CN107359211A - 具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的晶硅异质结太阳电池。所述二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜由置于p型及/或n型掺杂硅基薄膜上的第一层图案化二维导电材料阵列和覆盖于图案化二维导电材料阵列上的第二层透明的保护薄膜构成。该透明电极光透过率接近传统铟基氧化物透明导电薄膜，电阻率低于传统铟基氧化物透明导电薄膜。该透明电极薄膜可以与Smart Wire互连技术很好的匹配，减少贵金属Ag的用量，可以有效降低晶硅异质结太阳电池的成本。

Description

具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的太阳电池
技术领域
本发明属于一种太阳光伏技术领域，特别是涉及一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池。
背景技术
HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer)电池是最先由日本三洋公司推出的一种高效异质结硅基太阳电池。该电池的主要特征在于采用本征硅基薄膜对单晶硅片表面进行高质量的钝化。同时，掺杂和本征硅基薄膜与单晶硅形成异质结从而能够获得高达750mV的开路电压、39.5mA/cm2的短路电流以及24％以上的光电转换效率(Proceedings of the 28thEUPVSEC，2013，748-751)。其制作过程大致如下：利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在表面织构化后的n型单晶Si片的前表面依次沉积本征和p型硅基薄膜层，然后在硅片背表面依次沉积本征和n型硅基薄膜层；接着利用溅射方法在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜(TCO)，最后用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极，或者采用光刻结合化学电镀的方法在TCO上制作Cu电极。
相对于同质结晶硅太阳电池，为了弥补掺杂非晶硅基薄膜层横向导电能力差的缺点，商用化的HIT电池一般都需要采用高导电性的TCO电极帮助收集光生载流子。同时，为了让更多的太阳光可以被硅片吸收，还要求TCO具有优异的光透过性能。目前，HIT电池中最常用的TCO是掺锡或掺W的氧化铟基薄膜(ITO或IWO)(Solar Energy Material&Solar Cells，2016，295-314)，它具有导电性好、光透过率高、制备温度低等优异性能。但是，铟元素储量低，价格昂贵。并且，为了获得高质量的氧化铟基薄膜以提高电池效率，常需要用到复杂和昂贵的反应溅射沉积设备(ACS Applied Materials&Interfaces 2015,7,26522-26529)，使得采用氧化铟基薄膜的成本较高，阻碍了电池成本的下降。因此，寻找可以替代氧化铟基薄膜的透明电极薄膜材料一直是研究的热点。
中国专利(申请号：201310405924.5)以及国际专利(WO 2013/161145 A1)提出p型和n型掺杂薄膜均位于电池背面的设计，从而在电池正面无需制备氧化铟基薄膜。但是，该种电池结构设计会增加HIT电池制备的工艺步骤，影响电池良率的提高。中国专利(申请号：201410586357.2)公开了一种异质结太阳电池及其制作方法，制作了p型非晶硅/金属薄膜层/TCO界面结构的异质结太阳能电池。该金属薄膜层为一层厚度0.1-10nm的连续的薄膜，较佳的厚度为2nm。该专利提出金属薄膜层的加入降低了TCO与p型非晶硅薄膜之间的接触电阻，有利于提高电池的填充因子。但是，由于金属薄膜是连续的，尽管其厚度较薄，仍然会阻碍一部分光线的透过。同时，由于连续的金属薄膜和非晶硅层直接接触，接触面积大，增大了载流子复合的几率，容易引起开路电压和短路电流的下降，降低电池的效率。中国专利(申请号：201310228162.6)提出在TCO上刻蚀出沟槽后再制备金属栅极，使金属栅极一部分延伸进入TCO中。这增加了栅极和TCO的接触面积，减少了接触电阻。同时，通过栅极与TCO之间的侧向接触在一定程度上改善了载流子输运，进而提高太阳电池的填充因子和转化效率。但是该电池结构的实现需要对TCO薄膜进行干法和湿法刻蚀，而干法刻蚀设备和工艺较为昂贵和复杂，湿法刻蚀工艺的控制精度又难以保证。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的异质结晶硅太阳电池，其结构如图1和图2。所述异质结晶硅太阳电池的第一面掺杂硅基薄膜表面覆盖有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，第二面掺杂硅基薄膜表面可以覆盖二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜(图1)，也可以仅采用传统HIT电池中的透明导电薄膜加金属背反层薄膜的双层结构(图2)或者仅采用采用传统HIT电池中的透明导电薄膜加金属栅线的结构(图3)。
与传统HIT电池结构中采用铟基氧化物薄膜作为透明电极、金属栅电极印刷或者电镀于铟基氧化物薄膜之上不同，本发明提出的二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜由置于掺杂硅基薄膜上的第一层二维导电材料阵列和覆盖于二维导电材料阵列上的第二层透明的保护薄膜构成。所述二维导电材料阵列包括相互交叉的线阵列(图4)及空间上独立的点阵列(图5)，或者是线阵列和点阵列的组合(图6)。
作为本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的一种优选方案，所述相互交叉的线阵列中，线的横截面最大宽度范围通常为0.01-50μm，高度范围通常为0.01-20μm，相邻两根线的间距尺寸范围通常为0.1-1000μm。合适的周期性条件不仅可以对700-1100nm长波长范围的特定波长的入射光提供横向的波矢，将入射光耦合成横向传播的光波导。所述的二维阵列的混合材料还可以形成表面等离激元谐振模式，增加对长波长的吸收。
作为本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的一种优选方案，所述图案化二维导电材料阵列的材料种类包括金、银、铜、铝、镍、锡中的一种或其合金；石墨烯、石墨烯衍生物、碳纳米管、碳纳米管衍生物及其按比例混合形成的混合物；聚噻吩及其衍生物；以及上述各种材料，包括微纳米材料混合后形成的单层导电材料或者单层导电材料叠加后形成的叠加层数不超过三层的多层导电材料。二维导电材料阵列提供了电子迁移的快速通道，阵列间的透明区域可以增加光的入射。
作为本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的一种优选方案，所述图案化二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层直接接触。
作为本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的一种优选方案，所述图案化二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层之间具有间隔层薄膜。间隔层薄膜与掺杂层的接触面积大小可以与二维导电材料阵列一致(图7)，也可以是覆盖整个掺杂层的连续薄膜(图8)。该间隔层可以减少掺杂硅界面和二维导电材料阵列间可能存在的界面缺陷，减少载流子的复合。
进一步地，所述间隔层薄膜的材料包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物。
作为本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的一种优选方案，所述透明保护薄膜的材料种类包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物或两种以上化合物混合形成的混合物组成的单层材料或层数不超过三层的多层材料。
通过改变第二层透明保护薄膜的种类、调整其介电常数等，可以将二维导电材料阵列的等离子体共振波长调制到红外光谱区域，减少金属线对可见光的等离子体共振吸收损失；还可以控制等离子体共振能级，减少其反射损失。此外，入射光还能激发二维导电材料与晶硅结合面处的表面等离激元谐振模式，增加对长波长的吸收，从而可以增加HIT电池产生的电流。
如上所述，本发明的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，具有以下有益效果：
第一，当金属线的线宽进入亚微米尺寸后，其熔点会降低。相对于传统的将金属导电浆料涂覆于铟基氧化物透明导电薄膜之上的方案，本发明的透明保护薄膜将金属线阵列包裹后，可以保护金属线在低于300℃的条件下稳定而不断裂。亚微米线宽的金属线可以在较低温度下与硅掺杂层形成良好的欧姆接触，适合HIT电池对工艺温度需要低于300℃的要求。
第二，阵列提供的周期性条件可以对长波长(700-1100nm)的入射光提供横向的波矢，使得垂直传播的光波在波长与晶硅波导层的特征模式波长相等时，能将这些特定波长的光耦合成横向传播的光波导，这种光学波导耦合能够在一定波长区间内极大地增强光吸收。通过改变氧化物的种类、调整氧化物的介电常数等，可以将金属电极的等离子体共振波长调制到红外光谱区域，减少金属线对可见光的等离子体共振吸收损失；还可以控制等离子体共振能级，减少其反射损失。此外，选择对红外光吸收少的氧化物并利用等离激元效应，可以将700-1000nm甚至更长波长范围的光导入，从而可以增加HIT电池产生的电流。
第三，该透明电极不含昂贵和有毒的铟元素，透光性与氧化铟基薄膜相当，但导电性超过氧化铟基薄膜。本发明的二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜由于导电性优异(电阻率通常<1.0×10-5Ω·cm)，可以采用Smart Wire等互连技术将各独立的电池互连形成光伏组件，从而可以进一步减少对昂贵金属的消耗，降低电池成本。
附图说明
图1显示为本发明的正、反面面均具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图2显示为本发明的正面为二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面为传统HIT中采用的透明导电薄膜和金属背反层的HIT电池基本结构示意图。
图3显示为本发明的正面为二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面为传统HIT中采用的透明导电薄膜加金属栅线的双层结构
图4显示为本发明的一种正交排列的二维导电材料线阵列示意图。
图5显示为本发明的一种二维导电材料点阵列示意图。
图6显示为本发明的一种二维导电材料线阵列和点组合形成的阵列示意图。
图7显示为本发明的正、反面均具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，且薄膜与掺杂硅层之间有一层图形化的间隔层薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图8显示为本发明的正、反面均具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，且正面的透明电极薄膜与掺杂硅层之间有一层连续的间隔层薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图9显示为本发明的正、反面均具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，且正面及反面的透明电极薄膜与掺杂硅层之间均具有一层连续的间隔层薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图10显示为本发明的正面为二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面为传统HIT中采用的透明导电薄膜和金属背反层的HIT电池基本结构示意图，且正面的透明电极薄膜与掺杂硅层之间均具有有一层连续的间隔层薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图11显示为本发明的正面为二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面为传统HIT中采用的透明导电薄膜加金属栅线的双层结构，且正面的透明电极薄膜与掺杂硅层之间均具有有一层连续的间隔层薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构示意图。
图12显示为玻璃、ITO薄膜和二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的透过率曲线示意图。
元件标号说明
10 二维导电材料阵列嵌入式透明电极
11 二维导电材料阵列
12 透明保护薄膜
13 间隔层
20 本征非晶硅薄膜
21 p型掺杂非晶硅薄膜
22 n型掺杂非晶硅薄膜
30 n型单晶硅片
41 透明导电薄膜
42 金属背反层
43 金属栅电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，所述异质结晶硅太阳电池的正面及背面均覆盖有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，所述二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜由置于异质结晶硅太阳电池的p型掺杂层或者n型掺杂层上的第一层图案化二维导电材料阵列和覆盖于所述图案化二维导电材料阵列上的第二层透明保护薄膜构成，所述图案化二维导电材料阵列包括相互交叉的线阵列及空间上独立的点阵列的一种或两种组合。在本实施例中，所述图案化二维导电材料阵列为相互交叉的线阵列，所述相互交叉的线阵列为正交排列的二维导电线阵列，其所形成的投影图案的基本单元为矩形(或正方形)，如图4所示。如图1所示，在本实施例中，所述二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层直接接触。
作为示例，所述透明保护薄膜的材料种类包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物或两种以上化合物混合形成的混合物组成的单层材料或层数不超过三层的多层材料。
当然，本实施例的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构也可以如图2所示，其中，所述异质结晶硅太阳电池的正面覆盖有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面采用传统HIT电池中覆盖透明电极薄膜41加金属背反层薄膜42的双层结构。
当然，本实施例的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池的结构也可以如图3所示，其中，所述异质结晶硅太阳电池的正面覆盖有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，背面采用传统HIT电池中覆盖透明电极薄膜41加金属栅电极43的结构。
本发明提出的二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的光透过率接近铟基氧化物薄膜，电学性能(电阻率<1.0×10-5Ω·cm)低于铟基氧化物薄膜。图12比较了玻璃、ITO薄膜和二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的透过率，从图中可以看到二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的透过率与ITO相当，仅在短波长范围内低于ITO薄膜，其中，二维导电材料阵列是正交的金属银线，其金属线的宽度为30μm，线间距500μm，保护薄膜为30nm厚的掺铝氧化锌薄膜，该二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的电阻率<1.0×10-5Ω·cm，远低于ITO的电阻率(～4.0×10-4Ω·cm)。
实施例2
如图5所示，本实施例提供一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于：所述图案化二维导电材料阵列为空间上独立的点阵列，所述空间上独立的点阵列中，点的横截面包括圆形、矩形、梯形及三角形中的一种或两种以上组合，相邻距离最近的点连线后组成的投影图案的基本单元包括是三角形、平行四边形及六边形中的一种或两种以上组合。具体地，如图4所示，所述空间上独立的点阵列中，点的横截面为圆形。相邻距离最近的点连线后组成的投影图案的基本单元为平行四边形。
实施例3
如图6所示，本实施例提供一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于：所述图案化二维导电材料阵列为相互交叉的线阵列及空间上独立的点阵列两种组合，所述二维导电材料阵列包括相互交叉的线阵列及空间上独立的点阵列的组合，所述相互交叉的线阵列为正交排列的二维导电线阵列，其所形成的投影图案的基本单元为矩形(或正方形)，每个矩形中心分布有空间上独立的点，形成点阵列，如图6所示。作为示例，所述图案化二维导电材料阵列的材料种类包括金、银、铜、铝中的一种或其合金，石墨烯、碳纳米管及其按比例混合形成的混合物，聚噻吩及其衍生物，以及上述各种材料混合后形成的单层导电材料或者单层导电材料叠加后形成的叠加层数不超过三层的多层导电材料。
实施例4
如图7～图11所示，本实施例提供一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于：所述图案化二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层之间具有间隔层薄膜。间隔层薄膜与掺杂层的接触面积大小可以与二维导电材料阵列一致(如图7所述)，也可以是覆盖整个掺杂层的连续薄膜(如图8～图10)。该间隔层可以减少掺杂硅界面和二维导电材料阵列间可能存在的界面缺陷，减少载流子的复合。进一步地，所述间隔层薄膜的材料包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物。
需要说明的是，该间隔层可以用在图1双面结构中(如图9所示)，也可以用在图2单面结构中(如图10和图11所示)，还可以在图1中的双面结构中的一面采用(如图8所示)。需要说明的是，该间隔层薄膜可以是如示意图9-11所示的覆盖整个掺杂层的连续薄膜，也可以是如图7示的，与掺杂层的接触面积同二维导电材料阵列一致的薄膜。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述异质结晶硅太阳电池的第一表面的透明电极是一种二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，第二面表面的透明电极可以是二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜，也可以是传统的氧化物透明电极薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述的二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜由置于异质结晶硅太阳电池的p型掺杂层或/及n型掺杂层之上的第一层二维导电材料阵列和覆盖于所述二维导电材料阵列上的第二层透明的保护薄膜构成，所述二维导电材料阵列包括相互交叉的线阵列及空间上相互独立的点阵列的一种或两种组合。
3.根据权利要求2所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述的二维导电材料阵列，其尺寸周期性条件是可调的，合适的周期性条件不仅可以对700-1100nm长波长范围的特定波长的入射光提供横向的波矢，将入射光耦合成横向传播的光波导，所述的二维阵列的混合材料还可以形成表面等离激元谐振模式，增加对长波长的吸收。
4.根据权利要求1所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述图案化二维导电材料阵列的高电导材料种类包括金、银、铜、铝、镍、锡中的一种或其合金；石墨烯、石墨烯衍生物、碳纳米管、碳纳米管衍生物及其按比例混合形成的混合物；聚噻吩及其衍生物；以及上述各种材料，包括微纳米材料混合后形成的单层导电材料或者单层导电材料叠加后形成的叠加层数不超过三层的多层导电材料。
5.根据权利要求1所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层直接接触，或者所述二维导电材料阵列与异质结晶硅太阳电池中的n型掺杂层或p型掺杂层之间具有间隔层薄膜。
6.根据权利要求5所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述的间隔层薄膜的材料包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物。
7.根据权利要求5所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述的间隔层薄膜，其特征在于：间隔层薄膜与掺杂层的接触面积大小可以与二维导电材料阵列一致，也可以是覆盖整个硅基掺杂层薄膜的连续薄膜。
8.根据权利要求1所述的具有二维导电材料阵列嵌入式透明电极薄膜的异质结晶硅太阳电池，其特征在于：所述透明保护薄膜的材料种类包括掺杂或不掺杂的ZnO、Al2O3、SiOx、TiO2、SnO2、石墨烯、氧化石墨烯、AlN、SiNx、GaN、SiC中的单一化合物或者多种化合物相互反应后形成的化合物或两种以上化合物混合形成的混合物组成的单层材料或层数不超过三层的多层材料。
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