CN108511553A - 一种高耐候性异质结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐候性异质结太阳电池，包括n型硅衬底、本征非晶硅层、P型掺杂非晶硅层、N型掺杂非晶硅层、透明导电层、金属栅线和端面保护层；n型硅衬底的上下两侧表面上设置本征非晶硅层，上下两侧本征非晶硅层的表面上分别设置P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层；P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层的表面设置透明导电层，透明导电层的表面上设置金属栅线，形成太阳电池本体；端面保护层设置在太阳电池本体的周边未被透明导电层覆盖的端面区域；端面保护层是由高分子材料或无机介电材料制成的薄膜。本发明太阳电池的端面保护层可以保护DH85耐候性测试时水汽对异质结结构钝化层的不利影响，制备简单、成本低、可靠性高，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种高耐候性异质结太阳电池。
背景技术
太阳能因其清洁无污染、使用安全、资源总量丰富等优点，成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业，新能源替代传统石化能源消费也将是必然的发展趋势。太阳能光伏应用将在2050年成为驱动全球经济的主要能源。太阳电池是利用光生伏特效应直接将太阳能转换为电能的新能源器件。目前光伏发电占全球能源消耗总量之比仍很小，未来增长空间巨大。欧洲联合研究中心预测，到2030年，光伏发电在世界总电力中的供应将达到10％以上；到2040年，光伏发电将占电力的20％以上，到21世纪末，光伏发电将占到60％以上，成为人类能源供应的主体，光伏发电增长潜力巨大。截至2017年底，全球累计光伏装机容量超过130GW，过去十年年复合增长率达到47.4％。
相对于传统的太阳电池，异质结太阳电池通过在晶体硅衬底表面沉积本征非晶硅薄膜和掺杂非晶硅薄膜来形成异质PN结，既综合了薄膜电池的工艺优势，又充分发挥了晶体硅衬底、非晶硅薄膜的材料特性、具有结构简单、钝化效果好、工艺温度低、双面发电等优点，成为高效太阳电池发展的热点。通过对硅基薄膜材料和异质结器件的长期探索，研究者在超洁净表面与钝化特性、非晶硅薄膜的生长与微结构、界面缺陷态控制、载流子传输等方面有了较为系统的认识，使其电性能参数不断改善，双面发电的异质结太阳电池光电转换效率超过了25％。
以n型双面SHJ太阳电池为例，其基本结构如图1所示，主要包括n型晶体硅基底、本征非晶硅钝化层、n型(p型)非晶硅掺杂层、表面减反射及导电层、金属电极。由于非晶硅薄膜掺杂层的横向导电性能较差，故在SHJ电池的制备过程中，常在非晶硅和金属栅线之间插入一层光电性能较好的透明导电薄膜作为表面减反射层及导电层，以改善提高电池接触特性及电性能。由于双面异质结太阳电池是对称结构，故掺杂非晶硅层的位置可以互换，即可以是p型非晶硅掺杂层在表面，也可以是n型非晶硅掺杂层在表面。同时，异质结太阳电池也可以是单面结构，即背面沉积整面的金属作为导电电极。这些结构都是异质结太阳电池结构的衍生，为业内所共知。
在异质结太阳电池的沉积过程中，在硅片的两面均沉积一定厚度的透明导电薄膜作为电池的传导层、接触层、减反射层。目前，产业上沉积透明导电薄膜的主要方式有：物理气相沉积、磁控溅射、反应等离子体气相沉积等。这些方法存在如下缺陷：(1)在双面沉积透明导电薄膜的过程中，不可避免的需要使用定制的金属掩膜版，导致边缘存在透明导电薄膜无法沉积的区域；(2)为了防止正反面PN的短路，需要在硅片边缘预留一定的距离不沉积透明导电薄膜，以便进行物理隔离。因此，异质结太阳电池的边沿有0.5-3mm的区域，是没有沉积透明导电薄膜，及非晶硅薄膜沉积在裸硅片后直接暴露在外界环境中，从而导致异质结太阳电池在工作环境中容易造成性能衰减，特别是在DH85耐候性测试时性能衰减严重。DH85耐候性测试指的是双85测试，就是温度是85度湿度为85％的温湿度测试，也可以说是老化实验，这个是产品可靠性测试的一个必要测试。
专利申请人的研究表明，TCO薄膜可以在电镀铜的SHJ太阳电池中充当高温环境下铜扩散的阻挡层，化学和机械稳定性非常稳定。因此，当完成钝化a-Si:H薄膜制备后，应当马上制备TCO薄膜，用以保护高品质的a-Si:H/c-Si界面钝化效果。当a-Si:H薄膜长时间暴露在大气环境时，水汽吸附以及表面氧化可能会影响a-Si:H薄膜的钝化品质。我们测试了有TCO薄膜覆盖和没有TCO薄膜覆盖时a-Si:H薄膜的钝化品质随放置时间(空气环境下)的变化关系，测试结果见图2。从图中可以看出，对于没有TCO覆盖层的a-Si:H薄膜，其钝化品质随放置时间迅速恶化，归一化少子寿命随放置时间增大而呈指数衰减。相反，当在钝化aSi:H薄膜上覆盖一层TCO保护膜以后，高品质的a-Si:H/c-Si界面钝化特性得以完美保持，归一化少子寿命随放置时间增大略有提高后趋于饱和。
通过对老化处理前及处理后的电池样品进行光致发光扫描测试，其结果如图3所示，与老化处理前的电池样品进行比较，处理1000h后，电池边缘出现很多随机分布的黑斑，并且黑斑呈现出从四周向中心扩散蔓延的趋势，与电池边缘四周裸露的a-Si:H薄膜有关。在异质结电池透明导电薄膜的沉积过程中，为了避免引起电池侧面短路，通常采用掩膜板进行边缘遮挡，遮挡宽度为0.5-3mm左右。因此，在DH85的苛刻环境下，水汽很容易破坏裸露在边缘的a-Si:H薄膜，并且向电池中心扩散。大量的黑斑表明a-Si:H/c-Si界面钝化品质已经严重退化，所以电池电性能衰减很大。
目前，为了改善异质结太阳电池组件DH85性能衰减的问题，主要是在组件制造端选用更为优质的封装材料，如超高阻水的背板(≤0.005g/m2.day)、超高阻水的外封边胶带等，来阻挡水汽穿透背板，从而改善异质结太阳电池组件的耐候性。然而，组件端的材料改进只是从后端的补救，并不能从根本性解决DH85耐候性问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有的异质结太阳电池存在的DH85耐候性能衰减的问题。
为了解决上述问题，本发明提出了一种高耐候性异质结太阳电池，通过特定材料覆盖电池表面裸露的区域，以降低在DH85耐候性测试中性能的衰减。
本发明的高耐候性异质结太阳电池，其结构包括：n型硅衬底、本征非晶硅层、P型掺杂非晶硅层、N型掺杂非晶硅层、透明导电层、金属栅线和端面保护层。所述n型硅衬底的上下两侧表面上设置本征非晶硅层，上下两侧本征非晶硅层的表面上分别设置所述P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层。所述P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层的表面设置透明导电层，透明导电层的表面上设置金属栅线，形成太阳电池本体；所述端面保护层设置在太阳电池本体的周边未被透明导电层覆盖的端面区域。所述端面保护层是由高分子材料或无机介电材料制成的薄膜，厚度为1-200um。
优选的是，所述高分子材料为乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯脂树脂、乙烯基醋酸盐、聚酯型聚氨酯中的一种；所述高分子材料的覆盖方式采用热熔法、喷涂法、喷墨打印法、紫外固化法、浸润法中的一种。
优选的是，所述无机介电材料为碳化硅、氮化碳、氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氟化镁中的一种；所述无机介电薄膜的形成方式为等离子体增强化学气相沉积法、物理气相沉积法、紫外-臭氧催化法、溅射法、溶胶凝胶法、化学氧化法、化学气相沉积法、金属有机物化学气相沉积法、原子层沉积法中的一种。
优选的是，所述高分子材料或无机介电材料薄膜的沉积退火温度不超过250℃。所述高分子材料或无机介电材料薄膜的沉积退火温度不超过250℃，退火氛围为空气、氢气、氩气、氮气、氧气、氦气中的一种，气压采用常压、负压或高压中的一种。
进一步优选的是，所述端面保护层为二氧化钛薄膜，其制备方法：首先制备二氧化钛凝胶，通过浸润法在太阳电池本体四周端面覆盖二氧化钛凝胶，然后将该太阳电池在常压空气中250℃退火30min，形成二氧化钛薄膜。
进一步优选的是，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：采用喷墨打印机在太阳电池本体四周端面区域喷墨打印含有二氧化硅的墨水，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min，形成二氧化硅薄膜。
进一步优选的是，所述端面保护层材料为氮化硅，采用等离子体增强化学气相沉积法将氮化硅沉积在太阳电池本体上，然后将该太阳电池在常压下空气中200℃退火30min，形成厚度为10nm的氮化硅薄膜，即为端面保护层。
进一步优选的是，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：利用臭氧发生器获得稳定臭氧浓度的溶液，将太阳电池本体的四周端面浸润到溶液中，形成二氧化硅氧化层，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min在端面形成二氧化硅薄膜。
进一步优选的是，所述端面保护层为乙烯-醋酸乙烯共聚物，利用热熔坩埚将乙烯-醋酸乙烯共聚物加热到180℃，使其处于热熔状态，将太阳电池本体的四周端面浸润到乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔液中，冷却后得到乙烯-醋酸乙烯共聚物覆盖的端面保护层。
进一步优选的是，所述透明导电层的形成方式为物理气相沉积，其材料为透明导电氧化物TCO，厚度为80nm。所述金属栅线为Ag、Au、Cu、Al、Sn、Ni中的一种或其合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的异质结太阳电池设有端面保护层，该保护层存在于太阳电池表面未被透明导电层覆盖的端面区域，阻隔了水汽通过非晶硅薄膜渗透到电池核心区域，从而达到提高DH85测试耐候性的效果；本发明具有工艺简单、低成本、高可靠性的优势，与现有异质结太阳电池制备工艺匹配的特点，在太阳电池制造领域具有广泛的应用前景及实用价值。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、常规异质结太阳电池结构示意图。
图2、透明导电薄膜对非晶硅薄膜钝化品质衰减的影响。
图3、DH85老化处理前后电池光致发光性能变化。
图4、本发明异质结太阳电池的结构示意图。
图5、端面沉积保护层后电池DH85测试前后的电致发光图片(a为DH85前，b为DH85后)。
图中标号：201-n型硅衬底、202-本征非晶硅层、203-P型掺杂非晶硅层、204-N型掺杂非晶硅层、205-透明导电层、206-金属栅线、207-端面保护层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图4所示，本发明的高耐候性异质结太阳电池，其结构包括：n型硅衬底201、本征非晶硅层202、P型掺杂非晶硅层203、N型掺杂非晶硅层204、透明导电层205、金属栅线206和端面保护层207。在所述n型硅衬底201的上下两侧表面上设置本征非晶硅层202，上下两侧本征非晶硅层202的表面上分别设置所述P型掺杂非晶硅层203和N型掺杂非晶硅层204。所述P型掺杂非晶硅层203和N型掺杂非晶硅层204的表面设置透明导电层205，透明导电层的表面上设置金属栅线206。上述的n型硅衬底201、本征非晶硅层202、P型掺杂非晶硅层203、N型掺杂非晶硅层204、透明导电层205以及金属栅线206组合在一起形成太阳电池本体；所述端面保护层207设置在太阳电池本体的周边未被透明导电层覆盖的端面区域。所述端面保护层是由高分子材料或无机介电材料制成的薄膜，厚度为1-200um。
实施例2
本发明的高耐候性异质结太阳电池的制备方法步骤如下：
步骤1、提供硅异质结光伏结构：所述异质结光伏结构包括具有相反掺杂且成份或结构不同的半导体材料，异质结光伏结构的制程温度不超过250℃。所述异质结光伏结构包括n型硅衬底201，n型硅衬底201的正面结合有本征非晶硅层202及p型掺杂非晶硅层203，所述n型硅衬底201的背面结合有本征非晶硅层202及n型掺杂非晶硅层204。
步骤2、在所述硅异质结光伏结构的表面形成透明导电层205及金属电极206，形成太阳电池本体。
所述透明导电层205的厚度范围为1-100nm。透明导电层205的形成方式包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、反应等离子气相沉积、溶胶凝胶法、电沉积、等离子体增强化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积及原子层沉积中的一种。透明导电层205具有导电性及透光性，包括但不仅限于In2O3、In2O3:H、In2O3:Sn(ITO)、In2O3:W(IWO)、In2O3:Ce(ICO)、In2O3:Mo(IMO)、ZnO，ZnO:Al(AZO)、ZnO:Ga(GZO)、CdO、SnO2、SnO2:F(FTO)、SnO2:Sb、MgIn2O4、Zn2In2O5、Zn2SnO4、LaB4、TiN、ZrN、PEDOT:PSS、PPY-PVA、聚苯胺、聚噻吩、Au、Al、Pt、Pd、Ag、Cr中的一种或两种以上的叠层。优选的是，所述透明导电层205的形成方式选用为物理气相沉积，其材料为透明导电氧化物TCO，其厚度为80nm。
所述金属栅线206的形成方式包括但不仅限于丝网印刷、喷墨打印、电镀、化学镀、溅射、物理气相沉积、喷涂中的一种。优选的是，所述金属栅线206采用丝网印刷工艺制备。所述金属栅线206的材料包括Ag、Au、Cu、Al、Sn等金属材料。
步骤3、在所述太阳电池本体的周边端面未被透明导电层覆盖的区域沉积端面保护层207。所述端面207保护层材料包括乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯脂树脂、乙烯基醋酸盐、聚酯型聚氨酯、透明树脂等高分子材料，或碳化硅、氮化碳、氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氟化镁等无机介电薄膜材料。所述端面保护层厚度范围为1-200um。所述端面保护层的形成方式选用等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、紫外-臭氧催化法、溅射、溶胶凝胶法、化学氧化法、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、原子层沉积中的一种。优选的一种方式为：所述端面保护层材料为氮化硅，采用等离子体增强化学气相沉积法将氮化硅沉积在太阳电池本体上，然后将该太阳电池在常压下空气中200℃退火30min，形成厚度为10nm的氮化硅薄膜，即为端面保护层207。
实施例3
另一种优选方式，所述端面保护层为二氧化钛薄膜，其制备方法：首先制备二氧化钛凝胶，通过浸润法在太阳电池本体四周端面覆盖二氧化钛凝胶，然后将该太阳电池在常压空气中250℃退火30min，形成二氧化钛薄膜。
实施例4
另一种优选方式，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：采用喷墨打印机在太阳电池本体四周端面区域喷墨打印含有二氧化硅的墨水，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min，形成二氧化硅薄膜。
实施例5
另一种优选方式，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：利用臭氧发生器获得稳定臭氧浓度的溶液，将太阳电池本体的四周端面浸润到溶液中，形成二氧化硅氧化层，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min在端面形成二氧化硅薄膜。
实施例6
另一种优选方式，所述端面保护层为乙烯-醋酸乙烯共聚物，其制备方法：利用热熔坩埚将乙烯-醋酸乙烯共聚物加热到180℃，使其处于热熔状态，将太阳电池本体的四周端面浸润到乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔液中，冷却后得到乙烯-醋酸乙烯共聚物覆盖的端面保护层。
图5中a、b分别是端面沉积保护层后的电池DH85耐候性测试前、后的电致发光图片。从图中可以看出，对于具有端面保护层结构的太阳电池，DH85处理前后电池的电致发光图像基本一致，只是做过DH85测试后发光亮度有轻微的降低，这说明a-Si:H/c-Si的界面钝化效果得以完美保持，所以电池的效率衰减很低。由此表明，与现有的质结太阳电池相比，本发明的异质结太阳电池的耐候性能显著提高。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，包括：n型硅衬底、本征非晶硅层、P型掺杂非晶硅层、N型掺杂非晶硅层、透明导电层、金属栅线和端面保护层；
所述n型硅衬底的上下两侧表面上设置本征非晶硅层，上下两侧本征非晶硅层的表面上分别设置所述P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层；所述P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层的表面设置透明导电层，透明导电层的表面上设置金属栅线，形成太阳电池本体；所述端面保护层设置在太阳电池本体的周边未被透明导电层覆盖的端面区域；所述端面保护层是由高分子材料或无机介电材料制成的薄膜，厚度为1-200um。
2.如权利要求1所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层高分子材料为乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯脂树脂、乙烯基醋酸盐、聚酯型聚氨酯中的一种；所述高分子材料的覆盖方式采用热熔法、喷涂法、喷墨打印法、紫外固化法、浸润法中的一种。
3.如权利要求1所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层无机介电材料为碳化硅、氮化碳、氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氟化镁中的一种；所述无机介电薄膜的形成方式为等离子体增强化学气相沉积法、物理气相沉积法、紫外-臭氧催化法、溅射法、溶胶凝胶法、化学氧化法、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积法、原子层沉积法中的一种。
4.如权利要求1所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述高分子材料或无机介电材料薄膜的沉积退火温度不超过250℃，退火氛围为空气、氢气、氩气、氮气、氧气、氦气中的一种，气压采用常压、负压或高压中的一种。
5.如权利要求2所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层为二氧化钛薄膜，其制备方法：首先制备二氧化钛凝胶，通过浸润法在太阳电池本体四周端面覆盖二氧化钛凝胶，然后将该太阳电池在常压空气中250℃退火30min，形成二氧化钛薄膜。
6.如权利要求2所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：采用喷墨打印机在太阳电池本体四周端面区域喷墨打印含有二氧化硅的墨水，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min，形成二氧化硅薄膜。
7.如权利要求2所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层为乙烯-醋酸乙烯共聚物，利用热熔坩埚将乙烯-醋酸乙烯共聚物加热到180℃，使其处于热熔状态，将太阳电池本体的四周端面浸润到乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔液中，冷却后得到乙烯-醋酸乙烯共聚物覆盖的端面保护层。
8.如权利要求3所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层材料为氮化硅，采用等离子体增强化学气相沉积法将氮化硅沉积在太阳电池本体上，然后将该太阳电池在常压下空气中200℃退火30min，形成厚度为10nm的氮化硅薄膜，即为端面保护层。
9.如权利要求3所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述端面保护层为二氧化硅薄膜，其制备方法：利用臭氧发生器获得稳定臭氧浓度的溶液，将太阳电池本体的四周端面浸润到溶液中，形成二氧化硅氧化层，然后将该太阳电池在氧气中200℃退火30min在端面形成二氧化硅薄膜。
10.如权利要求1-9任意一项所述的高耐候性异质结太阳电池，其特征在于，所述透明导电层的形成方式为物理气相沉积，其材料为透明导电氧化物TCO，厚度为80nm，所述金属栅线为Ag、Au、Cu、Al、Sn、Ni中的一种或其合金。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180907 |