CN110416329A - 一种晶体硅太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅太阳电池，包括至少一层碘化物薄膜，所述碘化物薄膜作为空穴载流子选择性接触和/或电子载流子选择性接触。本发明所述晶体硅太阳电池与HIT晶体硅太阳电池相比，具有低温、免掺杂、光电转换效率高、热稳定性能优异等特点，同时极大地简化硅基异质结太阳电池的制备工艺过程，成本低廉，节能环保，适合于大规模产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种晶体硅太阳电池。
背景技术
产业化的p型晶体硅太阳电池，前面通过重掺杂磷形成p-n结，背面印刷铝浆后烧结，形成铝合金背场。背面的铝背场为空穴输运提供了低接触电阻，但是对硅片表面进行重掺杂会导致严重的俄歇复合和自由载流子寄生吸收。然而，金属直接与轻掺杂的硅片接触存在费米钉扎效应，产生大的肖特基势垒，从而导致界面严重的复合和大的接触电阻。而a-Si:H/c-Si异质结太阳电池(Heterojunction with Intrinsic Thin layer,HIT)，使用本征非晶硅对硅片表面进行钝化，其开路电压能够达到750mV以上。但是，HIT太阳电池存在如下问题：a) 掺杂非晶硅使用的掺杂源属于易燃易爆性气体；b)设备和原材料较为复杂；c)低温银浆价格较高，占到整个电池成本较大部分；d)非晶硅存在寄生性吸收，短路电流密度较低。
近期，大量的极高和极低功函数材料与晶体硅结合，制备成低温、免掺杂晶体硅异质结太阳电池，如MoO3、V2O5、WO3、CrO3、LiFx、MgFx和TiO2等。它们在硅表面接触区域引起费米能级的移动，使其接近硅的导带或者价带，可以获得载流子选择性接触，但是绝大多数极高和极低功函数材料对空气或者在高温条件下不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种晶体硅太阳电池。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种晶体硅太阳电池，包括至少一层碘化物薄膜，所述碘化物薄膜作为空穴载流子选择性接触和/或电子载流子选择性接触。
本发明所述晶体硅太阳电池采用碘化物薄膜作为空穴载流子选择性接触和/ 或电子载流子选择性接触，代替晶体硅异质结太阳电池的掺杂非晶硅和晶体硅同质结太阳电池的背场，可以避免对硅片表面进行重掺杂会导致严重的俄歇复合和自由载流子寄生吸收、高温烧结等问题，不使用易燃易爆炸的气体，实现高效率、低温、免掺杂晶体硅太阳电池，所制备的太阳电池效率达到20％，为探索具有环保、制备工艺简单、成本低廉、高效和高稳定性的碘化物/晶体硅异质结太阳电池的产业化技术路线奠定技术基础。
本发明通过将碘化物薄膜作为空穴选择性接触和电子选择性接触，与硅片结合形成碘化物/晶体硅异质结太阳电池。整个制备工艺处于低温的状态，设备简单，成本较低，环境友好。本发明所述硅片可以为p型或n型单晶硅片。
优选地，所述碘化物为碘化亚铜、碘化锰、碘化钒、碘化钽、碘化铬、碘化铯、碘化钾、碘化钠、碘化银、碘化镁和碘化钙中的至少一种。
优选地，所述晶体硅太阳电池为背接触异质结太阳电池、异质结前发射极太阳电池或硅基同质结太阳电池。
优选地，在背接触异质结太阳电池和异质结前发射极太阳电池中，高功函数的碘化物作为空穴载流子选择性接触，低功函数的碘化物作为电子载流子选择性接触；在硅基同质结太阳电池中，碘化物作空穴载流子选择性接触。
本发明将碘化物作为空穴载流子选择性接触，首次应用在背接触异质结太阳电池且目前尚无文献和专利报道，是一种全新材料和结构的硅基太阳电池，并且本发明将碘化物作为空穴载流子选择性接触，首次应用在PERC电池中，效率达到20％以上。
优选地，所述晶体硅太阳电池还包含钝化层，所述钝化层设于碘化物薄膜和晶体硅之间。本发明通过钝化层对碘化物与硅片接触界面进行钝化，能减少界面缺陷态，进一步提高电池的开路电压。
优选地，所述钝化层的材料为氢化非晶硅、SiO2、TiO2、Al2O3或Si3N4，所述钝化层的厚度为1～80nm。钝化层可以采用热氧化、PECVD、原子层沉积或磁控溅射法等方法制得。
优选地，所述碘化物薄膜包括至少两层，相邻两层碘化物薄膜之间设有金属薄膜。金属薄膜能保证碘化物的性质，提高导电性。
更优选地，所述碘化物薄膜为两层，发明人发现两层碘化物薄膜的导电性优于一层碘化物和三层以上的碘化物薄膜。
优选地，所述金属薄膜的材料为金、银、钯、铜、镍、钼、钨或铝；所述金属薄膜的厚度为4nm～20nm。
优选地，所述金属薄膜采用热蒸发、PECVD、原子层沉积或磁控溅射法制得。
优选地，所述碘化物薄膜的厚度为1nm～40nm。
优选地，所述晶体硅太阳能电池包括硅片，所述硅片包括相对设置的两个表面，两个表面分别设有第一钝化层和第二钝化层，第一钝化层远离硅片的表面上设有减反层，第二钝化层远离硅片的表面上同时设有高功函数碘化物薄膜和低功函数的碘化物薄膜，所述高功函数碘化物薄膜和低功函数的碘化物薄膜远离第二钝化层的表面上设有金属电极。
优选地，所述晶体硅太阳能电池包括硅片，硅片包括相对设置的两个表面第一表面和第二表面，第一表面上依次设有N型硅层和减反层，所述第一表面上设有第一电极，所述第一电极穿过减反层与N型硅层接触，所述第二表面上依次设有复合层，所述复合层依次包括与第二表面接触的钝化层、介质层和第二电极，所述复合层上设有凹槽，凹槽内设有碘化物薄膜层和第二电极，所述碘化物薄膜层与硅片接触或与钝化层接触。
优选地，所述晶体硅太阳电池制备过程中包含退火步骤，退火的条件为：气氛为N2、O2和H2的混合气，温度为100～400℃，时间为10min～2h。在该条件下退火能进一步提高器件性能和稳定性，使得免掺杂硅基异质结太阳电池能与丝网印刷低温银浆200℃烧结相兼容，为免掺杂异质结太阳电池的产业化技术路线奠定技术基础。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种晶体硅太阳电池，本发明所述晶体硅太阳电池与HIT晶体硅太阳电池相比，具有低温、免掺杂、光电转换效率高、热稳定性能优异等特点，同时极大地简化硅基异质结太阳电池的制备工艺过程，成本低廉，节能环保，适合于大规模产业化生产。
附图说明
图1为实施例1所述背接触晶体硅太阳电池的结构示意图；其中1、n型单晶硅片；2、第一钝化层，3、第二钝化层、4、减反层；5、高功函数的碘化物； 6、低功函数的碘化物；7、金属电极；
图2是实施例1所述背接触晶体硅太阳电池的制备工艺流程图；
图3是实施例2所述PERC电池的结构示意图；其中1、p型单晶硅片；2、磷扩层；3、减反层；4、第一电极；5、碘化物薄膜层；6、钝化层；7、介质层； 8、第二电极；
图4是本发明中以碘化物为背场的PERC电池制备工艺流程图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述背接触晶体硅太阳电池的一种实施例，所述背接触晶体硅太阳电池的结构示意图如图1中所示，本实施例背接触晶体硅太阳电池包括所述晶体硅太阳能电池包括n型单晶硅片1，所述单晶硅片(c-Si(n))1包括相对设置的两个表面，两个表面分别设有第一钝化层2和第二钝化层3，第一钝化层2远离单晶硅层的表面上设有减反层4(减反射钝化薄膜)，第二钝化层3远离单晶硅层的表面上同时设有高功函数碘化物薄膜5和低功函数的碘化物薄膜6，所述高功函数碘化物薄膜5和低功函数的碘化物薄膜6远离第二钝化层3的表面上设有金属电极7；其中高功函数的碘化物为CuI/Ag/CuI多层膜结构，低功函数的碘化物为CsI。
本实施例所述背接触晶体硅太阳电池的制备工艺流程图如图2所示，包括以下步骤：
(1)清洗如图2a所示的n型单晶硅片，接着使用PECVD在n型单晶硅片前后表面镀掺氢本征非晶硅(i)钝化层，在硅片表面形成7nm的掺氢本征非晶硅，如图2b所示；接着在a-Si:H(i)钝化层上沉积减反射钝化薄膜，如图2c所示；
其中，清洗为RCA清洗工艺，主要包括采用SPM溶剂去除有机物，SPM 溶剂为H2SO4和H2O2的混合物，H2SO4和H2O2的重量比为H2SO4:H2O2＝3:1，然后用DHF溶液去除氧化层，DHF溶液为HF和H2O的混合液，HF和H2O的重量之比为：HF:H2O＝1:30，然后用APM溶剂去除颗粒，APM溶剂为NH4OH、 H2O2和H2O混合物，NH4OH、H2O2和H2O的重量之比为： NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:5，然后用HPM溶液去除金属杂质，HPM溶液为HCl、 H2O2和H2O的混合物，HCl、H2O2和H2O的重量之比为HCl:H2O2:H2O＝1:1:6；
(2)通过PECVD在钝化层前表面，沉积SiNx薄膜，沉积功率2400W，沉积气压20Pa，氨气和硅烷的气体流量比2:1，沉积温度450℃，膜的厚度为 75nm，如图2c所示；
(3)然后通过电阻式热蒸发镀膜机在钝化层背表面，通过金属掩模板制备 CuI/Ag/CuI多层膜，真空度大约为5×10-4Pa，CuI膜的厚度为5～40nm，CuI薄膜镀膜速率为Ag膜的厚度为4～20nm，Ag薄膜镀膜速率为然后镀金属电极为1um的Ag，如图2d所示；
(4)最后更换金属掩膜板，在基区蒸镀CsI薄膜，真空度大约为5×10-4Pa，膜的厚度为1～40nm，CsI薄膜镀膜速率为然后蒸镀1um金属电极Al，如图2e所示。
测试结果表明本实施例所述背接触晶体硅太阳电池的电池效率可以达到 22％。实施例2
本发明所述PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)电池的一种实施例，本实施例所述PERC结构以碘化物为背场，结构示意图如图3所示，所述PERC包括P型单晶硅片1，P型单晶硅片1硅片包括相对设置的两个表面第一表面和第二表面，第一表面上依次设有n型单晶硅层2和减反层3，所述第一表面上设有第一电极4，所述第一电极4穿过减反层3与N型硅层接触2，所述第二表面上依次设有复合层，所述复合层依次包括与第二表面接触的钝化层6、介质层7和第二电极8，所述复合层上设有凹槽，凹槽内设有碘化物薄膜层5和第二电极8，所述碘化物薄膜层5与P型单晶硅片1接触。
第一电极4和第二电极均为银电极，减反层3为SiNx，钝化层6为Al2O3，碘化物薄膜层5为CuI；介质层7为SiNx。
本实施例所述PERC电池的制备工艺流程图如图4所示，包括以下步骤：
(1)清洗如图4a所示p型单晶硅片，接着采用POCl3扩散工艺制备磷扩层发射极，去磷硅玻璃后，接着在磷扩层发射极上沉积SiNx减反射钝化薄膜，如图4b所示；
其中，清洗为RCA清洗工艺，主要包括采用SPM溶剂去除有机物，SPM 溶剂为H2SO4和H2O2的混合物，H2SO4和H2O2的重量比为H2SO4:H2O2＝3:1，然后用DHF溶液去除氧化层，DHF溶液为HF和H2O的混合液，HF和H2O的重量之比为：HF:H2O＝1:30，然后用APM溶剂去除颗粒，APM溶剂为NH4OH、 H2O2和H2O混合物，NH4OH、H2O2和H2O的重量之比为： NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:5，然后用HPM溶液去除金属杂质，HPM溶液为HCl、 H2O2和H2O的混合物，HCl、H2O2和H2O的重量之比为HCl:H2O2:H2O＝1:1:6；
(2)通过PECVD在钝化层前表面，沉积SiNx薄膜，沉积功率2400W，沉积气压20Pa，氨气和硅烷的气体流量比2:1，沉积温度450℃，膜的厚度为 75nm，如图4b所示；
(3)硅片背面使用ALD制备10nm Al2O3薄膜，而后通过PECVD在Al2O3薄膜上制备120nm折射率为2.70的SiNx薄膜，如图4c所示；
(4)正面印刷银浆，烧结，如图4d所示；
(5)背面采用低损伤激光开槽，如图4e所示；
(6)然后通过电阻式热蒸发镀膜机在背面，制备CuI膜，真空度大约为 5×10-4Pa，CuI膜的厚度为5～40nm，CuI薄膜镀膜速率为然后镀金属电极为1um的Ag，如图4f所示。
测试结果表明本实施例所述PERC的电池效率能达20％。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种晶体硅太阳电池，其特征在于，包括至少一层碘化物薄膜，所述碘化物薄膜作为空穴载流子选择性接触和/或电子载流子选择性接触。
2.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述碘化物为碘化亚铜、碘化锰、碘化钒、碘化钽、碘化铬、碘化铯、碘化钾、碘化钠、碘化银、碘化镁和碘化钙中的至少一种。
3.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述晶体硅太阳电池为背接触异质结太阳电池、异质结前发射极太阳电池或硅基同质结太阳电池。
4.如权利要求3所述晶体硅太阳电池，其特征在于，在背接触异质结太阳电池和异质结前发射极太阳电池中，高功函数的碘化物作为空穴载流子选择性接触，低功函数的碘化物作为电子载流子选择性接触；在硅基同质结太阳电池中，碘化物作空穴载流子选择性接触。
5.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述晶体硅太阳电池还包含钝化层，所述钝化层设于碘化物薄膜和晶体硅之间。
6.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述钝化层的材料为氢化非晶硅、SiO2、TiO2、Al2O3或Si3N4，所述钝化层的厚度为1～80nm。
7.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述碘化物薄膜包括至少两层，相邻两层碘化物薄膜之间设有金属薄膜；优选地，所述碘化物薄膜为两层。
8.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述碘化物薄膜的厚度为1nm～40nm。
9.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述晶体硅太阳能电池包括硅片，所述硅片包括相对设置的两个表面，两个表面分别设有第一钝化层和第二钝化层，第一钝化层远离硅片的表面上设有减反层，第二钝化层远离硅片的表面上同时设有高功函数碘化物薄膜和低功函数的碘化物薄膜，所述高功函数碘化物薄膜和低功函数的碘化物薄膜远离第二钝化层的表面上设有金属电极。
10.如权利要求1所述晶体硅太阳电池，其特征在于，所述晶体硅太阳能电池包括硅片，硅片包括相对设置的两个表面第一表面和第二表面，第一表面上依次设有N型硅层和减反层，所述第一表面上设有第一电极，所述第一电极穿过减反层与N型硅层接触，所述第二表面上依次设有复合层，所述复合层依次包括与第二表面接触的钝化层、介质层和第二电极，所述复合层上设有凹槽，凹槽内设有碘化物薄膜层和第二电极，所述碘化物薄膜层与硅片接触或与钝化层接触。
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