CN108091711A - 晶体硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种晶体硅太阳能电池。该晶体硅太阳能电池包括依次叠置的背面栅极、背面透明导电层、N+硅层、硅衬底、过渡金属氧化物层、正面透明导电层以及正面栅极，其中，N+硅层为N+型多晶硅层或N+非晶硅层。该硅晶体太阳能电池中的过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背面设置N+硅层，该层形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
Description
技术领域
本申请涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种晶体硅太阳能电池。
背景技术
太阳能电池作为一种可以直接将太阳能转化为电能的设备，越来越得到人们的关注。提高太阳电池的转换效率，同时降低电池的生产成本是业界不断追求的目标和提高自身竞争能力之关键所在。
在高效太阳能电池方面，国外众多科研机构和企业展开了大量的研究，开发了众多新型结构的高效太阳电池，如刻槽埋栅、选择性发射极、晶体硅异质结(HIT)、背结背接触结构(IBC)等结构，目前成功的高效电池结构有HIT与IBC等，这些结构均实现了25％及以上的转换效率。
如何进一步提高电池的转换效率并且降低成本，就成为光伏界众多研究人员面前的一个难题，也是业界追求的核心目标。
通过对晶体硅太阳电池的工作原理及效率损失分析可知，限制效率提升的一个最大因素就是载流子的复合。有研究表明，当背面的复合速率从10cm/s分别上升到103cm/s和105cm/s时，200微米厚且扩散长度为1000微米的太阳能电池转换效率分别下降2％和4％。
因此，为了提高太阳能电池的效率，亟需一种具有较好的抑制载流子复合效果的晶体硅太阳能电池。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种晶体硅太阳能电池，以解决现有技术中的晶体硅太阳能电池的效率较低的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种晶体硅太阳能电池，该晶体硅太阳能电池包括依次叠置的背面栅极、背面透明导电层、N+硅层、硅衬底、过渡金属氧化物层、正面透明导电层以及正面栅极，其中，上述N+硅层为N+型多晶硅层或N+非晶硅层。
进一步地，上述晶体硅太阳能电池还包括：遂穿层，设置在上述硅衬底与上述N+硅层之间。
进一步地，上述遂穿层包括氧化硅层和/或氧化铝层，优选上述遂穿层的厚度在1.0～1.7nm之间。
进一步地，上述晶体硅太阳能电池还包括：本征非晶硅层，设置在上述硅衬底与上述过渡金属氧化物层之间。
进一步地，上述本征非晶硅层的厚度在4～10nm之间。
进一步地，上述N+硅层为N+型多晶硅层，上述N+型多晶硅层的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，优选上述N+型多晶硅层的厚度在10～50nm之间。
进一步地，上述过渡金属氧化物层的功函数大于或等于5.5eV，优选上述过渡金属氧化物层的厚度在5～15nm之间。
进一步地，上述背面透明导电层和/或上述正面透明导电层包括ITO层。
进一步地，上述ITO层的厚度在70～90nm之间。
进一步地，上述硅衬底为N型硅衬底。
应用本申请的技术方案，该硅晶体太阳能电池中，在硅衬底的正面设置有过渡金属氧化物层，该层的原料包括过渡金属氧化物，过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背面设置N+硅层，该层形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请的一种典型的实施方式提供的晶体硅太阳能电池的结构示意图；以及
图2示出了本申请的一种实施例提供的晶体硅太阳能电池的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、背面栅极；2、背面透明导电层；3、N+硅层；4、遂穿层；5、硅衬底；6、本征非晶硅层；7、过渡金属氧化物层；8、正面透明导电层；9、正面栅极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及下面的权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“电连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中，由于晶体硅太阳能电池中的载流子的复合较严重，导致晶体硅太阳能电池的效率较低，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种晶体硅太阳能电池。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种晶体硅太阳能电池，如图1所示，该晶体硅太阳能电池包括依次叠置的背面栅极1、背面透明导电层2、N+硅层3、硅衬底5、过渡金属氧化物层7、正面透明导电层8以及正面栅极9，其中，上述N+硅层3为N+型多晶硅层或N+非晶硅层。
该硅晶体太阳能电池中，在硅衬底的正面设置有过渡金属氧化物层，该层的原料包括过渡金属氧化物，过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背面设置N+硅层，该层作为内建电场的N区，形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
并且，上述的晶体硅太阳电池结构简单，制作工艺较简单，成本较低，且有利于量产，避免了现有技术中晶体硅太阳电池的制备工艺繁杂，成本高，且不利于量产的技术问题。
本申请的一种实施例中，如图2所示，上述晶体硅太阳能电池还包括遂穿层4，遂穿层4设置在上述硅衬底5与上述N+硅层3之间。遂穿层4的设置一方面可以有效钝化硅衬底表面缺陷，去除硅衬底表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率；另一方面，该层可以通过遂穿效应实现载流子的输运，从而降低硅衬底上的表面复合同时又不影响载流子的输运，提高电池的填充因子，从而提高电池的效率。
上述的遂穿层可以是本领域中可以提供钝化以及遂穿效应的任何化合物形成的结构层，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的氧化物形成本申请的遂穿层，比如氧化物、氮化物和/或导电聚合物形成的遂穿层。
为了简化该太阳能电池的制作工艺，且进一步保证上述的遂穿层具有较好的遂穿以及钝化效果，本申请的一种实施例中，上述遂穿层4包括氧化硅层和/或氧化铝层。
本申请的另一种实施例中，上述遂穿层4的厚度在1.0～1.7nm之间，进一步保证该遂穿层4具有较好的钝化以及遂穿效应，进一步提高该晶体硅太阳能电池的效率。
本申请的另一种实施例中，如图2所示，上述晶体硅太阳能电池还包括本征非晶硅层6，本征非晶硅层6设置在上述硅衬底5与上述过渡金属氧化物层7之间。本征非晶硅层6可以对与其接触设置的硅衬底的表面缺陷进行进一步的钝化，去除该表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率。
为了进一步保证本征非晶硅层6可以很好地对硅衬底进行钝化，且进一步避免该层的设置对载流子的运输等造成的不良影响，进一步降低载流子的复合几率，本申请的一种实施例中，上述本征非晶硅层6的厚度在4～10nm之间。
本申请的再一种实施例中，上述N+硅层3为N+型多晶硅层，上述N+型多晶硅层的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，N+型多晶硅层中的载流子的迁移率较大，能够进一步提高硅晶体太阳能电池的转化效率，且该N+型多晶硅层高掺杂，可以进一步提高该硅晶体太阳能电池的转化效率，且还可以进一步保证该硅晶体太阳能电池具有较好的温度稳定性等。
为了进一步保证N+型多晶硅层能够较好地提高硅晶体太阳能电池的转化效率，本申请的一种实施例中，上述过渡金属氧化物层7的厚度在5～15nm之间。
为了进一步降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率，本申请的一种实施例中，上述过渡金属氧化物层7的功函数大于或等于5.5eV。
本申请中的过渡金属氧化物层7可以是现有技术中的任何过渡金属氧化物层，比如氧化钨、氧化钼或氧化钒等。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的过渡金属氧化物形成本申请的上述过渡金属氧化物层。
本申请的正面透明电极以及背面透明电极可以是现有技术中的任何透明电极，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的透明电极作为本申请的正面透明电极以及背面透明电极。并且，可以设置二者为相同的透明电极，也可以设置二者为不同的透明电极。
为了进一步保证正面透明电极和/或背面透明电极具有良好的导电性以及透光性能，本申请的一种实施例中，上述背面透明导电层2和/或上述正面透明导电层8包括ITO层。即仅背面透明导电层2包括ITO层，或者仅正面透明导电层8包括ITO层，或者背面透明导电层2和上述正面透明导电层8均包括ITO层。
为了进一步提升该硅晶体太阳能电池的转化效率，本申请的一种实施例中，上述ITO层的厚度在70～90nm之间。
本申请的又一种实施例中，上述硅衬底5为N型硅衬底，这样可以进一步保证该衬底中的硼氧缺陷较少，进而提升该晶体硅太阳能电池的效率。
本申请的另一种实施方式中，提供了一种硅晶体太阳能电池的制作方法，该制作方法包括：在硅衬底的背面设置N+硅层；在上述硅衬底的远离上述N+硅层的表面上设置过渡金属氧化物层；在上述N+硅层的远离上述硅衬底的表面上依次设置背面透明导电层以及背面栅极；在上述过渡金属氧化物层的远离上述硅衬底的表面上依次设置正面透明导电层以及正面栅极。
采用该制作方法形成的硅晶体太阳能电池，在硅衬底的正面设置有过渡金属氧化物层，该层的原料包括过渡金属氧化物，过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背面设置N+硅层，该层形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
上述过渡金属氧化物层的设置方法可以采用本领域中常用的方法设置，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，例如可以采用热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射等方法设置。
上述的背面栅极以及正面栅极可以采用丝印或者蒸镀的方式完成，当然，也可以采用其他的方法形成，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，此处不再赘述了。
本申请的一种实施例中，在形成上述N+硅层之前，上述制作方法包括：在上述硅衬底的背面设置遂穿层，上述N+硅层设置在上述遂穿层的远离上述硅衬底的表面上。遂穿层4的设置一方面可以有效钝化硅衬底表面缺陷，去除硅衬底表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率；另一方面，该层可以通过遂穿效应实现载流子的输运，从而降低硅衬底上的表面复合同时又不影响载流子的输运，提高电池的填充因子，从而提高电池的效率。
为了简化工艺，本申请的一种制作方法中，在形成上述N+硅层之前，上述制作方法包括：在硅衬底的正面与背面上均设置遂穿层，在N+硅层形成之后，再采用例如HF溶液的试剂去除硅衬底正面的遂穿层。
本申请的遂穿层可以是本领域中任何起到遂穿以及钝化作用的材料形成的结构层，本申请的一种实施例中，上述遂穿层为氧化硅层或氧化铝层。具体的遂穿层的设置方法可以根据实际情况选择。例如以氧化硅层为例，其生长可以采用湿法化学生长，如浓硝酸溶液浸泡或者含臭氧的去离子水浸泡，也可以采用干法生长，如紫外臭氧氧化或热氧氧化等。
为了对硅衬底的表面缺陷进行进一步的钝化，去除该表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率。在形成上述硅衬底之后，在形成上述过渡金属氧化物层之前，上述制作方法包括：在上述硅衬底的远离上述N+硅层的表面上设置本征非晶硅层，上述过渡金属氧化物层设置在上述本征非晶硅层的远离上述硅衬底的表面上。
本申请的上述本征非晶硅层的设置可以采用现有技术中的常规方法，例如可以采用PECVD或者Cat-CVD等，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法形成本申请的本征非晶硅层。
本申请的再一种实施例中，上述制作方法还包括形成上述硅衬底的过程，形成上述硅衬底的过程包括：对上述硅衬底基体的预设置N+硅层的表面以及预设置过渡金属氧化物层的表面制绒，制绒后硅衬底正面和背面均出现绒面结构；对制绒后的上述硅衬底基体进行RCA清洗，去除晶体硅表面的有机沾污物及金属颗粒等，得到上述硅衬底。
为了提高N+型硅层中的载流子的迁移率，能够进一步提高硅晶体太阳能电池的转化效率，本申请的一种实施例中，上述N+硅层3为N+型多晶硅层。在硅衬底的背面设置N+多晶硅层的方法较多，以PECVD方法为例：先生长一层N+非晶硅层，然后经高温退火得到N+多晶硅层。或者先生长一层本征非晶硅层，经高温退火后得到本征多晶硅层，然后再通过离子注入等方式，获得N+多晶硅层。
为了尽量缓解高温处理对之前形成的遂穿层的影响，本申请的一种实施例中，上述生长N+非晶硅层为低温生长过程，且后续的退火为高温快速热退火。
在硅衬底的背面设置上述N+型多晶硅层的过程包括：在上述硅衬底的背面生长N+非晶硅层；对上述N+非晶硅层进行退火，得到上述N+型多晶硅层。
本申请中的硅衬底的背面与正面是指硅衬底的两个相对的表面，二者实质没有区别，只是在最初设置N+硅层的一侧表面为背面，设置过渡金属氧化物层的一侧表面为正面。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。
实施例
晶体硅太阳能电池的制作过程包括：
对N型硅衬底进行常规的制绒，制绒后N型硅衬底正面和背面均出现绒面结构。接着对制绒后的衬底进行标准的RCA清洗，去除晶体硅表面的有机沾污及金属颗粒等。
完成清洗后，进行双面的遂穿层生长。采用热氧氧化法生长氧化硅层。形成的遂穿层的厚度为1.5nm。
完成遂穿层的生长后，在硅衬底的背面进行N+多晶硅层的制备。N+多晶硅层的制备方法包括：先生长一层N+非晶硅层，然后经高温退火得到N+多晶硅层。其厚度在10～50nm之间，掺杂浓度为1×1020cm-3，这样就完成了电池背场的制备。
随后，通过HF的浸泡，去除硅衬底正面的遂穿层，并在硅衬底的正面制备本征非晶硅层。本征非晶硅层的制备方式采用PECVD法，其厚度为8nm。
接着，采用热蒸发法在本征非晶硅层表面生长过渡金属氧化物层氧化钨层。
再接着，在过渡金属氧化物层的裸露表面制备正面ITO透明导电层，在N+硅层的裸露表面制备背面ITO透明导电层。
最后，在正面ITO透明导电层以及背面ITO透明导电层的表面采用蒸镀的方式完成金属电极的制备，形成图2所示的结构，该结构依次包括背面栅极1、背面透明导电层2、N+硅层3、遂穿层4、硅衬底5、本征非晶硅层6、过渡金属氧化物层7、正面透明导电层8以及正面栅极9。
该晶体硅太阳能电池中，在硅衬底的正面设置有过渡金属氧化物层与本征非晶硅层。过渡金属氧化物层的原料包括过渡金属氧化物，过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；本征非晶硅层可以对与其接触设置的硅衬底的表面缺陷进行进一步的钝化，去除该表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率。
该晶体硅太阳能电池中，在硅衬底的背面设置N+硅层与遂穿层。N+硅层形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子；遂穿层的设置一方面可以有效钝化硅衬底表面缺陷，去除硅衬底表面的悬挂键，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率；另一方面，该层可以通过遂穿效应实现载流子的输运，从而降低硅衬底上的表面复合同时又不影响载流子的输运，提高电池的填充因子，从而提高电池的效率。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请的硅晶体太阳能电池中，在硅衬底的正面设置有过渡金属氧化物层，该层的原料包括过渡金属氧化物，过渡金属氧化物层具有高的功函数和宽的带隙，该层的设置使得硅衬底的正面通过能带工程完成空穴的输运与收集，并降低光的寄生吸收损失，提高电池的短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背面设置N+硅层，该层形成场钝化，实现能带弯曲，允许多子通过而抑制少子通过，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述晶体硅太阳能电池包括依次叠置的背面栅极(1)、背面透明导电层(2)、N+硅层(3)、硅衬底(5)、过渡金属氧化物层(7)、正面透明导电层(8)以及正面栅极(9)，其中，所述N+硅层(3)为N+型多晶硅层或N+非晶硅层。
2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述晶体硅太阳能电池还包括：
遂穿层(4)，设置在所述硅衬底(5)与所述N+硅层(3)之间。
3.根据权利要求2所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述遂穿层(4)包括氧化硅层和/或氧化铝层，优选所述遂穿层(4)的厚度在1.0～1.7nm之间。
4.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述晶体硅太阳能电池还包括：
本征非晶硅层(6)，设置在所述硅衬底(5)与所述过渡金属氧化物层(7)之间。
5.根据权利要求4所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述本征非晶硅层(6)的厚度在4～10nm之间。
6.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述N+硅层(3)为N+型多晶硅层，所述N+型多晶硅层的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，优选所述N+型多晶硅层的厚度在10～50nm之间。
7.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述过渡金属氧化物层(7)的功函数大于或等于5.5eV，优选所述过渡金属氧化物层(7)的厚度在5～15nm之间。
8.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述背面透明导电层(2)和/或所述正面透明导电层(8)包括ITO层。
9.根据权利要求8所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述ITO层的厚度在70～90nm之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述硅衬底(5)为N型硅衬底。
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