CN111969070B - 一种太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳电池技术领域，尤其涉及一种太阳电池及其制备方法。本发明提供的太阳电池，包括依次设置的背电极层、第一透明导电膜层、第一金属氧化物层、第一本征非晶硅钝化层、n型制绒晶体硅衬底、第二本征非晶硅钝化层、第二金属氧化物层、第二透明导电膜层和上电极层；所述背电极层为功函数梯度设置的背电极层。本发明通过上述结构的设置可以使金属氧化物中少量的氧迁移到背电极，降低其与非晶硅中氢的反应几率，从而可以提高所述太阳电池的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，尤其涉及一种太阳电池及其制备方法。
背景技术
金属氧化物如氧化钼、氧化钨及氧化钒作为空穴传输层，氧化镍及氧化钛等作为电子传输层被广泛应用于晶体硅异质结太阳电池。短短几年内，瑞士联邦洛桑理工学院微工程技术研究所光伏实验室所制备电池的记录效率已高达23.4％(面积4cm2)。该类型电池目前存在的问题之一是高温退火导致电池填充因子降低。Geissbühler等研究人员初步分析了热退火对氧化钼/晶体硅太阳电池性能的影响，在低于130℃时太阳电池性能没变化，温度再升高，电池性能出现了S型，填充因子从76.6％下降到69.7％，研究人员从界面层厚度随退火温度增大给出了一个可能解释(Geissbühler等，Appl.Phys.Lett.107(2015)：081601)。研究人员也认为非晶硅中的氢与金属氧化物中的氧发生反应，从而降低了非晶硅的钝化作用(Jinyoun Cho等，Solar EnergyMaterials and Solar Cells 206(2020):110324)。在此类型电池中，通常采用银电极作为背电极，一方面银具有较大功函数，单层高功函数的银背电极不利于金属氧化物中少量氧向金属背电极的迁移，增加了非晶硅中的氢与金属氧化物中氧发生反应的几率，不利于电池稳定性能的提高。
因此，就目前来看，太阳电池的稳定性差是目前制约其发展的一种重要影响因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳电池及其制备方法，所述太阳电池具有较高的稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种太阳电池，其特征在于，包括依次设置的背电极层、第一透明导电膜层、第一金属氧化物层、第一本征非晶硅钝化层、n型制绒晶体硅衬底、第二本征非晶硅钝化层、第二金属氧化物层、第二透明导电膜层和上电极层；
所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层分别为退火处理后的第一本征非晶硅钝化层和退火处理后的第二本征非晶硅钝化层；
所述背电极层为功函数梯度设置的背电极层。
优选的，所述第二金属氧化物层的材料为氧化钼、氧化钒或氧化钨；
所述第一金属氧化物的材料为氧化钛或氧化镍。
优选的，所述第一金属氧化物层和第二金属氧化层的厚度独立的为5～10nm。
优选的，所述背电极层包括在所述第一透明导电膜层表面依次层叠设置的钙层、镁层和银层。
优选的，所述钙层和镁层的厚度独立的为5～10nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别沉积第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层后，进行退火处理，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；
在所述第一本征非晶硅钝化层表面沉积第一金属氧化物层，在所述第二本征非晶硅钝化层的表面沉积第二金属氧化层；
在所述第一金属氧化物层表面沉积第一透明导电膜层，在所述第二金属氧化层的表面沉积第二透明导电膜层；
在所述第一透明导电膜层的表面制备背电极层，在所述第二透明导电膜层的表面制备上电极层，得到所述太阳电池。
优选的，沉积所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的方法为等离子增强化学气相沉积。
优选的，所述退火处理的温度为150～240℃，所述退火的时间为20～60min。
优选的，制备所述背电极层包括制备钙层、镁层和银层；
制备所述钙层和镁层的方法独立的为磁控溅射法或热蒸发法；
制备所述银层及上电极层的方法为丝网印刷法。
本发明提供了一种太阳电池，包括依次设置的背电极层、第一透明导电膜层、第一金属氧化物层、第一本征非晶硅钝化层、n型制绒晶体硅衬底、第二本征非晶硅钝化层、第二金属氧化物层、第二透明导电膜层和上电极层；所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层分别为退火处理后的第一本征非晶硅钝化层和退火处理后的第二本征非晶硅钝化层；所述背电极层为梯度功函数的背电极层。本发明通过上述结构的设置，金属氧化物中的氧更容易向低功函数金属迁移，可以使金属氧化物中少量的氧迁移到梯度功函数的复合背电极，降低其与非晶硅钝化层中氢的反应几率，从而可以提高所述太阳电池的稳定性。在标准测试条件AM1.5、1000W/m2、25℃下，测试太阳电池与未退火处理得到的太阳电池的性能进行比较，太阳电池填充因子绝对值提高2～8％，效率绝对值提高0.2～0.5％。
附图说明
图1为本发明所述的太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种太阳电池，包括依次设置的背电极层、第一透明导电膜层、第一金属氧化物层、第一本征非晶硅钝化层、n型制绒晶体硅衬底、第二本征非晶硅钝化层、第二金属氧化物层、第二透明导电膜层和上电极层；
所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层分别为退火处理后的第一本征非晶硅钝化层和退火处理后的第二本征非晶硅钝化层；
所述背电极层为功函数梯度设置的背电极层。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述太阳电池包括背电极层；所述背电极层为梯度功函数的背电极层；所述背电极层优选包括在所述第一透明导电膜层表面依次层叠设置的钙层、镁层和银层；所述钙层和镁层的厚度独立的优选为5～10nm；本发明对所述银层的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。在本发明中，所述钙层的功函数优选为2.87eV，所述镁层的功函数优选为3.66eV，所述银层的功函数优选为4.26eV。
在本发明中，所述背电极层为功函数梯度设置的背电极层的作用是使金属氧化物中少量的氧迁移到梯度功函数的复合背电极，降低其与非晶硅钝化层中氢的反应几率，从而可以提高所述太阳电池的稳定性。
在本发明中，所述第一透明导电膜层和第二透明导电膜层的厚度独立的优选为60～120nm，更优选为80～100nm；本发明对所述第一透明导电膜层和第二透明导电膜层的材料没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材料即可。在本发明的具体实施例中，所述第一透明导电膜层和第二透明导电膜层具体为铪掺杂氧化铟薄膜；所述铪的掺杂量优选为0.5～10wt.％。
在本发明中，所述第一透明导电膜层和第二透明导电膜层一方面作为电池导电电极，另一方面还起到表面减反射的作用。
在本发明中，所述太阳电池包括第一金属氧化物层和第二金属氧化层；所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的厚度独立的优选为5～10nm；所述第二金属氧化物层的材料优选为氧化钼、氧化钒或氧化钨；所述第一金属氧化物层的材料优选为氧化钛或氧化镍。
在本发明中，所述第一金属氧化物层为电子选择性接触层，第二金属氧化物层为空穴选择性接触层。
在本发明中，所述太阳电池包括第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层；所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层分别为退火处理后的第一本征非晶硅钝化层和退火处理后的第二本征非晶硅钝化层；所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的厚度独立的优选为5～10nm，更优选为6～8nm。在本发明中，所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的材料为非晶硅。
在本发明中，所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的作用是起到钝化异质结界面的作用，主要是利用了本征非晶硅层中含有的氢来钝化晶硅衬底表面的悬挂键。
在本发明中，所述太阳电池包括n型制绒晶体硅衬底，本发明对所述n型制绒晶体硅衬底没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的n型制绒晶体硅衬底及其制绒方法即可。
在本发明中，所述太阳电池还包括上电极层。本发明对所述上电极层没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的上电极层的结构和材料组成即可。在本发明的具体实施例中，所述上电极层具体为银电极层。
本发明还提供了上述技术方案所述的太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别沉积第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层后，进行退火处理，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；
在所述第一本征非晶硅钝化层表面沉积第一金属氧化物层，在所述第二本征非晶硅钝化层的表面沉积第二金属氧化层层；
在所述第一金属氧化物层沉积第一透明导电膜层，在所述第二金属氧化物层的表面沉积第二透明导电膜层；
在所述第一透明导电膜层的表面制备背电极层，在所述第二透明导电膜层的表面制备上电极层，得到所述太阳电池。
本发明在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别沉积第一非晶硅层和第二非晶硅钝化层后，进行退火处理。在本发明中，沉积所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的方法优选为等离子增强化学气相沉积；在本发明中，所述等离子增强化学气相沉积的条件优选为：沉积气压优选为1～3Torr；温度优选为150～240℃，更优选为150～200℃；电极间距优选为10～20cm；氢气流量优选为100～200sccm；硅烷流量优选为2～10sccm。在本发明中，所述退火处理的温度优选为150～240℃，更优选为180～220℃，所述的退火气压优选为1～3Torr；所述退火处理的时间优选为20～60min。在本发明中，所述退火处理优选在氢气气氛中进行。
在本发明中，所述退火的作用一方面是降低薄膜内的缺陷态密度，提高对硅表面的钝化性能，另一方面是提高非晶硅钝化层中氢的含量。
本发明在所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的表面分别沉积第一金属氧化物层和第二金属氧化物层；本发明对所述沉积的方法和具体过程均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法和过程进行即可。
本发明在所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的表面分别沉积第一透明导电膜层和第二透明导电膜层。本发明对所述沉积的方法和具体过程均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法和过程进行即可。
本发明在所述第一透明导电膜层的表面制备背电极层，在所述第二透明导电膜层的表面制备上电极层，得到所述太阳电池。在本发明中，所述制备所述背电极层优选包括制备钙层、镁层和银层；制备所述钙层和镁层的方法独立的为磁控溅射法或热蒸发法；制备所述银层的方法为丝网印刷法。本发明对所述磁控溅射法、热蒸发法或丝网印刷法的具体过程均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，制备所述上电极的方法优选为丝网印刷。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别采用等离子体增强化学气相沉积法沉积第一非晶硅层和第二非晶硅层后，沉积气压为3Torr，沉积温度为200℃，电极间距为10cm，氢气流量为200sccm，硅烷流量为10sccm，在氢气气氛下进行退火处理，氢气流量为200sccm，退火气压为3Torr，退火温度为220℃，退火时间20min；
在所述第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层的表面分别沉积厚度各为5nm的第一金属氧化物层(氧化钛薄膜)和第二金属氧化层(氧化钼薄膜)；
在所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的表面采用磁控溅射法分别沉积第一透明导电膜层和第二透明导电膜层铪掺杂氧化铟薄膜(掺杂量为0.5wt.％)；
在所述第一透明导电膜层的表面采用磁控溅射法依次制备厚度为5nm的钙层，厚度为5nm的镁层和丝网印刷法制备银层，在所述第二透明导电膜层的表面采用丝网印刷的方法制备上电极银层，得到所述太阳电池。
实施例2
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别采用等离子体增强化学气相沉积法沉积第一非晶硅层和第二非晶硅层后，沉积气压为1Torr，沉积温度为150℃，电极间距为20cm，氢气流量为100sccm，硅烷流量为2sccm，在氢气气氛下进行退火处理，氢气流量为100sccm，退火气压为1Torr，退火温度为180℃，退火时间40min；
在所述第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层的表面分别沉积厚度各为10nm的第一金属氧化物层(氧化镍薄膜)和第二金属氧化层(氧化钨薄膜)；
在所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的表面采用磁控溅射法分别沉积第一透明导电膜层和第二透明导电膜层铪掺杂氧化铟薄膜(掺杂量为5wt.％)；
在所述第一透明导电膜层的表面采用热蒸发法依次制备厚度为10nm的钙层，厚度为10nm的镁层和丝网印刷法制备银层，在所述第二透明导电膜层的表面采用丝网印刷的方法制备上电极银层，得到所述太阳电池。
实施例3
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别采用等离子体增强化学气相沉积法沉积第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层后，沉积气压为1.5Torr，沉积温度为180℃，电极间距为15cm，氢气流量为150sccm，硅烷流量为6sccm，在氢气气氛下进行退火处理，氢气流量为150sccm，退火气压为1.5Torr，退火温度为200℃，退火时间30min；
在所述第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层的表面分别沉积厚度各为8nm的第一金属氧化物层(氧化钛薄膜)和第二金属氧化物层(氧化钒薄膜)；
在所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的表面采用磁控溅射法分别沉积第一透明导电膜层和第二透明导电膜层铪掺杂氧化铟薄膜层(掺杂量为2.5wt.％)；
在所述第一透明导电膜层的表面采用磁控溅射依次制备厚度为8nm的钙层，厚度为8nm的镁层和丝网印刷法制备银层，在所述第二透明导电膜层的表面采用丝网印刷的方法制备上电极银层，得到所述太阳电池。
实施例4
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别采用等离子体增强化学气相沉积法沉积第一非晶硅层和第二非晶硅层后，沉积气压为1Torr，沉积温度为200℃，电极间距为20cm，氢气流量为100sccm，硅烷流量为2sccm，在氢气气氛下进行退火处理，氢气流量为100sccm，退火气压为1Torr，退火温度为220℃，退火时间40min；
在所述第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层的表面分别沉积厚度为5nm的第一金属氧化物层氧化钛薄膜和厚度为10nm的第二金属氧化物层氧化钼薄膜；
在所述第一金属氧化物层和第二金属氧化层的表面采用磁控溅射法分别沉积第一透明导电膜层和第二透明导电膜层铪掺杂氧化铟薄膜(掺杂量为10wt.％)；
在所述第一透明导电膜层的表面采用磁控溅射法制备厚度为5nm的钙层，采用热蒸发法制备厚度为10nm的镁层和采用丝网印刷法制备银层，在所述第二透明导电膜层的表面采用丝网印刷的方法制备上电极银层，得到所述太阳电池。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳电池，其特征在于，包括依次设置的背电极层、第一透明导电膜层、第一金属氧化物层、第一本征非晶硅钝化层、n型制绒晶体硅衬底、第二本征非晶硅钝化层、第二金属氧化物层、第二透明导电膜层和上电极层；
所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层分别为退火处理后的第一本征非晶硅钝化层和退火处理后的第二本征非晶硅钝化层；
所述背电极层为功函数梯度设置的背电极层；
所述退火处理在氢气气氛中进行；所述退火处理的气压为1～3Torr；
所述背电极层包括在所述第一透明导电膜层表面依次层叠设置的钙层、镁层和银层；
所述第一透明导电膜层为铪掺杂氧化铟薄膜；所述铪的掺杂量为0.5～10wt.％；
所述第一金属氧化物层的材料为氧化钛或氧化镍。
2.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述第二金属氧化物层的材料为氧化钼、氧化钒或氧化钨。
3.如权利要求1或2所述的太阳电池，其特征在于，所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的厚度独立的为5～10nm。
4.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述钙层和镁层的厚度独立的为5～10nm。
5.权利要求1～4任一项所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在n型制绒晶体硅衬底的上下表面分别沉积第一非晶硅钝化层和第二非晶硅钝化层后，进行退火处理，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；
在所述第一本征非晶硅钝化层表面沉积第一金属氧化物层，在所述第二本征非晶硅钝化层的表面沉积第二金属氧化层；
在所述第一金属氧化物层表面沉积第一透明导电膜层，在所述第二金属氧化层的表面沉积第二透明导电膜层；
在所述第一透明导电膜层的表面制备背电极层，在所述第二透明导电膜层的表面制备上电极层，得到所述太阳电池。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，沉积所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的方法为等离子增强化学气相沉积。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为150～240℃，所述退火处理的时间为20～60min。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，制备所述背电极层包括制备钙层、镁层和银层；
制备所述钙层和镁层的方法独立的为磁控溅射法或热蒸发法；
制备所述银层及上电极层的方法为丝网印刷法。
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