CN108538937B - 一种太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳电池及其制备方法。本发明的太阳电池采用硫化铟作为n型发射层，与硅基体成形成硅基硫化铟异质结。本发明的太阳电池采用以下方法制备而成：在双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物，形成欧姆接触层，以及获得铝背场；n型硫化铟发射层、导电膜、银前电极形成于硅片的另一面。本发明的硅基硫化铟异质结太阳电池与传统硅基异质结太阳电池相比具有更好的光学性能，可减少寄生吸收增大短路电流。本发明整个制备工艺避免高温处理过程，且制备过程中无污染物质的排放，对环境保护与节约能源非常有利。
Description
技术领域
本发明属于异质结太阳电池技术领域，具体涉及一种硅基硫化铟异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，同时也是不产生任何环境污染的清洁能源。充分有效地利用太阳能，对于解决能源短缺及环境污染有着重要的意义。
不管是常规晶体硅太阳电池还是高效晶体硅太阳电池，都需经过高温扩散工艺制备p-n结，由此将给晶体硅带来晶格损伤和各种缺陷，引入复合中心从而降低太阳电池效率。采用非晶硅与晶体硅结合形成的p-n异质结太阳电池则无需高温工艺，可在低于300℃的条件下制备。1983年Koji Okuda等人采用非晶硅和多晶硅叠层结构在200-300℃条件下制备了效率超过12％的异质结太阳电池。1992年三洋机电的Makoto Tanaka等人在非晶硅与晶体硅层之间插入了一层本征非晶硅层，在低于200℃的条件下制备了效率超过18％的异质结太阳电池，此电池就是如今的HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)太阳电池。
HIT太阳电池经过多年的研究，取得了26.67％的世界最高效率。近年来国内对于HIT太阳电池的研究越来越多，制备出来的电池效率相比三洋机电的电池效率还有一定差距。HIT结构就是在p型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜，采取该工艺措施后，改变了PN结的性能。HIT电池难点在于无法稳定制备出性能优良的本征非晶硅层。而且由于非晶硅的寄生吸收，导致HIT太阳电池的短路电流比其他高效太阳电池的更小。因此需要另辟蹊径寻找一种寄生吸收小的新材料与晶体硅结合形成异质结制备高效太阳电池。
In2S3是典型的III～VI族硫化物。它具有三种不同的缺陷结构，分别为α-In2S3(缺陷立方结构)、β-In2S3(缺陷尖晶石结构)和β-In2S3(层状结构)。在室温下可以稳定存在的是β-In2S3。它的带隙宽度是2.0～2.7eV，在未掺杂的情况下一般呈现n型半导体的性质。β-In2S3具有优良的光学性能、电学性能、声学性能以及光电化学性质，是一种非常有潜力的光电材料。β-In2S3材料在许多领域具有重要的应用前景，特别是在太阳电池中的应用，对可见光波段的透射率较大，是一种清洁无污染的缓冲层材料。In2S3在保证了太阳电池光电转换效率的同时解决了Cd带来的环境污染问题。据报道，采用原子层化学气相沉积法制备In2S3作为缓冲层的CIGS太阳电池，其转换效率可以达到24.41％，非常接近使用CdS作为缓冲层的CIGS太阳电池转换效率(25.56％)。
现有技术中硫化铟还几乎没有应用在硅基异质结太阳电池当中，实验室研究中偶有涉及类似结构的电池方面，但硫化铟电阻率比较大，厚度增大，会导致器件性能下降性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种硅基硫化铟异质结太阳电池，改善以往HIT太阳电池由于其寄生吸收导致HIT太阳电池的短路电流较小的缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种太阳电池，包括：硅基体层、n型发射层、导电层、银前电极、欧姆接触层以及铝背场，其中所述硅基体层的其中一面形成所述n型发射层，n型发射层其中一面与硅基体成之间的界面形成p-n结；所述导电层形成于n型发射层的另一面，所述银前电极形成于导电层表面，前段向外露出，后端贯穿所述导电层并与所述n型发射层相连；所述欧姆接触层形成于硅基体层的另一面，铝背场形成于欧姆接触层表面。
优选地，所述n型发射层为硫化铟。
优选地，所述硅基体层与n型发射层之间的界面形成的p-n结为硅基硫化铟异质结。
优选地，所述硅基体层为p型单晶硅。
(100)晶向的p型单晶硅衬底表面硅原子最少，悬挂键最少，所以相对而言，产生的不希望的反应和缺陷少些，适合较高要求产品，在p型(100)晶向的单晶硅衬底上沉积硫化铟薄膜，形成In2S3(n)/c-Si(p)异质结太阳电池，硫化铟作为发射极的同时还作为窗口层，可以减少寄生吸收，增加电池量子效率，从而提高短路电流。硫化铟与硅晶格匹配好，界面态缺陷少可以减小界面复合增大开压。
优选地，所述导电层为ITO导电膜。
ITO作为透明导电薄膜，主要起到收集横向电流的作用，且本身与银和In2S3的接触电阻较小，可获得较低的串联电阻，寄生性吸光比较小，可增大电池对红外波段的响应。
本发明还提供一种太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
在双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物，形成欧姆接触层，继续蒸镀，获得铝背场；接着对所述双面制绒硅片的另一面进行清洗除去表面氧化层，吹干后在该面镀制硫化铟薄膜，形成n型硫化铟发射层；然后，在硫化铟薄膜表面沉积导电膜；最后在导电膜表面蒸镀银，作为银前电极，即得硫化铟-硅异质结太阳电池。
优选地，在所述双面制绒硅片的另一面镀制硫化铟薄膜采用热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜，所述热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜的工艺参数为：硅片的温度为25～350℃，真空度为1×e-2-1×e-5Pa，蒸发速率为
优选地，在所述硫化铟薄膜表面沉积ITO透明导电膜采用磁控溅射法镀制ITO透明导电膜，所述磁控溅射法的工艺参数为：硅片的温度为20～350℃，本底真空度为1×e-2-1×e-5Pa，溅射功率为10～180W，氩气流量为10～30sccm。
优选地，在所述双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物的工艺参数为：硅片的温度为室温，真空度为1×e-2-1×e-5Pa，蒸发速率为
优选地，在所述双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物以及铝背场的工艺参数为：硅片的温度为室温，真空度为1×e-2-1×e-5Pa，蒸发速率为
优选地，在所述ITO透明导电层表面上设置电极掩膜版利用热蒸发法蒸镀银作为银前电极，其工艺参数为：蒸发速率为真空度为1×e-2-1×e-5Pa，硅片的温度为室温。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用硫化铟材料与传统硅基异质结太阳电池材料(如：碳、非晶碳、CuO、FeSi2等)相比具有更优越的光学性能，作为硫化铟硅异质结太阳电池的发射极，可减少寄生吸收增大短路电流，另外硫化铟与硅晶格匹配好，界面态缺陷少可以减小界面复合增大开压。
本发明整个制备工艺避免高温处理过程，且制备过程中无污染物质的排放，对环境保护与节约能源非常有利。
附图说明
图1为实施例1-3中太阳电池的剖面图。
图2为实施例1-3中In2S3材料的X射线光电子能谱图。
具体实施方式
下面，为了便于理解本发明，参照附图，详细说明本发明。
实施例1
图1是概要示出本发明的本实施例的太阳电池的剖面图。如图1所示，本发明的太阳电池包括：硅基体层1、n型发射层2、导电层3、银前电极6、欧姆接触层4以及铝背场5，其中硅基体层1的其中一面形成n型发射层2，n型发射层2其中一面与硅基体层1之间的界面形成p-n结；导电层3形成于n型发射层2的另一面，银前电极6形成于导电层表面3，前段向外露出，后端贯穿所述导电层3并与n型发射层2相连；欧姆接触层4形成于硅基体层1的另一面，铝背场5形成于欧姆接触层表面4。
其中，上述n型发射层2为硫化铟，硅基体层1与n型发射层2之间的界面形成的p-n结为硅基硫化铟异质结，硅基体层1为单晶硅，导电层3为ITO导电膜。
上述实施例的太阳电池采用以下方法制备而成：
(1)选取p型单晶硅作为衬底，采用双面碱制绒，在p型单晶硅的双面获得金字塔绒面结构，然后清洗硅片，并干燥；
(2)在上述p型单晶硅片的其中一面蒸镀过渡金属氧化物WO3/MoO3/V2O5获得良好的欧姆接触层，接着继续蒸镀获得铝背场，该步骤的工艺参数为：硅片的温度为室温，真空度为1×e-2-1×e-5Pa，蒸发速率为
(3)用清洗槽对p型单晶硅片的另一制绒面进行单面HF清洗除去表面氧化层，用氮气吹干后，在该面采用热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜，形成n型硫化铟发射极，热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜的工艺参数为：硅片的温度为350℃，真空度为1×e-2-1×e-5Pa，蒸发速率为
(4)采用磁控溅射法在硫化铟薄膜表面制备ITO透明导电膜，其工艺参数为：硅片的温度为20℃，本底真空度为1×e-2-1×e-5Pa，溅射功率为10W，氩气流量为10sccm；
(5)在上述ITO透明导电层表面上设置电极掩膜版利用热蒸发法蒸镀银，作为银前电极，由此制得硅基硫化铟异质结太阳电池In2S3(n)-Si(p)，该步骤工艺参数为：硅片的温度为室温，蒸发速率为真空度为1×e-2-1×e-5Pa。
实施例2
本实施例中的太阳电池的结构与实施例1的相同。
本实施例中的太阳电池的制备方法除步骤(2)中的蒸发速率为步骤(3)中的硅片的温度为室温，蒸发速率为/>步骤(4)中的硅片的温度为350℃，溅射功率为180W，氩气流量为30sccm；以及步骤(5)中的蒸发速率为/>外，其余步骤及参数均与实施例1相同。
实施例3
本实施例中的太阳电池的结构与实施例1的相同。
本实施例中的太阳电池的制备方法除步骤(2)中的蒸发速率为步骤(3)中的硅片的温度为250℃，蒸发速率为/>步骤(4)中的溅射功率为100W，氩气流量为20sccm；以及步骤(5)中的蒸发速率为/>外，其余步骤及参数均与实施例1相同。
将实施例1-3中的太阳电池的In2S3薄膜进行分析，结果如下：
由图2实施例1-3的In2S3材料的X射线光电子能谱，可知该图说明本发明制备出来In2S3薄膜主要由In、S元素组成，元素比例S：In＝1.70:1。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种太阳电池，其特征在于，所述太阳电池包括：硅基体层、n型发射层、导电层、银前电极、欧姆接触层以及铝背场，其中所述硅基体层的其中一面形成所述n型发射层，n型发射层其中一面与所述硅基体层之间的界面形成p-n结；所述导电层形成于所述n型发射层的另一面，所述银前电极形成于所述导电层表面，前段向外露出，后端贯穿所述导电层并与所述n型发射层相连；所述欧姆接触层形成于所述硅基体层的另一面，所述铝背场形成于所述欧姆接触层表面；所述n型发射层为硫化铟，所述硅基体层与n型发射层之间的界面形成的p-n结为硅基硫化铟异质结。
2.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述硅基体层为p型单晶硅。
3.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述导电层为ITO导电膜。
4.一种如权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物，形成欧姆接触层，继续蒸镀，获得铝背场；接着对所述双面制绒硅片的另一面进行清洗除去表面氧化层，吹干后在该面镀制硫化铟薄膜，形成n型硫化铟发射层；然后，在硫化铟薄膜表面沉积导电膜；最后在导电膜表面蒸镀银，作为银前电极，即得硫化铟-硅异质结太阳电池。
5.如权利要求4所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述双面制绒硅片的另一面镀制硫化铟薄膜采用热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜，所述热蒸发法蒸镀硫化铟薄膜的工艺参数为：硅片的温度为25~350℃，真空度为1×e-2~1×e-5 Pa，蒸发速率为1~100Å/s。
6.如权利要求4所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述硫化铟薄膜表面沉积导电膜采用磁控溅射法镀制导电膜，所述磁控溅射法的工艺参数为：硅片的温度为20~350℃，本底真空度为1×e-2~1×e-5 Pa，溅射功率为10~180 W，氩气流量为10~30 sccm。
7.如权利要求4所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述双面制绒硅片的一面蒸镀过渡金属氧化物以及铝背场的工艺参数为：硅片的温度25℃，真空度为1×e-2~1×e-5Pa，蒸发速率为1~100 Å/s。
8.如权利要求4所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述导电层表面上放置电极掩膜版利用热蒸发法蒸镀银作为银前电极，其工艺参数为：蒸发速率为1~100 Å/s，真空度为1×e-2~1×e-5 Pa，硅片的温度为25℃。
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