CN108598267B - 一种异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型异质结太阳能电池及其制备方法，在该新型异质结太阳能电池的制备过程中，通过设置氮化硅阻挡层并在含氧气氛中进行热处理，使得n型单晶硅片中的第二区的表面的掺杂浓度低于n型单晶硅片内部的掺杂浓度，且通过优化第一区中的多个圆形区域的具体尺寸与间距，进而有效调节第一区的面积与第二区的面积的比值，进而改善n型单晶硅片与Spiro‑OMeTAD层之间的肖特基接触势垒，进而提高该新型异质结太阳能电池的开路电压和填充因子。

Description

一种异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与传统的石化能源相比，太阳能具有绿色清洁和可再生等独特优点。将太阳能转换为电能是广泛利用太阳能的重要技术基础，其转换方式有光热电间接转换和光电直接转换，后者主要指太阳能电池。现有的硅基太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池以及硅基有机无机杂化太阳能电池，其中，硅基有机无机杂化太阳能电池可以结合有机材料和无机材料的优势，并避免各自的缺陷。然而现有的硅基有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率相对较低，有待进一步优化硅基有机无机杂化太阳能电池的结构，以进一步提高其光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种异质结太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一磷掺杂的n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片进行制绒处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成类金字 塔结构。
(2)在所述n型单晶硅片的上表面的局部区域形成第一氮化硅阻挡层，将所述n型单晶硅片分为第一区和第二区，所述第一氮化硅阻挡层覆盖所述第一区，且所述第二区未被所述第一氮化硅阻挡层覆盖，在所述n型单晶硅片的下表面形成第二氮化硅阻挡层，所述第二氮化硅阻挡层完全覆盖所述n型单晶硅片的下表面。
(3)接着将步骤2得到的n型单晶硅片在含氧气氛中进行热处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成氧化硅层，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度。
(4)接着利用氢氟酸溶液去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层。
(5)接着在所述步骤4得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液，旋涂的转速为 1500-2500转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成一Spiro-OMeTAD 层。
(6)接着在所述步骤5得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂 PEDOT:PSS的水溶液，然后进行第二次退火处理，形成一PEDOT:PSS 层。
(7)在所述步骤6得到的所述n型单晶硅片的上表面制备正面栅电极。
(8)接着在所述n型单晶硅片的下表面蒸镀一氟化锂薄层，然后在所述n型单晶硅片的下表面制备背面电极。
作为优选，在所述步骤(2)中，通过PECVD法形成所述第一氮化硅阻挡层和所述第二氮化硅阻挡层，所述第一区包括多个呈阵列排布的圆形区域，所述圆形区域直径为1-3毫米，相邻所述圆形区域的间距为1-3毫米。
作为优选，在所述步骤(3)中，所述含氧气氛为水蒸气或氧气，所述热处理的温度为600-900℃，所述热处理的时间为10-30分钟。
作为优选，在所述步骤(5)中，所述含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液中的Spiro-OMeTAD的浓度为10-30mg/ml，且层状CoS纳米晶得浓度为0.03-0.09mg/ml，所述第一次退火处理的温度为90-110℃，所述第一次退火处理的时间为10-20分钟。
作为优选，在所述步骤(6)中，旋涂的转速为1500-2500转/分钟，所述第二次退火处理的温度为110-120℃，所述第二次退火处理的时间为15-30分钟，所述PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。
作为优选，在所述步骤(7)中，通过PVD法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银或铜，所述正面栅电极的厚度为 150-250纳米。
作为优选，在所述步骤(8)中，所述氟化锂薄层的厚度为0.2-0.8 纳米，通过PVD法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为200-400纳米。
本发明还提出一种异质结太阳能电池，其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：
本发明的异质结太阳能电池的制备过程中，通过设置氮化硅阻挡层并在含氧气氛中进行热处理，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度，且通过优化第一区中的多个圆形区域的具体尺寸与间距，进而有效调节第一区的面积与第二区的面积的比值，进而改善n型单晶硅片与 Spiro-OMeTAD层之间的肖特基接触势垒，进而提高该异质结太阳能电池的开路电压和填充因子。
在Spiro-OMeTAD层的制备过程中，通过在Spiro-OMeTAD的氯苯溶液中添加层状CoS纳米晶，并优化Spiro-OMeTAD以及层状CoS 纳米晶各自的浓度，有效改善了Spiro-OMeTAD层与n型单晶硅片的接触性能，层状CoS纳米晶的存在提高了Spiro-OMeTAD层的功函数和电导率，有效抑制电子和空穴在Spiro-OMeTAD层与n型单晶硅片的接触界面处的复合，有效提高了电子空穴对的分离与传输，进而提高了该异质结太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的异质结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出一种异质结太阳能电池，所述异质结太阳能电池从下至上包括背面电极1、氟化锂层2、n型单晶硅片3、 Spiro-OMeTAD层4、PEDOT:PSS层5以及正面栅电极6。
本发明还提出上述异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一磷掺杂的n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片进行制绒处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成类金字 塔结构。
(2)在所述n型单晶硅片的上表面的局部区域形成第一氮化硅阻挡层，将所述n型单晶硅片分为第一区和第二区，所述第一氮化硅阻挡层覆盖所述第一区，且所述第二区未被所述第一氮化硅阻挡层覆盖，在所述n型单晶硅片的下表面形成第二氮化硅阻挡层，所述第二氮化硅阻挡层完全覆盖所述n型单晶硅片的下表面。
(3)接着将步骤2得到的n型单晶硅片在含氧气氛中进行热处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成氧化硅层，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度。
(4)接着利用氢氟酸溶液去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层。
(5)接着在所述步骤4得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液，旋涂的转速为 1500-2500转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成一Spiro-OMeTAD 层。
(6)接着在所述步骤5得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂 PEDOT:PSS的水溶液，然后进行第二次退火处理，形成一PEDOT:PSS 层。
(7)在所述步骤6得到的所述n型单晶硅片的上表面制备正面栅电极。
(8)接着在所述n型单晶硅片的下表面蒸镀一氟化锂薄层，然后在所述n型单晶硅片的下表面制备背面电极。
其中，在所述步骤(2)中，通过PECVD法形成所述第一氮化硅阻挡层和所述第二氮化硅阻挡层，所述第一区包括多个呈阵列排布的圆形区域，所述圆形区域直径为1-3毫米，相邻所述圆形区域的间距为1-3毫米；在所述步骤(3)中，所述含氧气氛为水蒸气或氧气，所述热处理的温度为600-900℃，所述热处理的时间为10-30分钟。在所述步骤(4)中，将步骤(3)得到的所述n型单晶硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-20分钟以完全去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层。在所述步骤(5)中，所述含有 Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液中的Spiro-OMeTAD的浓度为10-30mg/ml，且层状CoS纳米晶得浓度为0.03-0.09mg/ml，所述第一次退火处理的温度为90-110℃，所述第一次退火处理的时间为 10-20分钟。在所述步骤(6)中，旋涂的转速为1500-2500转/分钟，所述第二次退火处理的温度为110-120℃，所述第二次退火处理的时间为15-30分钟，所述PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。在所述步骤(7)中，通过PVD法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银或铜，所述正面栅电极的厚度为150-250纳米。在所述步骤 (8)中，所述氟化锂薄层的厚度为0.2-0.8纳米，通过PVD法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为 200-400纳米。
实施例1：
本发明一种异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一磷掺杂的n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片进行制绒处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成类金字 塔结构。
(2)在所述n型单晶硅片的上表面的局部区域形成第一氮化硅阻挡层，将所述n型单晶硅片分为第一区和第二区，所述第一氮化硅阻挡层覆盖所述第一区，且所述第二区未被所述第一氮化硅阻挡层覆盖，在所述n型单晶硅片的下表面形成第二氮化硅阻挡层，所述第二氮化硅阻挡层完全覆盖所述n型单晶硅片的下表面，其中，通过 PECVD法形成所述第一氮化硅阻挡层和所述第二氮化硅阻挡层，所述第一区包括多个呈阵列排布的圆形区域，所述圆形区域直径为2毫米，相邻所述圆形区域的间距为2毫米。
(3)接着将步骤2得到的n型单晶硅片在含氧气氛中进行热处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成氧化硅层，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度，其中，所述含氧气氛为氧气，所述热处理的温度为800℃，所述热处理的时间为25分钟。
(4)接着利用氢氟酸溶液去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层，其中，将步骤(3)得到的所述 n型单晶硅片在氢氟酸溶液中浸泡15分钟以完全去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层。
(5)接着在所述步骤4得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液，旋涂的转速为2000转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成一Spiro-OMeTAD层，其中，所述含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液中的 Spiro-OMeTAD的浓度为20mg/ml，且层状CoS纳米晶得浓度为 0.06mg/ml，所述第一次退火处理的温度为100℃，所述第一次退火处理的时间为15分钟。
(6)接着在所述步骤5得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂 PEDOT:PSS的水溶液，然后进行第二次退火处理，形成一PEDOT:PSS 层，旋涂的转速为2200转/分钟，所述第二次退火处理的温度为115℃，所述第二次退火处理的时间为25分钟，所述PEDOT:PSS层的厚度为 40纳米。
(7)在所述步骤6得到的所述n型单晶硅片的上表面制备正面栅电极，其中，通过PVD法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银，所述正面栅电极的厚度为200纳米。
(8)接着在所述n型单晶硅片的下表面蒸镀一氟化锂薄层，然后在所述n型单晶硅片的下表面制备背面电极，其中，所述氟化锂薄层的厚度为0.5纳米，通过PVD法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为300纳米。
上述方法制备的异质结太阳能电池的开路电压为0.64V，短路电流为33.8mA/cm2，填充因子为0.79，光电转换效率为17.1％。
实施例2
本发明一种异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一磷掺杂的n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片进行制绒处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成类金字 塔结构。
(2)在所述n型单晶硅片的上表面的局部区域形成第一氮化硅阻挡层，将所述n型单晶硅片分为第一区和第二区，所述第一氮化硅阻挡层覆盖所述第一区，且所述第二区未被所述第一氮化硅阻挡层覆盖，在所述n型单晶硅片的下表面形成第二氮化硅阻挡层，所述第二氮化硅阻挡层完全覆盖所述n型单晶硅片的下表面，其中，通过 PECVD法形成所述第一氮化硅阻挡层和所述第二氮化硅阻挡层，所述第一区包括多个呈阵列排布的圆形区域，所述圆形区域直径为3毫米，相邻所述圆形区域的间距为3毫米。
(3)接着将步骤2得到的n型单晶硅片在含氧气氛中进行热处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成氧化硅层，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度，其中，所述含氧气氛为水蒸气，所述热处理的温度为600℃，所述热处理的时间为30分钟。
(4)接着利用氢氟酸溶液去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层，其中，将步骤(3)得到的所述 n型单晶硅片在氢氟酸溶液中浸泡10分钟以完全去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层。
(5)接着在所述步骤4得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液，旋涂的转速为2500转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成一Spiro-OMeTAD层，其中，所述含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液中的Spiro-OMeTAD的浓度为15mg/ml，且层状CoS纳米晶得浓度为 0.08mg/ml，所述第一次退火处理的温度为95℃，所述第一次退火处理的时间为20分钟。
(6)接着在所述步骤5得到的所述n型单晶硅片的上表面旋涂 PEDOT:PSS的水溶液，然后进行第二次退火处理，形成一PEDOT:PSS 层，旋涂的转速为1800转/分钟，所述第二次退火处理的温度为120℃，所述第二次退火处理的时间为30分钟，所述PEDOT:PSS层的厚度为 50纳米。
(7)在所述步骤6得到的所述n型单晶硅片的上表面制备正面栅电极，其中，通过PVD法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为铜，所述正面栅电极的厚度为250纳米。
(8)接着在所述n型单晶硅片的下表面蒸镀一氟化锂薄层，然后在所述n型单晶硅片的下表面制备背面电极，其中，所述氟化锂薄层的厚度为0.3纳米，通过PVD法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为400纳米。
上述方法制备的异质结太阳能电池的开路电压为0.63V，短路电流为33.5mA/cm2，填充因子为0.77，光电转换效率为16.3％。
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 (8)

1.一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）提供一磷掺杂的n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片进行制绒处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成类金字 塔结构；
（2）在所述n型单晶硅片的上表面的局部区域形成第一氮化硅阻挡层，将所述n型单晶硅片分为第一区和第二区，所述第一氮化硅阻挡层覆盖所述第一区，且所述第二区未被所述第一氮化硅阻挡层覆盖，在所述n型单晶硅片的下表面形成第二氮化硅阻挡层，所述第二氮化硅阻挡层完全覆盖所述n型单晶硅片的下表面；
（3）接着将步骤（2）得到的n型单晶硅片在含氧气氛中进行热处理，在所述n型单晶硅片的上表面形成氧化硅层，使得所述n型单晶硅片中的所述第二区的表面的掺杂浓度低于所述n型单晶硅片内部的掺杂浓度；
（4）接着利用氢氟酸溶液去除所述第一氮化硅阻挡层、所述第二氮化硅阻挡层以及所述氧化硅层；
（5）接着在所述步骤（4）得到n型单晶硅片的上表面旋涂含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液，旋涂的转速为1500-2500转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成一Spiro-OMeTAD层；
（6）接着在所述步骤（5）得到的n型单晶硅片的上表面旋涂PEDOT:PSS的水溶液，然后进行第二次退火处理，形成一PEDOT:PSS层；
（7）在所述步骤（6）得到的n型单晶硅片的上表面制备正面栅电极；
（8）接着在步骤（7）得到的n型单晶硅片的下表面蒸镀一氟化锂薄层，然后在所述n型单晶硅片的下表面制备背面电极。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，通过PECVD法形成所述第一氮化硅阻挡层和所述第二氮化硅阻挡层，所述第一区包括多个呈阵列排布的圆形区域，所述圆形区域的直径为1-3毫米，相邻所述圆形区域的间距为1-3毫米。
3.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，所述含氧气氛为水蒸气或氧气，所述热处理的温度为600-900℃，所述热处理的时间为10-30分钟。
4.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（5）中，所述含有Spiro-OMeTAD和层状CoS纳米晶的氯苯溶液中的Spiro-OMeTAD的浓度为10-30mg/ml，且层状CoS纳米晶得浓度为0.03-0.09mg/ml，所述第一次退火处理的温度为90-110℃，所述第一次退火处理的时间为10-20分钟。
5.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，旋涂的转速为1500-2500转/分钟，所述第二次退火处理的温度为110-120℃，所述第二次退火处理的时间为15-30分钟，所述PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。
6.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（7）中，通过PVD法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银或铜，所述正面栅电极的厚度为150-250纳米。
7.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤（8）中，所述氟化锂薄层的厚度为0.2-0.8纳米，通过PVD法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为200-400纳米。
8.一种异质结太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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