CN108417666B - 一种高效率硅基光伏电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效率硅基光伏电池的制造方法，其包括：在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理；在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理；在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种高效率硅基光伏电池及其制造方法。
背景技术
随着工业的高度发展和人口的持续增长，对能源的需求也急剧增加，其中煤炭和石油是最主要的能源材料。然而地球上的煤炭和石油总储藏量有限且不可再生，因而全球面临着严峻的能源问题。同时煤炭和石油的使用过程中也会造成严重的环境污染，给我们的地球造成了巨大的灾难。只有可再生能源的大规模利用以替代煤炭和石油，才能促进人类社会的可持续发展。太阳能是来自于太阳内部的核聚变所蕴藏着的、并能爆发向外辐射的能量，与传统能源相比，太阳能取之不尽，用之不竭。如何充分利用太阳能，使得太阳能真正取代煤炭和石油，成为全人类的能源消耗的最重要来源，已成为人们的研究重点。目前通常利用太阳能电池将光能转换为电能，现有N型单晶硅太阳能电池的制备过程中，在钝化层上刻蚀开口的工艺中常会对P型硅层造成损伤，进而影响N型单晶硅太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种高效率硅基光伏电池及其制造方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种高效率硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
作为优选，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。
作为优选，在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。
作为优选，在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。
作为优选，在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-3分钟，第一次退火处理的温度为100-130℃以及时间为20-30分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为1-3mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，第二次退火处理的温度为300-500℃以及时间为20-50分钟。
作为优选，在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为2-5mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为3000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，退火处理的温度为300-500℃以及时间为15-30分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为1-3mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，干燥处理的温度为110-130℃以及时间为10-20分钟。
作为优选，在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
本发明还提供了一种高效率硅基光伏电池，所述高效率硅基光伏电池为采用上述方法制备形成的。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的N型单晶硅太阳能电池的制备过程中，利用激光工艺对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口之后，在暴露的N型硅层表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层，有效减少P型硅层表面的缺陷态，进而减少电子在N型硅层表面复合的几率，同时硫化钴纳米粉末的存在可以改善空穴的传输性能，同时通过优化各工序的具体工艺参数，以形成合适厚度的硫化钴/氧化锆复合层，在有效减少P型硅层表面的缺陷态的同时，硫化钴/氧化锆复合层的存在可以有效改善N型单晶硅太阳能电池的短路电流和填充因子，进而提高其光电转换效率。
同时在下电极与N型单晶硅之间形成二氧化钛/黑磷烯复合层，通过优化各项工艺参数，改善了下电极与N型单晶硅之间的接触性能，有效减少漏电流，便于电子的有效传输，进而提高该N型单晶硅太阳能电池的光电转换效率。利用本发明的方法形成N型单晶硅太阳能电池的过程中，在现有制备工艺的基础上，利用简单的旋涂工艺和退火工艺，即可形成均匀致密的硫化钴/氧化锆复合层和二氧化钛/黑磷烯复合层，且通过大量的试验以得到最优的工艺参数，且本发明的制备过程简单，降低了生产能耗，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明的高效率硅基光伏电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明具体实施例提出的一种高效率硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
其中，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-3分钟，第一次退火处理的温度为100-130℃以及时间为20-30分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为1-3mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，第二次退火处理的温度为300-500℃以及时间为20-50分钟。在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为2-5mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为3000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，退火处理的温度为300-500℃以及时间为15-30分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为1-3mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，干燥处理的温度为110-130℃以及时间为10-20分钟。在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的高效率硅基光伏电池，所述高效率硅基光伏电池从下至上包括下电极1、二氧化钛/黑磷烯复合层2、N型单晶硅片3、绒面层(未图示)、P型硅层4、氮化硅钝化层5、硫化钴/氧化锆复合层6以及上电极7，所述氮化硅钝化层5在预备形成上电极7的区域形成开口51，以暴露所述P型硅层4，在所述氮化硅钝化层5的表面和侧面以及暴露的P型硅层4的表面形成有硫化钴/氧化锆复合层6，即在P型硅层4与上电极7之间具有硫化钴/氧化锆复合层6。
实施例1：
一种高效率硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
其中，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.3mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为3000转/分钟以及时间为2分钟，第一次退火处理的温度为120℃以及时间为25分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为2mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为3000转/分钟以及时间为3分钟，第二次退火处理的温度为400℃以及时间为40分钟。在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为4mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为3500转/分钟以及时间为3分钟，退火处理的温度为400℃以及时间为25分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为2mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为2500转/分钟以及时间为2分钟，干燥处理的温度为120℃以及时间为15分钟。在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
上述方法制备的高效率硅基光伏电池的开路电压为0.685V，短路电流为41.6mA/cm2，填充因子为0.81，光电转换效率为23.1％。
实施例2
一种高效率硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
其中，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.5mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为4000转/分钟以及时间为3分钟，第一次退火处理的温度为130℃以及时间为20分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为3mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为4000转/分钟以及时间为5分钟，第二次退火处理的温度为500℃以及时间为20分钟。在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为5mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为4000转/分钟以及时间为5分钟，退火处理的温度为500℃以及时间为15分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为3mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为3000转/分钟以及时间为3分钟，干燥处理的温度为130℃以及时间为10分钟。在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
上述方法制备的高效率硅基光伏电池的开路电压为0.679V，短路电流为41.3mA/cm2，填充因子为0.79，光电转换效率为22.2％。
实施例3
一种高效率硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
其中，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.1mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为2000转/分钟以及时间为1分钟，第一次退火处理的温度为100℃以及时间为30分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为1mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为2000转/分钟以及时间为1分钟，第二次退火处理的温度为300℃以及时间为50分钟。在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为2mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为3000转/分钟以及时间为1分钟，退火处理的温度为300℃以及时间为15分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为1mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为2000转/分钟以及时间为1分钟，干燥处理的温度为110℃以及时间为20分钟。在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
上述方法制备的高效率硅基光伏电池的开路电压为0.665V，短路电流为40.1mA/cm2，填充因子为0.79，光电转换效率为21.1％。
对比例：
作为对比，一种硅基光伏电池的制造方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；(4)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极。
其中，在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
上述方法制备的参比硅基光伏电池的开路电压为0.650V，短路电流为39.6mA/cm2，填充因子为0.80，光电转换效率为20.6％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种硅基光伏电池的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面形成绒面层；
(2)在所述N型单晶硅片的上表面形成P型硅层；
(3)在所述P型硅层上沉积氮化硅钝化层，并对所述氮化硅钝化层进行刻蚀处理以在预备形成上电极的区域形成开口，以暴露所述P型硅层；
(4)在所述N型单晶硅片的上表面旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液，并进行第一次退火处理，接着旋涂含有乙醇锆的溶液，并进行第二次退火处理，以在所述氮化硅钝化层的表面和侧面以及暴露的所述P型硅层的表面形成硫化钴/氧化锆复合层；
(5)在所述N型单晶硅片的下表面旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液，并进行退火处理，接着旋涂含有黑磷烯的溶液，并进行干燥处理，以形成二氧化钛/黑磷烯复合层；
(6)在所述N型单晶硅片的上表面形成上电极，并在所述N型单晶硅片的下表面形成下电极；
其中，在所述步骤(4)中，含有硫化钴纳米粉末的溶液中的硫化钴纳米粉末的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂含有含有硫化钴纳米粉末的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-3分钟，第一次退火处理的温度为100-130℃以及时间为20-30分钟，含有乙醇锆的溶液中的乙醇锆的浓度为1-3mg/ml，旋涂含有乙醇锆的溶液的速度为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，第二次退火处理的温度为300-500℃以及时间为20-50分钟；
其中，在所述步骤(5)中，含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液中的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的浓度为2-5mg/ml，旋涂含有二异丙氧基双乙酰丙酮钛的溶液的速度为3000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，退火处理的温度为300-500℃以及时间为15-30分钟，含有黑磷烯的溶液中的黑磷烯的浓度为1-3mg/ml；旋涂含有黑磷烯的溶液的速度为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，干燥处理的温度为110-130℃以及时间为10-20分钟。
2.根据权利要求1所述的硅基光伏电池的制造方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，通过碱制绒工艺形成所述绒面层，所述绒面层中含有多个金字塔凸起结构。
3.根据权利要求1所述的硅基光伏电池的制造方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，通过热扩散工艺向所述N型单晶硅片中扩散硼以形成P型硼掺杂层，或者通过离子注入工艺向所述N型单晶硅片中注入硼，并进行热处理以形成P型硼掺杂层。
4.根据权利要求1所述的硅基光伏电池的制造方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，通过激光刻蚀工艺形成所述开口。
5.根据权利要求1所述的硅基光伏电池的制造方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，所述上电极的材质为铝，所述下电极的材质为银。
6.一种硅基光伏电池，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的方法制备形成的。
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