CN110391306A - 一种太阳能电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池及制备方法，用以提高透过率，提升太阳能电池的转换效率。所述太阳能电池，包括：核心层，所述核心层包括：单晶硅片层、钝化层和发射极层；至少一个复合透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面，包括：第一透明导电薄膜层，采用掺氢的透明导电氧化物材料；第二透明导电薄膜层，采用不掺氢的透明导电氧化物材料；栅线，形成于所述复合透明导电薄膜层的表面。
Description
技术领域
本发明涉及光学及电子技术领域，特别涉及一种太阳能电池及制备方法。
背景技术
高效、高稳定性、双面发电和低度电成本的异质结非晶硅/晶硅太阳能电池(HJT)有望成为未来的主流光伏技术之一。太阳能电池的转换效率一直是业内关注的重要指标之一，如何能提升太阳能电池的转换效率，是一个不断需要探索和解决的问题。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池及制备方法，用以提高透过率，提升太阳能电池的转换效率。
本发明提供一种太阳能电池，包括：
核心层，所述核心层包括：单晶硅片层、钝化层和发射极层；
至少一个复合透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面，包括：
第一透明导电薄膜层，采用掺氢的透明导电氧化物材料；
第二透明导电薄膜层，采用不掺氢的透明导电氧化物材料；
栅线，形成于所述复合透明导电薄膜层的表面。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例采用复合透明导电薄膜层，掺氢的透明导电氧化物材料与不掺氢的透明导电氧化物材料组成叠层的透明导电薄膜层，可提高透过率，提升太阳能电池的转换效率。
可选的，第一透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面；第二透明导电薄膜层，形成于所述第一透明导电薄膜层的表面；或者
第一透明导电薄膜层，形成于所述第二透明导电薄膜层的表面；第二透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例提供多种实现方式，均可以获得较好的光学效果和电学效果。
可选的，第一透明导电薄膜层有多层，和/或，第二透明导电薄膜层有多层；
第一透明导电薄膜层与第二透明导电薄膜层有本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果交错排布。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例中第一透明导电薄膜层与第二透明导电薄膜层均可以有多层，可进一步提高太阳能电池的性能。
可选的，所述复合透明导电薄膜层有两个，分别形成于所述核心层的正背表面。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例中核心层的正背表面均可形成复合透明导电薄膜层，可进一步提高透过率，提升太阳能电池的转换效率。
可选的，所述复合透明导电薄膜层的厚度范围为100nm～120nm。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例提供了复合透明导电薄膜层的厚度范围，在该厚度范围下，有效透过率较好，能带带隙较大。
可选的，所述第一透明导电薄膜层和所述第二透明导电薄膜层的厚度比值范围为(28～82)：(82～28)。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例提供了第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层的厚度比值范围，在该厚度比值范围下，有效透过率较好，能带带隙较大。
在一个优选的实施方式中，所述核心层依次包括：N型掺杂层、本征钝化层、单晶硅片层(N型或P型)、本征钝化层和P型掺杂层。
本发明提供一种太阳能电池的制备方法，包括：
在太阳能电池的核心层的表面沉积复合透明导电薄膜层；所述复合透明导电薄膜层包括：第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层；所述第一透明导电薄膜层采用掺氢的透明导电氧化物材料；所述第二透明导电薄膜层采用不掺氢的透明导电氧化物材料；
在所述复合透明导电薄膜层的表面制备栅线，使所述栅线与复合透明导电薄膜层电连接。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例实现了复合透明导电薄膜层的制备工艺，可生产出性能较好的太阳能电池。
可选的，所述在太阳能电池的核心层的表面沉积复合透明导电薄膜层，包括：
在太阳能电池的核心层的表面先沉积第一透明导电薄膜层；和/或者
在太阳能电池的核心层的表面先沉积第二透明导电薄膜层。
可选的，所述第一透明导电薄膜层，的沉积工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：20-1：10，氢气与氩气的流量比范围1：50-1：25。
可选的，所述第二透明导电薄膜层的沉积工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：7-2：7。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例提供了第一透明导电薄膜层的制备工艺条件，在该工艺条件下制备成功率较高，太阳能电池的性能较好。
可选的，在所述第二透明导电薄膜层的表面制备栅线，包括：
通过丝网印刷方式和/或电镀方式在所述第二透明导电薄膜层的表面制备栅线。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本实施例提供多种栅线的制备方法，适用于多种应用场景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1A为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图1B为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图1C为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图1D为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图2为本发明实施例中核心层的结构图；
图3为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图4为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图5为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图6A为本发明实施例中实验结果的示意图；
图6B为本发明实施例中实验结果的示意图；
图7为本发明实施例中实验结果的示意图；
图8为本发明实施例中太阳能电池的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
相关技术中，异质结非晶硅/晶硅太阳能电池(HJT，Hetero-junction withIntrinsic Thin layer)有望成为未来的主流光伏技术之一。一种可能的太阳能电池的基本结构包括核心层、不掺氢的透明导电薄膜层和栅线层。如何改进太阳能电池的结构，提升太阳能电池的转换效率，是业内一直在探索和有待解决的问题。
为解决上述问题，本实施例对透明导电薄膜层进行改进，提出复合透明导电薄膜层，有掺氢的透明导电薄膜层和不掺氢的透明导电薄膜层组成，可提高太阳能电池的转换效率。
参见图1A，本实施例中太阳能电池包括：核心层101、至少一个复合透明导电薄膜层102和栅线103。
核心层101，所述核心层包括：单晶硅片层、钝化层和发射极层。
至少一个复合透明导电薄膜层102，形成于所述核心层的表面，包括：第一透明导电薄膜层1021和第二透明导电薄膜层1022。
第一透明导电薄膜层1021，采用掺氢的透明导电氧化物材料。
第二透明导电薄膜层1022，采用不掺氢的透明导电氧化物材料。
栅线103，形成于所述第二透明导电薄膜层的表面。
本实施例采用复合透明导电薄膜层102，或称叠层TCO膜层，包括第一透明导电薄膜层1021和第二透明导电薄膜层1022。第一透明导电薄膜层1021采用掺氢的透明导电氧化物材料(TCO)。第二透明导电薄膜层1022采用不掺氢的透明导电氧化物材料。
通过这样的结构，可提高透过性，提升太阳能电池的转换效率。
可选的，第一透明导电薄膜层1021，形成于所述核心层101的表面；第二透明导电薄膜层1022，形成于所述第一透明导电薄膜层1021的表面。
或者，第一透明导电薄膜层1021，形成于所述第二透明导电薄膜层的表面；第二透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面。
如图1B和图1C所示，第一透明导电薄膜层1021与第二透明导电薄膜层的层叠结构可以有多种。如第一透明导电薄膜层1021更靠近核心层101，或者如第二透明导电薄膜层更靠近核心层101。
上述两种实施例均可以有较好的光学效果和电学效果。
可选的，第一透明导电薄膜层有多层，和/或，第二透明导电薄膜层有多层；
第一透明导电薄膜层与第二透明导电薄膜层有(多层)交错排布。
本实施例中的多层是指两层或两层以上。
如图1D所示，图1D示出了4层的复合透明导电薄膜层102，第一透明导电薄膜层与第二透明导电薄膜层各两层，交错排布。可以有更好的光学效果和电学效果。
透明导电氧化物材料可以采用ITO(掺锡氧化铟)、IWO(掺钨氧化铟)或者ICO(掺铈氧化铟)等薄膜。
第一透明导电薄膜层的薄膜材质可以是In2O3:Zr，第二透明导电薄膜层的薄膜材质可以是In2O3:Sn。
另外，核心层101由中心向外依次为单晶硅片层、钝化层和发射极层。单晶硅片层为太阳能电池的中心，可以采用n型单晶硅片。例如，n型CZ-Si(100)单晶硅片的厚度为180um左右，电阻率2-7Ω·cm，尺寸为156.75mm*156.75mm左右。
钝化层可以有一层或两层，如图2所示，钝化层202/203覆盖单晶硅片层201的正背表面。钝化层202/203可采用本征非晶硅基薄膜钝化层，可以采用非晶硅膜(a-Si:H(i)或i-Si:H)或者非晶硅氧合金薄膜(a-SiOx:H)等材料，厚度为5-10nm左右。
发射极层可以有一层或两层。当发射极层204/205有两层时，一个发射极层204(或称掺杂层)可采用n型掺杂非晶硅基薄膜，可以是非晶硅膜(a-Si:H(n)或n-Si:H)或者微晶硅氧合金薄膜(c-SiOx:H)等材料，厚度为6-10nm左右。
一个发射极层205可采用p型掺杂非晶硅基薄膜，可以是非晶硅膜(a-Si:H(p)或p-Si:H)或者微晶硅氧合金薄膜(c-SiOx:H(p))等，厚度为10-15nm左右。
栅线103可以有多根，也可包括主栅线和细栅线。细栅线的宽度为30-50um，细栅线的根数在80-120根，主栅线根数为4-12根。栅线103可采用银或铜等导电材料。
核心层101的正背两侧表面，可以其中一个表面形成复合透明导电薄膜层102，另一个表面形成单一的透明导电薄膜层301，既只有不掺氢的透明导电薄膜层，而没有掺氢的透明导电薄膜层，如图3所示。
可选的，如图4所示，所述复合透明导电薄膜层401/402有两个，分别形成于所述核心层的正背表面。
本实施例中的前电极和背电极均由复合透明导电薄膜层构成，可进一步提高透过性，提升太阳能电池的转换率。
可选的，如图5所示，太阳能电池还包括：减反射薄膜层501
减反射薄膜层501，形成于所述第二透明导电薄膜层1022的表面。
所述栅线103透过所述减反射薄膜层501，形成于所述第二透明导电薄膜层1022的表面。
减反射薄膜层501采用不导电材料，如SiNx或者SiOx，厚度为1-60um，如为50nm左右，折射率为2.0左右。
复合透明导电薄膜层401/402有两个，减反射薄膜层501也可以有两个，均形成于所述第二透明导电薄膜层1022的表面。
通过减反射薄膜层，可提升减反射效果，并且可降低复合透明导电薄膜层的厚度，从而降低生产成本。
可选的，所述复合透明导电薄膜层102的厚度范围为100nm～120nm，如取值为110nm。该厚度是在玻璃基板上镀膜的厚度，在电池上的厚度为75nm左右。
在该厚度范围下，有效透过率较好，能带带隙较大。
可选的，所述第一透明导电薄膜层1021和所述第二透明导电薄膜层1022的厚度比值范围为(28～82)：(82～28)。
本实施例中复合透明导电薄膜层102的能带带隙的取值范围为3.2-3.6eV，可选范围较大。在前电极和背电极均采用复合透明导电薄膜层102，且满足上述厚度范围时，有效透过率＞92％，效果较好。
以下提供对比实验数据。本发明的复合透明导电薄膜层中，第一透明导电薄膜层1021的厚度为28nm，材质为掺氢的In2O3:Zr，第二透明导电薄膜层1022的厚度为82nm，材质为不掺氢的In2O3:Sn；对比实验的单一不掺氢TCO膜层，其材质与实施例的第二透明导电薄膜层相同，厚度也为110nm；对比实验的单一掺氢TCO膜层，其材质与实施例1的第一透明导电薄膜层相同，厚度也为110nm。
有效透过率(Tte)是评价TCO薄膜性能的一个重要指标，Tte＝T/(1-R)，T是薄膜的透过，R是薄膜的反射。
复合透明导电薄膜层与单一不掺氢TCO膜层进行对比的有效透过率的对比图如图6A所示。与单一掺氢TCO膜层进行对比的有效透过率的对比图如图6B所示。
通过实验可知，复合透明导电膜层与单一不掺氢TCO膜层进行对比，在300-1200nm整个波段Tte的平均值相对提高了2％；其中在短波段300-450nm的Tte提升尤为明显约18％。复合透明导电膜层与单一掺氢TCO膜层进行对比，Tte基本相同，光学性能基本没有变差。三者对比的电学效果如表1所示。
表1
| TCO膜层 | 载流子浓度(*10<sup>20</sup>cm<sup>-3</sup>) | 迁移率(cm<sup>2</sup>/Vs) | 退火后方阻(Ω/□) |
| 单一不掺氢TCO膜层 | 2.0 | 22 | 103 |
| 单一掺氢ITO膜层 | 1.9 | 66 | 27 |
| 复合TCO膜层 | 1.9 | 65 | 39 |
复合透明导电膜层跟单一掺氢TCO膜层和单一不掺氢TCO膜层相比，保持了较好的载流子浓度，较高的迁移率和较低的退火后方阻。换言之，复合透明导电膜层保持较好的光学性能和电学性能。其他材质的掺氢TCO层和不掺氢TCO层的配合也有同样的效果。此处未再赘述。
将复合透明导电膜层、单一掺氢TCO膜层以及单一不掺氢TCO膜层在电池上应用的对比数据如下：其中实施例1和对比实验1和对比实验2的核心层结构以及栅线结构等完全相同；不同之处在于，实施例1采用前背电极均为复合透明导电薄膜层的太阳能电池，第一透明导电薄膜层1021的厚度为28nm，材质为掺氢的In2O3:Zr，第二透明导电薄膜层1022的厚度为82nm，材质为不掺氢的In2O3:Sn；对比实验1的太阳能电池的前背电极均为单一不掺氢TCO膜层，其材质与实施例1的第二透明导电薄膜层相同，厚度也为110nm；对比实验2的太阳能电池的前背电极均为单一掺氢TCO膜层，其材质与实施例1的第一透明导电薄膜层相同，厚度也为110nm。数据如表2所示。
表2
| TCO膜层 | 短路电流(A) | 填充因子 | 转换效率 |
| 单一不掺氢TCO膜层 | 9.25 | 0.784 | 22.03 |
| 单一掺氢ITO膜层 | 9.33 | 0.746 | 21.09 |
| 复合TCO膜层 | 9.27 | 0.798 | 22.48 |
本实施例中的HJT电池与单一不掺氢TCO膜的HJT电池相比较，转换效率提升约2％，短路电流提升，填充因子提升1.8％，从外量子效率上来看，如图7所示，在短波段有明显提升，且短路电流密度提升约0.13mA/cm2。本实施例中的HJT电池与单一掺氢TCO膜的HJT电池相比较，转换效率提升约6％，填充因子提升7％。单一掺氢TCO膜制备的HJT电池虽然短路电流高，但是其填充因子下降明显，导致转换效率降低。其他材质的掺氢TCO层和不掺氢TCO层的配合也有同样的效果。此处未再赘述。
根据本发明中的叠层TCO膜层用于异质结(SHJ OR HIT)电池，在保持较高短路电流的基础上，提高了填充因子，从而使得电池的转换效率得以提升；也即具有协同作用。
以上介绍了太阳能电池的结构，本实施例对太阳能电池的结构进行了改进，相应的，太阳能电池的制备过程也发生相应的变化。参见下面的实施例。
参见图8，本实施例中太阳能电池的制备方法包括：
步骤801：在太阳能电池的核心层的表面沉积复合透明导电薄膜层；所述复合透明导电薄膜层包括：第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层；所述第一透明导电薄膜层采用掺氢的透明导电氧化物材料；所述第二透明导电薄膜层采用不掺氢的透明导电氧化物材料。
步骤802：在所述复合透明导电薄膜层的表面制备栅线，使所述栅线与复合透明导电薄膜层电连接。
本实施例中，步骤801沉积过程，可以采用低温沉积技术，如PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术，常温RPD(快速等离子沉积，RapidPlasmaDeposition)技术和常温物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术等。
可选的，所述在步骤801包括：步骤A和步骤B。
步骤A：在太阳能电池的核心层的表面沉积第一透明导电薄膜层。
步骤B：在所述第一透明导电薄膜层的表面沉积第二透明导电薄膜层。
或者，在太阳能电池的核心层的表面沉积第二透明导电薄膜层；在第二透明导电薄膜层的表面沉积第一透明导电薄膜层。
可选的，步骤A中，在下列工艺条件下，在太阳能电池的核心层的表面沉积第一透明导电薄膜层。
所述工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：20-1：10，氢气与氩气的流量比范围1：50-1：25。
在该工艺条件下制备成功率较高，太阳能电池的性能较好。
可选的，步骤B中，在下列工艺条件下，在所述第一透明导电薄膜层的表面沉积第二透明导电薄膜层。
所述工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：7-2：7。
在该工艺条件下制备成功率较高，太阳能电池的性能较好。
可选的，所述在步骤802包括：步骤C。
步骤C：通过丝网印刷方式和/或电镀方式在所述第二透明导电薄膜层的表面制备栅线。
本实施例提供多种栅线的制备方法，适用于多种应用场景。
可选的，所述核心层包括：单晶硅片层、钝化层和发射极层。核心层的结构可参见图2等实施例。多种核心层结构均适用于本实施例。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
核心层，所述核心层包括：单晶硅片层、钝化层和发射极层；
至少一个复合透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面，包括：
第一透明导电薄膜层，采用掺氢的透明导电氧化物材料；
第二透明导电薄膜层，采用不掺氢的透明导电氧化物材料；
栅线，形成于所述复合透明导电薄膜层的表面。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，第一透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面；第二透明导电薄膜层，形成于所述第一透明导电薄膜层的表面；或者
第一透明导电薄膜层，形成于所述第二透明导电薄膜层的表面；第二透明导电薄膜层，形成于所述核心层的表面。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一透明导电薄膜层有多层，和/或，所述第二透明导电薄膜层有多层；
第一透明导电薄膜层与第二透明导电薄膜层交错排布。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述复合透明导电薄膜层有两个，分别形成于所述核心层的正背表面。
5.如权利要求1-4中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述复合透明导电薄膜层的厚度范围为100nm～120nm。
6.如权利要求1-4中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一透明导电薄膜层和所属第二透明导电薄膜层的厚度比为(28～82)：(82～28)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述核心层依次包括：P型掺杂层、本征钝化层、N型或P型单晶硅片层、本征钝化层和N型掺杂层。
8.一种权利要求1-7中任一项所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
在太阳能电池的核心层的表面沉积复合透明导电薄膜层；所述复合透明导电薄膜层包括：第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层；所述第一透明导电薄膜层采用掺氢的透明导电氧化物材料；所述第二透明导电薄膜层采用不掺氢的透明导电氧化物材料；
在所述复合透明导电薄膜层的表面制备栅线，使所述栅线与复合透明导电薄膜层电连接。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在太阳能电池的核心层的表面沉积复合透明导电薄膜层，包括：
在太阳能电池的核心层的表面先沉积第一透明导电薄膜层；和/或
在太阳能电池的核心层的表面先沉积第二透明导电薄膜层。
10.如权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述第一透明导电薄膜层的沉积工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：20-1：10，氢气与氩气的流量比范围1：50-1：25；和/或，
所述第二透明导电薄膜层的沉积工艺条件包括：本底真空度5*10-4Pa，制程功率范围2-8kW，沉积的速率范围为2-5nm/s，氧气与氩气的流量比范围1：7-2：7。
11.如权利要求8至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述第二透明导电薄膜层的表面制备栅线，包括：
通过丝网印刷方式和/或电镀方式在所述第二透明导电薄膜层的表面制备栅线。
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