CN111081826B - 一种异质结电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质结电池制备方法，异质结电池包括依次顺序设置的栅电极、透明导电层、n型非晶硅层、本征非晶硅层、单晶硅基底、本征非晶硅层、p型非晶硅层、透明导电层及栅电极，制备方法包括：在进行所述透明导电层的镀膜工艺之前，对所述异质结电池的半成品所处环境进行水汽管控，使所述异质结电池的半成品所处环境中的水汽含量控制在4E‑9mbar~6E‑9mbar范围内。该异质结电池制备方法在进行透明导电层的镀膜工艺之前通过进行水汽管控，使得形成的透明导电层的方阻降低，稳定性提升，波动减少；并使得最终形成的异质结电池的转换效率提高，填充因子增加，同时降低了串联电阻值。
Description
技术领域
本发明涉及电池制造技术领域，具体涉及一种异质结电池制备方法。
背景技术
太阳能电池装置被大规模地普及并且在世界上广泛地用作能够通过光伏效应将光能直接转换成电能的电子器件。异质结太阳能电池，又称HJT电池(Hetero-junctionwith Intrinsic Thin-layer)或SHJ电池，是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池，具有制备过程简单、工艺温度低、开路电压高、光电转换效率高、温度系数低等诸多优点，是目前应用最广的高效晶硅太阳能技术之一。异质结电池包括单晶硅基底、分别设置在单晶硅基底的相对两端面上的本征非晶硅层、分别设置在两面的本征非晶硅层上的p型非晶硅层和n型非晶硅层、分别设置在p型非晶硅层和n型非晶硅层上的透明导电层(TCO层)以及分别设置在两面的透明导电层上的栅电极。TCO层由于兼具透明性和导电性两大特性，发展尤为迅速，在太阳能电池的发展过程中，其由于具有禁带宽度大、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性，已广泛应用于异质结太阳能电池中。
TCO层在SHJ电池组成结构中具有重要的作用：收集、传输电流和表面减反。TCO层的光电特性直接影响着SHJ电池的表现，尤其是SHJ电池参数中的填充因子FF。但现有技术中，SHJ电池中的TCO层的制备过程中，载板和异质结电池半成品本身引入的杂质气体(特别是水汽的含量)对其特性的影响非常直接和严重。因为实际腔体中的水汽含量会与周围的大气湿度、载板在大气中暴露的时间、载板上coating的TCO薄膜厚度、载板是否在进料腔加热以及进料腔的抽气时间等多方面的因素有关，对水汽含量的稳定性的控制也变得极其复杂。受此影响，TCO层的光电参数离散性大、性能不稳定，导致最终形成的异质结电池的性能分布广、波动大。
现有技术中在进行TCO镀膜工艺时往往由于设备产能的因素，在异质结电池半成品进入缓冲腔体后停留的时间较短，未对腔体中水汽含量进行管控：其中一种方式是除水不干净，即异质结电池片半成品放置在载板上经过缓冲腔体后直接进入工艺腔体进行镀膜，由于载板携带的水汽含量较高，造成电池填充因子出现明显恶化；另一种方式是在进行ITO镀膜工艺前，异质结电池片半成品放置在载板上，当进入LL腔体，会进行加热处理和抽真空处理，使腔体内水汽含量小于3.5E-9mbar，该种方式使得方阻值较高。上述两种方式均影响电池片转换效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种改进的异质结电池制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种异质结电池制备方法，异质结电池包括单晶硅基底、分别设置在所述单晶硅基底的相对两端面上的本征非晶硅层、分别设置在两面的所述本征非晶硅层上的p型非晶硅层和n型非晶硅层、分别设置在所述p型非晶硅层和所述n型非晶硅层上的透明导电层以及分别设置在两面的所述透明导电层上的栅电极，所述制备方法包括：在进行所述透明导电层的镀膜工艺之前，对所述异质结电池的半成品所处环境进行水汽管控，使所述异质结电池的半成品所处环境中的水汽含量控制在4E-9mbar～6E-9mbar范围内。
优选地，在进行所述透明导电层的镀膜工艺之前，对所述异质结电池的半成品所处环境(缓冲腔体)先进行除湿处理，使所述异质结电池的半成品所处环境中水汽含量控制在3.5E-9mbar以下，在除湿过程中同时降低了该腔体中的N2等其他杂质气体的含量。之后将所述异质结电池的半成品传输至下一个缓冲腔体或者工艺腔体，对其所处环境进行加湿处理。
进一步地，对所述异质结电池的半成品所处环境进行加湿处理和除湿处理分别在不同的腔体中进行。
进一步地，对所述异质结电池的半成品进行除湿处理和进行所述透明导电层的镀膜工艺在不同的腔体中进行。
进一步地，对所述异质结电池的半成品进行加湿处理和进行所述透明导电层的镀膜工艺在相同腔体中进行，通过控制工艺腔体的水汽直接控制TCO薄膜的质量。
进一步地，对所述异质结电池的半成品进行加湿处理和进行所述透明导电层的镀膜工艺在不同的腔体中进行，通过控制载板上残留的水汽从而间接控制工艺腔体的水汽含量，这种控制方式实际效果更为稳定。
进一步地，所述异质结电池的半成品通过传输系统在各腔体中自动转移，所述传输系统包括传送带和设置在所述传送带上用于放置所述异质结电池的半成品的载板。
进一步地，对所述异质结电池的半成品所处环境进行加湿处理和除湿处理过程中均通过在线质谱仪实时监测水汽含量。
优选地，采用物理气相沉积法在所述p型非晶硅层和所述n型非晶硅层表面沉积所述透明导电层。镀膜设备的本底真空要求≤9E-4Pa，沉积气压为0.2～0.8Pa，溅射功率1～10kW/m。
TCO薄膜的性能和电池性能均与镀膜腔体的水汽含量相关，当水汽含量小于3.5E-9mbar时，μ＝20～30cm2/Vs；当水汽含量为4.0E-9～6.0E-9mbar时，μ＝40～60cm2/Vs；随着水汽含量的进一步增加，当水汽含量大于6.0E-9mbar时，迁移率达到饱和，但电池的填充因子出现明显恶化的现象。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的异质结电池制备方法在进行透明导电层的镀膜工艺之前通过将异质结电池的半成品所处环境中的水汽含量控制在4E-9mbar～6E-9mbar范围内，使得形成的透明导电层的迁移率控制在40-60cm2/Vs的范围内，在降低TCO薄膜方阻的同时提升镀膜的稳定性；并使得最终形成的异质结电池的串联电阻降低、填充因子增加，从而提升电池转换效率和稳定性。本发明的异质结电池制备方法在进行透明导电层的镀膜工艺之前先进行除湿处理再进行加湿处理，可保证每片载板及其上的异质结电池半成品在镀膜过程中的稳定性，有利于大规模生产，提高电池效率的同时降低产品的离散性，极具应用前景。
说明书附图
附图1为本发明的异质结电池在进行透明导电层的镀膜工艺前对水汽进行控制的流程图；
附图2为本发明中进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的TCO单膜退火前方阻对比图；
图3为本发明本发明中进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的TCO单膜退火后方阻对比图；
图4为本发明中进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的异质结电池转换效率的对比图；
图5为本发明中进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的异质结电池填充因子对比图；
图6为本发明中进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的异质结电池串联电阻对比图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的阐述。
异质结电池包括单晶硅基底、分别设置在单晶硅基底的相对两端面上的本征非晶硅层、分别设置在两面的本征非晶硅层上的p型非晶硅层和n型非晶硅层、分别设置在p型非晶硅层和n型非晶硅层上的透明导电层(TCO)以及分别设置在两面的透明导电层上的栅电极。
透明导电层的方阻通过下式进行计算：
其中，Rsq为透明导电层的方块电阻，简称方阻，单位为Ω；
n为载流子浓度，单位为cm-3；
q为电荷电量，为一常数；
μ为迁移率，单位为cm2/Vs。其与水汽含量相关，当水汽含量小于3.5E-9mbar时，μ＝20～30cm2/Vs；当水汽含量为4.0E-9～6.0E-9mbar时，μ＝40～60cm2/Vs；随着水汽含量的进一步增加，当水汽含量大于6.0E-9mbar时，迁移率达到饱和，但电池的填充因子出现明显恶化的现象。
由于透明导电层的方阻与水汽含量密切相关，本发明通过控制水汽含量，提高迁移率并控制TCO材料的稳定性。从上式中可看到，迁移率与方阻呈反比例关系，迁移率的提高有利于降低方阻。因此，本发明的异质结电池制备方法具体包括如下步骤：
(1)制备单晶硅基底，并对单晶硅基底进行制绒、清洗等处理；
(2)在单晶硅基底的两端面上进行本征非晶硅层的镀膜工艺；
(3)分别在两端面的本征非晶硅层上进行n型非晶硅层和p型非晶硅层的镀膜工艺；
(4)对异质结电池半成品所处环境进行水汽管控，使水汽含量控制在4E-9mbar～6E-9mbar范围内；
(5)分别在p型非晶硅层和n型非晶硅层上进行透明导电层的镀膜工艺；
(6)分别在两面的透明导电层上印刷栅电极。
步骤(4)进行时，先对异质结电池的半成品所处环境进行除湿处理，使该环境中水汽含量控制在3.5E-9mbar以下后，再对异质结电池的半成品环境进行加湿处理，使该环境中的水汽含量控制在上述设定的区间内。进行该种控制方式的目的是在进行TCO镀膜工艺之前，载板及其上的异质结电池的半成品进入缓冲腔体内先进行除湿，消除了外界水汽含量的影响，再在下一个腔体进行加湿处理，有目的的将水汽含量控制在本发明的保护范围内。加湿处理和除湿处理的时间可根据大量实验得到经验值，该经验值设置在PLC中指导生产，这样无论季节或周围环境的变化对水汽含量如何影响，都可进行自动反馈控制，有利于异质结电池的大批量生产。
该实施例中，对异质结电池的半成品所处环境进行除湿处理和加湿处理分别在不同的腔体中进行，加湿处理和TCO镀膜工艺可以在相同或者不同的腔体中进行。优选地，加湿处理和TCO镀膜工艺在不同的腔体中进行。
具体为：进行步骤(4)时，需要分别在缓冲腔体1和缓冲腔体2中进行，缓冲腔体1和缓冲腔体2中均设置有在线质谱仪以实时监测水汽含量，缓冲腔体1中设置有抽除水分的装置(如冷井等)、分子泵、机械泵等抽真空的装置，缓冲腔体2中设置有通入水蒸气的装置(水汽蒸发装置，该装置将去离子水加温到50-60℃，通过Ar把水汽带入腔体，其中通入水汽的量由MFC质量流量计控制)。步骤(3)完成后，首先将异质结电池的半成品转运到缓冲腔体1中，打开抽除水分的装置，在线质谱仪对缓冲腔体1中水汽含量进行实时监控，当监控得到水汽含量小于3.5E-9mbar时，抽除水分的装置关闭；将异质结电池的半成品转运动缓冲腔体2中，在线实时质谱仪开始检测，当检测到水汽含量在小于4E-9mbar时，通入水蒸气的装置打开，当检测到水汽含量在大于5.5E-9mbar时(该处如果设定6E-9mbar时腔体中的实际水汽含量容易过冲，超过6E-9mbar)，通入水蒸气的装置关闭，步骤(4)即完成，如图1所示。此时，在进行步骤(5)的工艺操作时，需将异质结电池的半成品转运到工艺腔体中进行镀膜工艺操作。
或者，进行步骤(4)时，缓冲腔体1和工艺腔体中均设置有在线质谱仪以实时监测水汽含量，缓冲腔体1中设置有抽除水分的装置，工艺腔体中设置有通入水蒸气的装置。步骤(3)完成后，首先将异质结电池的半成品转运到缓冲腔体1中，打开抽除水分的装置，在线质谱仪对缓冲腔体1中水汽含量进行实时监控，当监控得到水汽含量小于3.5E-9mbar时，抽除水分的装置关闭；将异质结电池的半成品转运至工艺腔体中，在线实时质谱仪开始检测，当检测到水汽含量在小于4E-9mbar时，通入水蒸气的装置打开，当检测到水汽含量在大于5.5E-9mbar时(该处如果设定6E-9mbar时腔体中的实际水汽含量容易过冲，超过6E-9mbar)，通入水蒸气的装置关闭，步骤(4)即完成。随即可开始步骤(5)的工艺操作。通过多次重复上述步骤得到最佳除湿处理时间范围值和加湿处理时间范围值后，将其应用于PLC系统中，当需要转运异质结电池的半成品时，通过PLC自动反馈控制，使得异质结电池的半成品通过传输系统在进料腔体、缓冲腔体与工艺腔体间自动转运，这样，可实现异质结电池的在线连续生产，从而可提高生产效率。传输系统包括传送带和设置在传送带上的载板，异质结电池的半成品放置在载板中进行传输。
本实施例中，步骤(5)进行时，采用物理气相沉积(PVD)法在p型非晶硅层和n型非晶硅层表面沉积透明导电层，PVD工艺方法包括磁控溅射法，采用磁控溅射法工艺操作时，镀膜设备的本底真空要求≤9E-4Pa，沉积气压为0.2～0.8Pa，溅射功率1～10kW/m。当然也可采用其他的PVD工艺方法，如RPD、蒸镀法等。
本实施例中同时给出了在进行透明导电层即TCO单膜制备时进行水汽管控和未进行水汽管控所制备的TCO单膜的比较结果，详见图2、图3和表1，图2为TCO单膜退火前方阻对比图，图3为TCO单膜退火后方阻对比图。图2、图3和表1中的数据均进行了归一化处理，归一化处理举例为：如果1为100Ω，则0.7为70Ω。
通过比较发现：不管是退火前还是退火后的TCO单膜，其方阻都有明显降低，离散型也有明显改善。TCO单膜退火前的方阻均值较管控前急剧降低，降低了24％；TCO单膜退火前的方阻标准差较管控前降低了60％，大大地提升了稳定性，减少了波动；同样对于TCO单膜退火后的方阻均值较管控前减少了21％，标准差减少了62％，TCO单膜的稳定性得到了很好地控制。
表1
将该TCO单膜用于异质结电池，采用步骤(4)即进行透明导电层的镀膜工艺之前对异质结电池的半成品所处环境进行水汽管控和未采用步骤(4)即进行透明导电层的镀膜工艺之前对异质结电池的半成品所处环境未进行水汽管控所制备的异质结电池的比较结果详见图4、图5、图6和表2，图4为异质结电池转换效率的对比图，图5为异质结电池填充因子对比图，图6为异质结电池串联电阻对比图。
表2
通过比较发现：采用水汽管控后，电池的转换效率Eff、填充因子FF、串联电阻Rs的数据分布比较集中，离散性有了明显地改善。同时，就均值而言，电池的转换效率Eff均值提升了1.4％，填充因子FF均值增加了2.1％，串联电阻Rs均值降低了20.5％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种异质结电池制备方法，异质结电池包括单晶硅基底、分别设置在所述单晶硅基底的相对两端面上的本征非晶硅层、分别设置在两面的所述本征非晶硅层上的p型非晶硅层和n型非晶硅层、分别设置在所述p型非晶硅层和所述n型非晶硅层上的透明导电层以及分别设置在两面的所述透明导电层上的栅电极，其特征在于：所述制备方法包括：在进行所述透明导电层的镀膜工艺之前，对所述异质结电池的半成品所处环境进行水汽管控，对所述异质结电池的半成品所处环境先进行除湿处理，使所述异质结电池的半成品所处环境中水汽含量控制在3.5E-9mbar以下，之后对所述异质结电池的半成品所处环境进行加湿处理，使所述异质结电池的半成品所处环境中的水汽含量控制在4E-9mbar~6E-9mbar范围内。
2.根据权利要求1所述的异质结电池制备方法，其特征在于：对所述异质结电池的半成品所处环境进行加湿处理和除湿处理分别在不同的腔体中进行。
3.根据权利要求1所述的异质结电池制备方法，其特征在于：对所述异质结电池的半成品进行除湿处理和进行所述透明导电层的镀膜工艺在不同的腔体中进行。
4.根据权利要求1所述的异质结电池制备方法，其特征在于：对所述异质结电池的半成品进行加湿处理和进行所述透明导电层的镀膜工艺在相同或不同的腔体中进行。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的异质结电池制备方法，其特征在于：所述异质结电池的半成品通过传输系统在各腔体中自动转移，所述传输系统包括传送带和设置在所述传送带上用于放置所述异质结电池的半成品的载板。
6.根据权利要求1所述的异质结电池制备方法，其特征在于：对所述异质结电池的半成品所处环境进行加湿处理和除湿处理过程中均通过在线质谱仪实时监测水汽含量。
7.根据权利要求1所述的异质结电池制备方法，其特征在于：采用物理气相沉积法在所述p型非晶硅层和所述n型非晶硅层表面沉积所述透明导电层，镀膜设备的本底真空要求≤9E-4Pa，沉积气压为0.2~0.8Pa，溅射功率1~10kW/m。
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