定的太阳电池。
需要说明的是，虽然N型半导体化合物层103或P形半导体化合物层具有金字塔型纳米晶粒构成的表面，当金字塔型纳米晶粒的尺寸较小时，只是在透明导电层104与半导体化合物层103的金字塔型纳米晶粒构成的表面接触的界面处，透明导电层104的晶粒也会嵌入金字塔型纳米晶粒之间，半导体化合物层103上形成的透明导电层104的表面依然是平坦的，因此，在该界面处由于具有金字塔型纳米晶粒很小而形成的微观的相交叉界面，能够降低入射光的反射率，提高光透过率；当金字塔型纳米晶粒的尺寸较大时，才会使半导体化合物层103具有金字塔型纳米晶粒构成的表面上形成的透明导电层104的表面因保型性而呈明显的凹凸不平。
请参阅图3，本实施例还提供了上述的太阳电池结构的制备方法，包括：
步骤01：制备由P型层和N型层构成的PN结发射极的过程；
具体的，本步骤01可以包括：
步骤0101：请参阅图4，提供一P型硅衬底101；具体的，P型硅衬底101的电阻率为0.5～8Ω·cm，较佳的，为3Ω·cm，P型硅衬底的厚度可以为180～250μm。
首先对P型硅衬底101进行清洗工艺，清洗工艺具体包括：①为了去除P型硅衬底101表面有机物，将P型硅衬底101用丙酮和异丙醇分别超声清洗4～5min；②为了再次去除P型硅衬底101表面的有机物，并在P型硅衬底101表面形成氧化层，采用体积比为3:1的浓硫酸和H2O2的混合药液来浸泡P型硅衬底10125～30min；③将P型硅衬底101浸入10％的HF中浸泡2～3min，从而除掉P型硅衬底101表面的氧化层，使得P型硅衬底101表面变为疏水表面；④在70～80℃下，利用浓度3～5％的NH4OH和浓度7～10％的H2O2将P型硅衬底101浸泡5～6分钟，使在P型硅衬底101表面形成氧化层；⑤为了去除P型硅衬底101表面金属离子，并在P型硅衬底101表面再次形成氧化层，配置浓度10％的HCl和浓度10％H2O2溶液，并将P型硅衬底101浸入其中浸泡5～6min；⑥为了去除P型硅衬底101表面的氧化层和碱，利用浓度为1:1的浓度5～10％的HF和浓度5～10％的HCl溶液，来浸泡硅衬底3～5min；⑦最后利用浓度5～10％的HF溶液浸泡硅片2min从而使P型硅衬底101的表面裸露出来。
在P型硅衬底101表面形成N型半导体化合物层之前，还包括：请参阅图5，采用高温热氧化工艺、原子层沉积工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺、电子束蒸发、金属有机物化学气相沉积工艺或者磁控溅射工艺等，在P型硅衬底101表面形成一层过渡层102，过渡层102的材料可以为二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、本征非晶硅a-Si:H(i)、或氮化硅Si3N4。较佳的，过渡层102的厚度可为1～30nm，从而能够有效降低界面态缺陷，提升太阳电池的开态电压。例如，可以采用板式PECVD设备，对P型硅衬底101的加热温度为250℃，沉积压强不超过1×10-4Pa，通过控制沉积压强和合适的板间距来制备出过渡层；再例如，采用高温热氧化工艺来在P型硅衬底101上形成二氧化硅过渡层，该热氧化工艺所采用的加热温度为800～900℃，较佳的为850℃，氧化时间为1～10min，从而在P型硅衬底101表面形成2～20nm的过渡层102。
步骤0102：请参阅图6，采用化学水浴方法在P型硅衬底101表面沉积N型半导体化合物层103；P型硅衬底101构成P型层，N型半导体化合物层103构成N型层。
具体的，这里采用化学水浴方法来制备N型半导体化合物层103的温度为50～100℃。例如，N型半导体化合物层103为CdS薄膜，则在50～100°温度下，采用CdCl2、SC(NH2)2和NH4Cl作为Cd和S的前驱体，在P型硅衬底101表面制备得到CdS薄膜，从而形成P型硅衬底101和N型CdS薄膜构成的发射极。
需要说明的是，在本发明的其它实施例中，采用N型硅衬底和P型半导体化合物层构成的PN结发射极的制备过程包括：首先，提供一N型硅衬底；对于N型硅衬底的清洗可以参照上述对P型硅衬底的清洗过程；然后，采用化学水浴方法在N型硅衬底背面沉积P型半导体化合物层。
此外，N型半导体化合物层或P形半导体化合物层还可以采用真空蒸镀、电阻式热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等方法制备。例如，采用真空蒸镀工艺，在真空蒸镀设备中，不大于1e-3Pa的真空度下，常温25℃以下，将硅衬底置于钨舟之上，以的速率在P型硅衬底上蒸镀了50～60nm的硫化镉薄膜。
步骤02：请参阅图7，在N型层103上形成透明导电层104；
具体的，透明氧化导电层104的制备条件可以为：在不超过250℃下，真空度不大于0.5Pa时，采用功率为150～185W时，溅射在N型半导体化合物层103表面的透明导电层104为40～50nm。透明导电层104可以为透明导电氧化物薄膜，可以为氧化锌掺铝(ZnO:Al,AZO)、氧化锡掺氟(SnO2:F,FTO)或氧化铟掺锡(In2O3:Sn,ITO)薄膜；制备方法为电阻式热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等。
步骤03：请参阅图8，在P型层101背面形成氧化物半导体钝化层105。
具体的，步骤03中，形成氧化物半导体钝化层105采用真空蒸镀法、电阻式热蒸发法或电子束蒸发法。形成氧化物半导体钝化层105的反应压强不超过1×10-4Pa；请参阅图8并结合图2，具体过程包括：
首先，采用第一温度和第一速率在P型层101背面沉积第一层半导体钝化层，作为最内层1051；较佳的，第一温度不大于20℃，采用的第一速率为
然后，采用第二温度和第二速率在第一层半导体钝化层(最内层1051)背面沉积第二层半导体钝化层，作为中间层1052；较佳的，第二温度不大于25℃，采用的二速率为
最后，采用第三温度和第三速率在第二层半导体钝化层(中间层1052)背面沉积第三层半导体钝化层，作为表层1053；较佳的，第三温度不大于20℃，采用的三速率为
这里，第一温度小于第二温度，第一速率大于第二速率；第二温度大于第三温度，第二速率小于第三速率。此外，第一温度和第三温度可以相同也可以不相同，第一速率和第三速率可以相同也可以不相同。由于第一温度小于第二温度，第一速率大于第二速率，可以确保得到的最内层1051的球状氧化物纳米晶粒较小且最内层1051的球状氧化物纳米晶粒之间紧密接触，确保最内层1051的连续性，避免最内层与P型层101之间接触产生界面缺陷，导致界面处的复合中心增多的问题。同时，在制备中间层1052时，温度相对于最内层1051的温度升高从而得到的中间层1052的球状氧化物纳米晶粒较大，再加上沉积速率相对于最内层1051的沉积速率降低，中间层1052的球状氧化物纳米晶粒具有一定的动力学生长时间，使得中间层1052的较大尺寸的球状氧化物纳米晶粒之间的界面减少，中间层1052的较大尺寸的球状氧化物纳米晶粒紧密接触，确保中间层1052的连续性。此外，在制备表层时，沉积温度相对于中间层1052降低，沉积速率相对于中间层1052升高，可以确保得到的表层1053的球状氧化物纳米晶粒较小且表层1053的球状氧化物纳米晶粒之间紧密接触，确保表层1053的连续性，避免氧化物半导体钝化层105的表层1053与背电极10107之间接触产生界面缺陷，使得氧化物半导体钝化层105的表层1053与背电极107之间具有良好的欧姆接触。
步骤03中，在形成氧化物半导体钝化层105之后还包括：对P型层101和氧化物半导体钝化层105进行不大于100℃的退火，提高P型层101和氧化物半导体钝化层105的界面结晶率。
步骤04：请参阅图9，在透明导电层104上形成阴电极106，请参阅图10，并在氧化物半导体钝化层105背面形成背电极107；
具体的，阴电极106可以为银栅线，可以但不限于采用丝网印刷或掩膜网版电阻式热蒸发来制备得到，具体工艺可以为：采用的沉积速率为真空度不大于1×10- 4Pa，温度不大于25℃，最后得到的阴电极106的厚度可以为100～400nm。
这里的背电极107可以为全背银栅线，可以但不限于采用电阻式热蒸发来制备背电极107，具体工艺可以为：采用的沉积速率为真空度不大于1×10-4Pa，温度不大于25℃，最后得到的背电极107的厚度可以为100～400nm。
本发明的太阳电池结构简单，制备工序较常规扩散结晶体硅太阳电池少，设备和原料不昂贵，电池成本较低；在电池的整个制备过程中，无危险、有毒气体，绿色环保，利于电池的大规模产业化。
并且，本发明利用半导体化合物作为电池的发射极能够有效减少高掺杂引起的俄歇复合和死层，并能减少载流子在电池正面的复合，增强太阳电池的短波响应，提高电池的短路电流。
同时，在本发明电池的整个制备过程中，最高温度为250℃，没有高温过程，硅衬底不会受到高温损伤，实现了低温制备高效电池；
此外，本发明在PN结发射极的P型层和N型呈之间形成了过渡层，从而对异质结界面进行了有效改善，减少了界面态缺陷，提升了电池的开压。
而且，本发明采用透明导电层实现了横向载流子的收集，有利于将载流子输送到阴电极，提供给外部负载；
再者，本发明通过在P型层背面插入具有氧化物半导体钝化层，消除了P型层背面界面的悬挂键和缺陷，减少了该P型层背面界面的复合中心，降低了P型层和背电极之间的势垒，提高两者的欧姆接触，进而提高了电池的开路电压和填充因子。
综上所述，本发明的背面插入氧化物半导体钝化层的太阳电池结构，能够提高太阳电池的转换效率，具有良好的产业化前景。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (17)

1.一种太阳电池结构，包括：
由下往上依次堆叠的P型层和N型层，从而构成PN结发射极；P型层的正面和N型层的背面相接触；
在N型层的正面从下往上依次设置的透明导电层和阴电极；以及
在P型层的背面的背电极；其特征在于，
在P型层的背面和背电极之间形成有氧化物半导体钝化层；其中，所述氧化物半导体钝化层由球状氧化物纳米晶粒构成的连续薄膜层；所述氧化物半导体钝化层中，位于氧化物半导体钝化层表层的球状氧化物纳米晶粒的直径小于氧化物半导体钝化层中心区域的球状氧化物纳米晶粒的直径。
2.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述球状氧化物纳米晶粒的直径为5nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述氧化物半导体钝化层分为三层为氧化物半导体钝化层的表层，氧化物半导体钝化层的中间层，氧化物半导体钝化层的最内层，其中，所述表层的球状氧化物纳米晶粒的直径最小，中间层的球状氧化物纳米晶粒的直径大于所述最内层的球状氧化物纳米晶粒的直径。
4.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述氧化物半导体钝化层为高功函数氧化物半导体钝化层。
5.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述氧化物半导体钝化层的材料为N氧化物，N至少为3。
6.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述氧化物半导体钝化层的材料为III～VIII族过渡族金属的氧化物。
7.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述PN结发射极包括：P型硅衬底和N型半导体化合物层，所述氧化物半导体钝化层位于所述P型硅衬底背面，所述N型 半导体化合物层位于所述P型硅衬底正面；或者N型硅衬底和P型半导体化合物层，所述氧化物半导体钝化层位于所述P型半导体化合物层背面，所述N型 硅衬底位于所述P型半导体化合物层正面。
8.根据权利要求7所述的太阳电池结构，其特征在于，所述N型半导体化合物层或所述P型半导体化合物层的材料为金属氧化物、金属硫化物或金属硒化物的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的太阳电池结构，其特征在于，所述N型半导体化合物层或所述P型半导体化合物层具有金字塔型的纳米晶粒构成的表面。
10.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，所述金字塔型的纳米晶粒的直径为5nm～500nm。
11.根据权利要求7所述的太阳电池结构，其特征在于，所述P型硅衬底的电阻率为0.5～8Ω·cm；所述阴电极为银栅线，银栅线的宽度为0.5～3mm，高度为100～400nm；所述背电极为全背银电极，所述背电极的厚度为100～400nm。
12.一种权利要求1所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：制备由P型层和N型层构成的PN结发射极的过程；
步骤02：在N型层上形成透明导电层，以及在透明导电层上形成阴电极；
步骤03：在P型层背面形成氧化物半导体钝化层；其中，首先，采用第一温度和第一速率在P型层背面沉积第一层半导体钝化层，作为底层；然后，采用第二温度和第二速率在第一层半导体钝化层背面沉积第二层半导体钝化层，作为中间层；最后，采用第三温度和第三速率在第二层半导体钝化层背面沉积第三层半导体钝化层，作为表层；其中，第一温度小于第二温度，第一速率大于第二速率；第二温度大于第三温度，第二速率小于第三速率；
步骤04：在透明导电层上形成阴电极，并在半导体钝化层背面形成背电极。
13.根据权利要求12所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，形成所述氧化物半导体钝化层采用真空蒸镀法、电阻式热蒸发法或电子束蒸发法。
14.根据权利要求12所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，在形成氧化物半导体钝化层之后还包括：对P型层和氧化物半导体钝化层进行不大于100℃的退火，提高P型层和氧化物半导体钝化层的界面结晶率。
15.根据权利要求12所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤01具体包括：
步骤0101：提供一P型硅衬底；
步骤0102：采用化学水浴方法在P型硅衬底正面沉积N型半导体化合物层；或者，
步骤0101：提供一N型硅衬底；
步骤0102：采用化学水浴方法在N型硅衬底背面沉积P型半导体化合物层。
16.根据权利要求15所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述化学水浴方法来制备N型半导体化合物层或P型 半导体化合物层的温度为50～100℃。
17.根据权利要求12所述的太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，所述背电极为全背银栅线，采用电阻式热蒸发；所述阴电极为银栅线，采用丝网印刷或掩膜网版电阻式热蒸发。
CN201710138427.1A 2017-02-28 2017-03-09 一种太阳电池结构及其制备方法 Active CN107068779B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710111632 2017-02-28
CN2017101116329 2017-02-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107068779A CN107068779A (zh) 2017-08-18
CN107068779B true CN107068779B (zh) 2019-01-18

Family

ID=59621965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710138427.1A Active CN107068779B (zh) 2017-02-28 2017-03-09 一种太阳电池结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107068779B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201323204Y (zh) * 2008-12-31 2009-10-07 江苏艾德太阳能科技有限公司 一种背点接触异质结太阳能电池
CN102460715A (zh) * 2009-04-21 2012-05-16 泰特拉桑有限公司 高效率太阳能电池结构及制造方法
CN103038897A (zh) * 2010-06-25 2013-04-10 欧瑞康太阳能股份公司(特吕巴赫) 具有微晶吸收体层和钝化层的薄膜太阳能电池以及制造这种电池的方法
CN103383975A (zh) * 2013-06-20 2013-11-06 国电光伏有限公司 一种双面钝化高效异质结电池及其制作方法
CN103762276A (zh) * 2014-01-23 2014-04-30 常州天合光能有限公司 异质结太阳能电池及其界面处理方法和制备工艺
CN204230251U (zh) * 2014-11-27 2015-03-25 浙江昱辉阳光能源江苏有限公司 一种异质结太阳能电池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201323204Y (zh) * 2008-12-31 2009-10-07 江苏艾德太阳能科技有限公司 一种背点接触异质结太阳能电池
CN102460715A (zh) * 2009-04-21 2012-05-16 泰特拉桑有限公司 高效率太阳能电池结构及制造方法
CN103038897A (zh) * 2010-06-25 2013-04-10 欧瑞康太阳能股份公司(特吕巴赫) 具有微晶吸收体层和钝化层的薄膜太阳能电池以及制造这种电池的方法
CN103383975A (zh) * 2013-06-20 2013-11-06 国电光伏有限公司 一种双面钝化高效异质结电池及其制作方法
CN103762276A (zh) * 2014-01-23 2014-04-30 常州天合光能有限公司 异质结太阳能电池及其界面处理方法和制备工艺
CN204230251U (zh) * 2014-11-27 2015-03-25 浙江昱辉阳光能源江苏有限公司 一种异质结太阳能电池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Heterojunction Rear Passivated Contact for High Efficiency n-Cz Si Solar Cells;Benjamin G. Lee，等;《Photovoltaic Specialist Conference (PVSC)》;20140613;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107068779A (zh) 2017-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101372536B1 (ko) 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법
CN107564989A (zh) 一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计
US20070257255A1 (en) Thin film solar cells by selenization sulfurization using diethyl selenium as a selenium precursor
KR101103770B1 (ko) 화합물 반도체 태양 전지 및 그 제조 방법
KR20100073717A (ko) 태양전지 및 그 제조 방법
WO2022134991A1 (zh) 太阳能电池及生产方法、光伏组件
CN101700871B (zh) 铜铟硒纳米线阵列及其制备方法与应用
KR102322176B1 (ko) 탠덤태양전지소자
WO2015066991A1 (zh) 一种基于晶体硅材料的化合物半导体异质结太阳电池
KR20100098008A (ko) 태양전지
KR20110005444A (ko) 적층형 태양 전지
CN101700872B (zh) 铜铟镓硒纳米线阵列及其制备方法与应用
CN110085683A (zh) 无掺杂晶体硅异质结太阳能电池及其制备方法
CN104037324A (zh) 一种基于硫化镉纳米阵列的钙钛矿杂化太阳电池
US20110220198A1 (en) Method and Device Utilizing Strained AZO Layer and Interfacial Fermi Level Pinning in Bifacial Thin Film PV Cells
JP2014503128A (ja) 太陽電池及びその製造方法
CN114335348B (zh) 一种pn异质结硒化锑/钙钛矿太阳能电池及其制备方法
TWI600176B (zh) 化合物太陽能電池以及光吸收層的製作方法
CN107068779B (zh) 一种太阳电池结构及其制备方法
KR101412150B1 (ko) 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법
KR20090034079A (ko) 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법
KR20110060412A (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101846337B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101283174B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101305603B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210524

Address after: No.58 Xiangjiang Road, Yancheng Economic and Technological Development Zone, Jiangsu Province 224005

Patentee after: Jiangsu Runyang century Photovoltaic Technology Co.,Ltd.

Address before: 510006 Institute of solar system, Sun Yat sen University

Patentee before: SUN YAT-SEN University