CN111180593A - 硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池技术领域。硅基双面有机/无机异质结太阳能电池包括依次层叠设置的正金属电极层、浸润添加剂保护层、PEDOT:PSS空穴传输层、第一本征非晶硅钝化层、n型硅衬底层、第二本征非晶硅钝化层、n型非晶硅掺杂层、透明导电物氧化层以及背金属电极层。其能够提升太阳能电池的效率。

Description

硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本申请涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，在量产型太阳能电池类型中晶硅太阳电池约占85％以上的市场，双面电池已经量产，其降低了衬底硅片的浪费，充分利用了太阳光，在光伏建筑一体化方面应用有比较大的潜力。
如何提高双面电池得到电池效率成了现如今世界上科研院所和光伏企业的研究热点。
发明内容
本申请实施例在于提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池及其制备方法，其能够提升太阳能电池的效率。
本申请实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，包括依次层叠设置的正金属电极层、浸润添加剂保护层、PEDOT:PSS空穴传输层、第一本征非晶硅钝化层、n型硅衬底层、第二本征非晶硅钝化层、n型非晶硅掺杂层、透明导电物氧化层以及背金属电极层。
在上述技术方案中，PEDOT:PSS空穴传输层的主要成分是(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，其作为太阳能电池入射光的窗口层，能量带隙可调节，能够激发出更多光生载流子，降低了入射光的寄生吸收。其次，PEDOT:PSS空穴传输层具有比较高的迁移率，能高效的运输空穴载流子，阻碍电子载流子的通过，起到选择性运输作用，提高太阳能电池的效率。并且PEDOT:PSS空穴传输层的原材料较便宜，适合大规模量产。另外，浸润添加剂保护层能够增加PEDOT:PSS空穴传输层与n型硅衬底层的浸润性，使两者接触更加紧密牢固，降低金属电极的接触电阻，提升太阳能电池的效率。
在一种可能的实施方案中，浸润添加剂保护层含有铝金属颗粒和氟离子聚合物。
在上述技术方案中，氟离子聚合物具有化学键，能够增加PEDOT:PSS空穴传输层与第一本征非晶硅钝化层的附着力；另外，铝金属颗粒能够增加金属表面活性能，增加表面温度，从而有利于增加丝网印刷低温银浆的拉力。通过含有铝金属颗粒和氟离子聚合物的浸润添加剂保护层的作用使得PEDOT:PSS空穴传输层与n型硅衬底层接触更加紧密牢固，降低金属电极的接触电阻，提升太阳能电池的效率。
在一种可能的实施方案中，铝金属颗粒的粒径为800～1000nm。
在上述技术方案中，该粒径范围内的铝金属颗粒更加有利于增加金属表面活性能，从而使得PEDOT:PSS空穴传输层与n型硅衬底层接触更加紧密牢固，提升太阳能电池的效率。
在一种可能的实施方案中，氟离子聚合物选自六氟丙烯和聚四氟乙烯中的任一种。
在上述技术方案中，六氟丙烯和聚四氟乙烯具有化学键，比分子间作用力更强，能够更好地增加PEDOT:PSS空穴传输层与第一本征非晶硅钝化层的附着力。
在一种可能的实施方案中，浸润添加剂保护层的厚度为10～30μm。
在上述技术方案中，将浸润添加剂保护层的厚度设置为10～30μm，既能较好地保证增加PEDOT:PSS空穴传输层与n型硅衬底层的浸润性的功能，又能避免厚度太厚影响太阳能电池的电池效率。
在一种可能的实施方案中，正金属电极层和背金属电极层均含有Cu。
在上述技术方案中，正金属电极层和背金属电极层均含有Cu，使得正金属电极层和背金属电极层具有良好的导电性，且能够增加载流子的收集率。
在一种可能的实施方案中，正金属电极层还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种；
和/或，背金属电极层还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种。
在上述技术方案中，正金属电极层中还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种，这些金属元素和Cu一同使用，相较于单独使用Cu，能够降低成本，且也能保证导电性和电池效率。另外，背金属电极层中还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种，这些金属元素和Cu一同使用，相较于单独使用Cu，能够降低成本，且也能保证导电性和电池效率。
在一种可能的实施方案中，PEDOT:PSS空穴传输层的厚度为300～500nm。
在上述技术方案中，PEDOT:PSS空穴传输层的厚度设置为300～500nm，使得PEDOT:PSS空穴传输层具有更高的迁移率，提高了太阳能电池的效率。
第二方面，本申请实施例提供一种第一方面实施例的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的制备方法，包括：
在n型硅衬底层的相对两个表面分别形成第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层；
在第一本征非晶硅钝化层形成PEDOT:PSS空穴传输层，在第二本征非晶硅钝化层表面形成n型非晶硅掺杂层；
在PEDOT:PSS空穴传输层表面形成浸润添加剂保护层，在n型非晶硅掺杂层表面形成透明导电物氧化层；
在浸润添加剂保护层表面形成正金属电极层，在透明导电物氧化层表面形成背金属电极层。
在上述技术方案中，硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的制备方法适用于工业化生产，制得的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的电池效率较高。
在一种可能的实施方案中，第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层均以SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到，SiH4和H2的体积比为2～4:1。
在上述技术方案中，以体积比为2～4:1的SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层，能够饱和n型硅衬底层的悬挂键和晶体缺陷，提升太阳能电池的开路电压和电池效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的结构示意图。
图标：100-硅基双面有机/无机异质结太阳能电池；10-正金属电极层；20-浸润添加剂保护层；30-PEDOT:PSS空穴传输层；40-第一本征非晶硅钝化层；50-n型硅衬底层；60-第二本征非晶硅钝化层；70-n型非晶硅掺杂层；80-透明导电物氧化层；90-背金属电极层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请实施例提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100及其制备方法。请参照图1，图1示出了硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构示意图。
硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100包括依次层叠设置的正金属电极层10、浸润添加剂保护层20、PEDOT:PSS空穴传输层30、第一本征非晶硅钝化层40、n型硅衬底层50、第二本征非晶硅钝化层60、n型非晶硅掺杂层70、透明导电物氧化层80以及背金属电极层90。需要说明的是，n型硅衬底层50可以为n型多晶硅或n型单晶硅。示例性地，n型硅衬底层50的厚度为80～120μm。
另外，透明导电物氧化层80的原料可选地为氧化铟锡(英文简称为ITO)或者铝掺杂氧化锌(英文简称为AZO)。
其中，PEDOT:PSS空穴传输层30的主要成分是(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，其作为太阳能电池入射光的窗口层，能量带隙可调节，能够激发出更多光生载流子，降低了入射光的寄生吸收。其次，PEDOT:PSS空穴传输层30具有比较高的迁移率，能高效的运输空穴载流子，阻碍电子载流子的通过，起到选择性运输作用，提高太阳能电池的效率。示例性地，PEDOT:PSS空穴传输层30的厚度为300～500nm，例如可以为300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。该厚度使得PEDOT:PSS空穴传输层30具有更高的迁移率，提高了太阳能电池的效率。
其中，浸润添加剂保护层20能够增加PEDOT:PSS空穴传输层30与n型硅衬底层50的浸润性，使两者接触更加紧密牢固，降低金属电极的接触电阻，提升太阳能电池的效率。
在一种可能的实施方案中，浸润添加剂保护层20含有铝金属颗粒和氟离子聚合物。氟离子聚合物具有化学键，能够增加PEDOT:PSS空穴传输层30与第一本征非晶硅钝化层40的附着力；另外，铝金属颗粒能够增加金属表面活性能，增加表面温度，从而有利于增加丝网印刷低温银浆的拉力。通过含有铝金属颗粒和氟离子聚合物的浸润添加剂保护层20的作用使得PEDOT:PSS空穴传输层30与n型硅衬底层50接触更加紧密牢固，降低金属电极的接触电阻，提升太阳能电池的效率。需要说明的是，浸润添加剂保护层20中只要含有铝金属颗粒和氟离子聚合物，即能达到提升太阳能电池的效率。本申请实施例对铝金属颗粒和氟离子聚合物的具体比例不做限定。
示例性地，浸润添加剂保护层20的厚度为10～30μm。将浸润添加剂保护层20的厚度设置为10～30μm，既能较好地保证增加PEDOT:PSS空穴传输层30与n型硅衬底层50的浸润性的功能，又能避免厚度太厚影响太阳能电池的电池效率。可选地，浸润添加剂保护层20的厚度为10μm、15μm、20μm、25μm和30μm中的任一者或者任意两者之间的范围。
可选地，铝金属颗粒的粒径为800～1000nm，例如为800nm、850nm、900nm、950nm和1000nm中的任一者或者任意两者之间的范围。该粒径范围内的铝金属颗粒更加有利于增加金属表面活性能，从而使得PEDOT:PSS空穴传输层30与n型硅衬底层50接触更加紧密牢固，提升太阳能电池的效率。
示例性地，氟离子聚合物选自六氟丙烯和聚四氟乙烯中的任一种。六氟丙烯和聚四氟乙烯具有化学键，比分子间作用力更强，能够更好地增加PEDOT:PSS空穴传输层30与第一本征非晶硅钝化层40的附着力。
进一步地，在一种可能的实施方案中，正金属电极层10和背金属电极层90均含有Cu。这样的设置方式使得正金属电极层10和背金属电极层90具有良好的导电性，且能够增加载流子的收集率。示例性地，正金属电极层10和背金属电极层90的高度为20～30μm，宽度为40～80μm。
可选地，正金属电极层10还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种。这些金属元素和Cu一同使用，相较于单独使用Cu，能够降低成本，且也能保证导电性和电池效率。
可选地，背金属电极层90还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种。这些金属元素和Cu一同使用，相较于单独使用Cu，能够降低成本，且也能保证导电性和电池效率。
为了提升太阳能电池的开路电压和电池效率，在一种可能的实施方案中，第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60均以SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到，SiH4和H2的体积比为2～4:1。示例性地，沉积的方法为等离子体增强化学的气相沉积法(英文全称为Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，英文简称为PECVD)。示例性地，第一本征非晶硅钝化层40的厚度为10～20nm，第二本征非晶硅钝化层60的厚度为5～10nm。这样的厚度设置更有利于提升太阳能电池的电池效率。
本申请实施例还提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的制备方法，其包括：
(1)在n型硅衬底层50的相对两个表面分别形成第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60。
示例性地，将n型硅衬底层50置于PECVD制膜设备中，该设备中通入体积比为2～4:1的SiH4和H2气源，在n型硅衬底层50的相对两个表面分别沉积上第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60。
示例性地，在形成第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60之前，先将n型硅衬底层50清洗并进行制绒，其中，n型单晶硅衬底层利用NaOH溶液在n型硅衬底层50形成表面织构化结构金字塔形状，n型多晶硅衬底层利用HCl/HNO3溶液在n型硅衬底层50形成表面织构化结构金字塔形状。
(2)在第一本征非晶硅钝化层40的表面形成PEDOT:PSS空穴传输层30；在第二本征非晶硅钝化层60表面形成n型非晶硅掺杂层70。
示例性地，可采用喷墨设备将PEDOT:PSS喷涂在第一本征非晶硅钝化层40的表面形成PEDOT:PSS空穴传输层30。
示例性地，将PH3和SiH4气源以体积比4:1的通气比例，经过PECVD设备沉积在第二本征非晶硅钝化层60表面形成n型非晶硅掺杂层70。
(3)在PEDOT:PSS空穴传输层30表面形成浸润添加剂保护层20，在n型非晶硅掺杂层70表面形成透明导电物氧化层。
示例性地，可采用喷涂的方式将浸润添加剂喷涂于PEDOT:PSS空穴传输层30表面，以形成浸润添加剂保护层20。
示例性地，可采用磁控溅射的方式在n型非晶硅掺杂层70表面形成透明导电物氧化层。
(4)在浸润添加剂保护层20表面形成正金属电极层10，在透明导电物氧化层表面形成背金属电极层90。
示例性地，正金属电极层10和背金属电极层90均可采用丝网印刷的方式形成。
以下结合实施例对本申请的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100作进一步的详细描述。
实施例1
本申请实施例提供一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100，其包括依次层叠设置的正金属电极层10、浸润添加剂保护层20、PEDOT:PSS空穴传输层30、第一本征非晶硅钝化层40、n型硅衬底层50、第二本征非晶硅钝化层60、n型非晶硅掺杂层70、透明导电物氧化层80以及背金属电极层90。其中，浸润添加剂保护层20的厚度为20μm，含有重量比为1:3的铝金属颗粒和六氟丙烯，其中，铝金属颗粒的粒径为900nm。另外，第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60均以SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到，SiH4和H2的体积比为4:1。正金属电极和背金属电极均为Cu。
实施例2
本实施例与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于实施例2中的铝金属颗粒和六氟丙烯重量比为3:1。
实施例3
本实施例与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于实施例3中的第一本征非晶硅钝化层40和第二本征非晶硅钝化层60均以SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到，SiH4和H2的体积比为2:1。
实施例4
本实施例与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于实施例4中的正金属电极和背金属电极均由Cu和Ti形成。
实施例5
本实施例与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于实施例5中的正金属电极和背金属电极均由Cu和Al形成。
对比例1
本对比例的太阳能电池与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于对比例1没有设置浸润添加剂保护层20。
对比例2
本对比例太阳能电池与实施例1的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100的结构基本相同，其不同之处仅在于对比例2的空穴传输层采用的是硫化镉(英文全称为Cadmium sulfide，英文简称为CdS)作为原料。
试验例
选用halm在线I-V测试系统，在25℃、AM 1.5、1个标准太阳的条件下测试实施例1～实施例5制得的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池100以及对比例1～对比例2制得的太阳能电池的转换效率，其结果如表1所示。
表1实施例1～5以及对比例1～2的太阳能电池的转换效率的测试结果
Figure BDA0002391125860000101
从表1的结果可以看出，实施例1相较于对比例1，多设置了浸润添加剂保护层20，电池效率有较大的提升。另外，实施例1相较于对比例2，空穴传输层采用的是PEDOT:PSS空穴传输层30，电池效率也有较大的提升。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠设置的正金属电极层、浸润添加剂保护层、PEDOT:PSS空穴传输层、第一本征非晶硅钝化层、n型硅衬底层、第二本征非晶硅钝化层、n型非晶硅掺杂层、透明导电物氧化层以及背金属电极层。
2.根据权利要求1所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述浸润添加剂保护层含有铝金属颗粒和氟离子聚合物。
3.根据权利要求2所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述铝金属颗粒的粒径为800～1000nm。
4.根据权利要求2所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述氟离子聚合物选自六氟丙烯和聚四氟乙烯中的任一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述浸润添加剂保护层的厚度为10～30μm。
6.根据权利要求1～4任一项所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述正金属电极层和所述背金属电极层均含有Cu。
7.根据权利要求6所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述正金属电极层还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种；
和/或，所述背金属电极层还含有Mo、W、Ti、Ni、Al、Mg、Ta、Sn和Ag中的至少一种。
8.根据权利要求1～4任一项所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池，其特征在于，所述PEDOT:PSS空穴传输层的厚度为300～500nm。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
在所述n型硅衬底层的相对两个表面分别形成所述第一本征非晶硅钝化层和所述第二本征非晶硅钝化层；
在所述第一本征非晶硅钝化层形成所述PEDOT:PSS空穴传输层，在所述第二本征非晶硅钝化层表面形成所述n型非晶硅掺杂层；
在所述PEDOT:PSS空穴传输层表面形成所述浸润添加剂保护层，在所述n型非晶硅掺杂层表面形成所述透明导电物氧化层；
在所述浸润添加剂保护层表面形成所述正金属电极层，在所述透明导电物氧化层表面形成所述背金属电极层。
10.根据权利要求9所述的硅基双面有机/无机异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一本征非晶硅钝化层和所述第二本征非晶硅钝化层均以SiH4和H2的混合物作为气源沉积得到，所述SiH4和所述H2的体积比为2～4:1。
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CN114122154A (zh) * 2021-10-11 2022-03-01 中国科学院电工研究所 一种载流子选择性钝化接触太阳电池及其制备方法

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