CN110993718A - 一种高转化效率的异质结电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，包括：基底，所述基底为晶体硅片；在所述基底正面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜及多层正面TCO薄膜；在所述基底背面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜及一层背面TCO薄膜；及在所述多层正面TCO薄膜及背面TCO薄膜上设置的金属电极。本发明中的异质结电池提高光的利用率，增加短路电流密度，使异质结电池的转换效率得到大幅度提升。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体的说是涉及一种高转化效率的异质结电池及其制备方法。
背景技术
能源问题关系到人类赖以生存的物质基础，人类利用的传统化石能源所排放的废弃物，加剧了温室气体的排放以及近年来的雾霾情况。而太阳能作为环境友好型能源，受到了人们的认可与推崇积为0.25cm2)，这是第一个报道应用a-Si:H/c-Si异质结。
HJT电池以价格低廉的非晶硅作为发射层,其发射层是掺杂非晶硅材料，在对单晶硅进行沉积制备时，只需要200℃左右即可满足制备温度要求，而低温工艺也保证了单晶硅衬底的界面损伤更低，且本征层的存在使界面钝化性能更好。因此，HJT太阳能电池具有工艺温度低、界面钝化性能好、转化效率高以及生产成本低的商业价值，近年来得到了快速发展。
HJT电池效率的提升方向主要从电学和光学两个方面着手，电学主要解决非晶硅层的钝化特性，载流子在结构层的传输特性，而光学主要解决表面反射及吸收造成的光学损失，异质结的受光面为绒面结构这样极大的降低了反射损失，金属栅线的遮挡也是造成光在表面反射的主要原因，还有TCO层的吸收也会影响光的透过性。因此，如何研究提高光的高转化率的异质结电池的制备方法是目前面临的是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高光的利用率，增加短路电流密度，使异质结电池的转换效率得到大幅度提升的高转化效率的异质结电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高转化效率的异质结电池，包括：
基底，所述基底为晶体硅片；
在所述基底正面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜及多层正面TCO薄膜；
在所述基底背面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜及一层背面TCO薄膜；
及在所述多层正面TCO薄膜及背面TCO薄膜上设置的金属电极。
本发明的有益效果：本发明中通过引入TCO薄膜分层的概念，使各层之间的折射率不同，同时匹配TCO和非晶硅层间的折射率，使两种不同材料间的折射率差异降到最低，降低两种材料界面处光的反射，提高光的利用率，增加短路电流密度，使异质结电池的转换效率得到大幅度提升。
优选地，所述晶体硅片为N型单晶硅片或P型单晶硅片；所述背面TCO厚度为80-120nm；所述N型非晶硅薄膜厚度为5-10nm；所述P型非晶硅薄膜厚度为5-10nm；所述i型本征非晶硅薄膜的厚度为5-20nm；所述金属电极为金属银电极。
采用上述优选的方案，基于更薄的本征层有利于载流子的传输，同时更薄的I层厚度可是短波光的吸收下降，因此，更加优选地，i型本征非晶硅薄膜的厚度为5-10nm。
更加优选地，所述晶体硅片为N型单晶硅片，其厚度为130-200μm；在相同掺杂浓度下N型单晶硅片比P型单晶硅片具有更高的少子寿命，更加容易钝化，且从光学方面讲选用N型单晶硅片无B-O复合衰减。更加优选地，厚度为150-180μm。
优选地，多层所述正面TCO薄膜的层数为2-3层；每层所述正面TCO薄膜为低折射率溅射TCO薄膜、中折射率溅射TCO薄膜及高折射率溅射TCO薄膜中的一种。
更加优选地，多层所述正面TCO薄膜的层数为3层，正面TCO薄膜为低折射率溅射TCO薄膜、中折射率溅射TCO薄膜及高折射率溅射TCO薄膜，3层TCO薄膜叠加的厚度为70-120nm，最优选地为80-110nm。
采用上述优选的方案，从绒面、非晶硅膜层、TCO膜层、金属化能够实现最大化的相互匹配，上一道工序能够为下一道工序提供更好的衬底，能够大幅度提高异质结电池的转换效率。
优选地，所述低折射率溅射TCO薄膜的折射率为1.8-1.9，厚度为10-40nm；所述中折射率溅射TCO薄膜的折射率为1.9-2.0，厚度为10-40nm；所述高折射率溅射TCO薄膜的折射率为2.0-2.1，厚度为10-40nm。
优选地，所述TCO薄膜为ITO薄膜、AZO薄膜或ITiO薄膜。
本发明中还提供了一种高转化效率的异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将晶体硅片经过制绒、清洗；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(1)中所述晶体硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中所述i型本征非晶硅薄膜上生长P型和/或N型非晶硅薄膜；
步骤(4)：利用物理气相沉积直流磁控溅射通过控制氧氩质量比在步骤(3)中所述P型非晶硅薄膜上生长多层正面TCO薄膜；利用磁控溅射在步骤(3)中所述N型非晶硅薄膜上生长一层背面TCO薄膜；
步骤(5)：在步骤(4)中所述的TCO薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，烧结，即得到高转化效率的异质结电池。
本发明中的有益效果：本发明中通过控制氧的掺杂比例调整氧空位在TCO薄膜层的数量，从而影响少数载流子的数量，从而控制TCO薄膜的折射率；通过引入折射率分层的概念极大的增加了TCO层和非晶层之间的光学匹配性，降低底层TCO和非晶硅层之间的折射率差异，同时TCO的多层结构也能使光更容易透过，使光透过性增加，改善了短路电流密度，对效率的提高起到了极大地促进作用。
优选地，步骤(1)中制绒过程采用碱性溶液腐蚀成晶面，且绒面结构呈金字塔结构的受光面；受光面的厚度为1-7μm。更加优选地，受光面的厚度为3-5μm。
优选地，所述碱性溶液为NaOH或KOH，碱性溶液的体积浓度为2％-10％。
更加优选地，采用KOH溶液作为腐蚀溶液，为了降低电势诱导衰减(PID)的风险，选用KOH溶液。
优选地，所述步骤(4)中，控制氧氩质量比小于1.2％时，得到低折射率TCO薄膜；控制氧氩质量比为1.2％-2.4％时，得到中折射率TCO薄膜；控制高氧氩质量比大于2.4％时，得到高折射率TCO薄膜。
优选地，所述步骤(5)中，通过丝网印刷的方式形成金属银电极，银电极包括主栅及副栅线，主栅线与副栅线垂直分布，主栅线数为5-18，副栅线数为70-200，栅线宽度为30-60μm。
优选地，步骤(5)中所述烧结温度为180-200℃，烧结时间为25-33min。通过烧结的方式固化银电极，实现金属与之间形成良好的欧姆接触。
优选地，步骤(4)中通过控制氧氩质量比在步骤(3)中所述P型非晶硅薄膜上生长多层正面TCO薄膜；可以为通过退火调节晶化程度从而调节折射率在步骤(3)中所述P型非晶硅薄膜上生长多层正面TCO薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的正面为三层的TCO薄膜的结构示意图；
图2附图为对比例中正面及背面均为一层TCO薄膜的结构示意图。
1、银金属电极，2、正面ITO薄膜，21高折射率溅射ITO薄膜，22、中折射率溅射ITO薄膜，23、低折射率溅射ITO薄膜，3、P型非晶硅薄膜，4、i型本征非晶硅薄膜，5、基底，6、N型非晶硅薄膜，7、背面ITO薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
晶硅/非晶硅异质结电池，包括：厚度为180μm的N型单晶硅片的基底；
在N型单晶硅片正面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为10nm的P型非晶硅薄膜3、厚度为30nm，折射率为2.1的高折射率溅射ITO薄膜21、厚度为30nm，折射率为2的中折射率溅射ITO薄膜22及厚度为30nm，折射率为1.9的低折射率溅射ITO薄膜23；
在N型单晶硅片背面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为8nm的N型非晶硅薄膜6、厚度为100nm的一层背面ITO薄膜7；
及在高折射率溅射ITO薄膜21及背面ITO薄膜7上设置的银金属电极11。
上述晶硅/非晶硅异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：对厚度为180μm的N型单晶硅片进行制绒处理，碱液选取KOH溶液，体积浓度为3％，药液槽温度为80℃，形成金字塔绒面，通过体积浓度为1％的KOH溶液去除表面机械损伤层，通过RCA清洗去除残留碱液并进行表面清洁；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积，气源选择硅烷和氢气在步骤(1)中的N型单晶硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜4；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中的正面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长P型非晶硅薄膜3，气源选择硅烷和氢气和硼烷；在步骤(2)中的背面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长N型非晶硅薄膜6，气源选择硅烷和氢气和磷烷。
步骤(4)：利用物理气相沉积直流磁控溅射，气源选择氩气和氧气，控制氧氩质量比为2.7％在步骤(3)中P型非晶硅薄膜3上得到第一层高折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为2.4％得到第二层中折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为1.2％得到第三层低折射率ITO薄膜。
利用磁控溅射在步骤(3)中N型非晶硅薄膜6上生长一层背面ITO薄膜7。
步骤(5)：通过丝网印刷形成正面及背面的银金属电极1，主栅宽度为0.8mm，主栅数目为5，正背面银副栅线宽度为50μm，线数为100；烧结，得到晶硅/非晶硅异质结电池。将晶硅/非晶硅异质结电池测试电池的电性能。
实施例2
晶硅/非晶硅异质结电池，包括：厚度为180μm的N型单晶硅片的基底；
在N型单晶硅片正面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为10nm的P型非晶硅薄膜3、厚度为30nm，折射率为2.05的高折射率溅射ITO薄膜21、厚度为30nm，折射率为2的中折射率溅射ITO薄膜22及厚度为30nm，折射率为1.8的低折射率溅射ITO薄膜23；
在N型单晶硅片背面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为8nm的N型非晶硅薄膜6、厚度为100nm的一层背面ITO薄膜7；
及在高折射率溅射ITO薄膜21及背面ITO薄膜7上设置的银金属电极1。
上述晶硅/非晶硅异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：对厚度为180μm的N型单晶硅片进行制绒处理，碱液选取KOH溶液，体积浓度为3％，药液槽温度为80℃，形成金字塔绒面，通过体积浓度为1％的KOH溶液去除表面机械损伤层，通过RCA清洗去除残留碱液并进行表面清洁；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(1)中的N型单晶硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜4；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中的正面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长P型非晶硅薄膜3；在步骤(2)中的背面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长N型非晶硅薄膜6。
步骤(4)：利用物理气相沉积直流磁控溅射，控制氧氩质量比为2.5％在步骤(3)中P型非晶硅薄膜3上得到第一层高折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为2.2％得到第二层中折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为0.8％得到第三层低折射率ITO薄膜。
利用磁控溅射在步骤(3)中N型非晶硅薄膜6上生长一层背面ITO薄膜7。
步骤(5)：通过丝网印刷形成正面及背面的银金属电极1，主栅宽度为0.8mm，主栅数目为5，正背面银副栅线宽度为50μm，线数为100；烧结，得到晶硅/非晶硅异质结电池。将晶硅/非晶硅异质结电池测试电池的电性能。
实施例3
晶硅/非晶硅异质结电池，包括：厚度为180μm的N型单晶硅片的基底；
在N型单晶硅片正面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为10nm的P型非晶硅薄膜3、厚度为35nm，折射率为2.1的高折射率溅射ITO薄膜21、厚度为35nm，折射率为2的中折射率溅射ITO薄膜22及厚度为35nm，折射率为1.9的低折射率溅射ITO薄膜23；
在N型单晶硅片背面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为8nm的N型非晶硅薄膜6、厚度为100nm的一层背面ITO薄膜7；
及在高折射率溅射ITO薄膜21及背面ITO薄膜7上设置的银金属电极11。
上述晶硅/非晶硅异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：对厚度为180μm的N型单晶硅片进行制绒处理，碱液选取KOH溶液，体积浓度为3％，药液槽温度为80℃，形成金字塔绒面，通过体积浓度为1％的KOH溶液去除表面机械损伤层，通过RCA清洗去除残留碱液并进行表面清洁；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积，气源选择硅烷和氢气在步骤(1)中的N型单晶硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜4；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中的正面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长P型非晶硅薄膜3，气源选择硅烷和氢气和硼烷；在步骤(2)中的背面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长N型非晶硅薄膜6，气源选择硅烷和氢气和磷烷。
步骤(4)：利用物理气相沉积直流磁控溅射，气源选择氩气和氧气，控制氧氩质量比为3％在步骤(3)中P型非晶硅薄膜3上得到第一层高折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为2％得到第二层中折射率ITO薄膜，控制氧氩质量比为1.0％得到第三层低折射率ITO薄膜。
利用磁控溅射在步骤(3)中N型非晶硅薄膜6上生长一层背面ITO薄膜7。
步骤(5)：通过丝网印刷形成正面及背面的银金属电极1，主栅宽度为0.8mm，主栅数目为5，正背面银副栅线宽度为50μm，线数为100；烧结，得到晶硅/非晶硅异质结电池。将晶硅/非晶硅异质结电池测试电池的电性能。
对比例
晶硅/非晶硅异质结电池，包括：厚度为180μm的N型单晶硅片的基底；
在N型单晶硅片正面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为10nm的P型非晶硅薄膜3、厚度为100nm的ITO薄膜；
在N型单晶硅片背面依次生长的厚度为10nm i型本征非晶硅薄膜4、厚度为8nm的N型非晶硅薄膜6、厚度为100nm的ITO薄膜；
及在高折射率溅射ITO薄膜21及背面ITO薄膜7上设置的银金属电极1。
上述晶硅/非晶硅异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：对厚度为180μm的N型单晶硅片进行制绒处理，形成金字塔绒面，去除杂质离子及进行表面清洁；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(1)中的N型单晶硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜4；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中的正面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长P型非晶硅薄膜3；在步骤(2)中的背面生长的i型本征非晶硅薄膜4的表面生长N型非晶硅薄膜6。
步骤(4)：利用物理气相沉积磁控溅射在步骤(3)中P型非晶硅薄膜3及N型非晶硅薄膜6上生长正面ITO薄膜2及背面ITO薄膜7。
步骤(5)：通过丝网印刷形成正面及背面的银金属电极1，主栅宽度为0.8mm，主栅数目为5，正背面银副栅线宽度为50μm，线数为100；烧结，得到晶硅/非晶硅异质结电池。将晶硅/非晶硅异质结电池测试电池的电性能。
性能测试结果
实施例1-3与对比例的电池的电性能结果对比如表1：
本发明中通过正面不同TCO折射率层的叠放，能够通过减少非晶硅层与TCO层以及TCO层本身的反射损失，提升短路电流密度在0.413到0.619这个范围，填充因子和开路电压值基本保持不变。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，包括：
基底，所述基底为晶体硅片；
在所述基底正面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜及多层正面TCO薄膜；
在所述基底背面依次生长的i型本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜及一层背面TCO薄膜；
及在所述多层正面TCO薄膜及背面TCO薄膜上设置的金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，所述晶体硅片为N型单晶硅片或P型单晶硅片；所述i型本征非晶硅薄膜的厚度为5-20nm；所述金属电极为金属银电极。
3.根据权利要求1所述的一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，多层所述正面TCO薄膜的层数为2-3层；每层所述正面TCO薄膜为低折射率溅射TCO薄膜、中折射率溅射TCO薄膜及高折射率溅射TCO薄膜中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，所述低折射率溅射TCO薄膜的折射率为1.8-1.9，厚度为10-40nm；所述中折射率溅射TCO薄膜的折射率为1.9-2.0，厚度为10-40nm；所述高折射率溅射TCO薄膜的折射率为2.0-2.1，厚度为10-40nm。
5.根据权利要求4所述的一种高转化效率的异质结电池，其特征在于，所述TCO薄膜为ITO薄膜、AZO薄膜或ITiO薄膜。
6.一种高转化效率的异质结电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将晶体硅片经过制绒、清洗；
步骤(2)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(1)中所述晶体硅片的正面及背面生长i型本征非晶硅薄膜；
步骤(3)：利用等离子体化学气相沉积在步骤(2)中所述i型本征非晶硅薄膜上生长P型和/或N型非晶硅薄膜；
步骤(4)：利用物理气相沉积直流磁控溅射通过控制氧氩质量比在步骤(3)中所述P型非晶硅薄膜上生长多层正面TCO薄膜；利用磁控溅射在步骤(3)中所述N型非晶硅薄膜上生长一层背面TCO薄膜；
步骤(5)：在步骤(4)中所述的TCO薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，烧结，即得到高转化效率的异质结电池。
7.根据权利要求6所述的一种高转化效率的异质结电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制绒过程采用碱性溶液腐蚀成晶面，且绒面结构呈金字塔结构的受光面。
8.根据权利要求7所述的一种高转化效率的异质结电池的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为NaOH或KOH，碱性溶液的体积浓度为2％-10％。
9.根据根据权利要求6所述的一种高转化效率的异质结电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，控制氧氩质量比小于1.2％时，得到低折射率TCO薄膜；控制氧氩质量比为1.2％-2.4％时，得到中折射率TCO薄膜；控制高氧氩质量比大于2.4％时，得到高折射率TCO薄膜。
10.根据根据权利要求6所述的一种高转化效率的异质结电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，通过丝网印刷的方式形成金属银电极，银电极包括主栅及副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为5-18，副栅线数为70-200，栅线宽度为30-60μm。
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