CN111987183A - 一种基于双极性SnOX的晶硅太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于双极性的SnOx晶硅太阳电池。本发明在晶硅太阳电池中借助一种技术手段，通过调控Sn和O元素的比例，即x值，同时引入了x≤1.8的双极性的SnOx作为空穴选择性接触材料和x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料，简化工艺流程，同时也避免了高温扩散工艺或者高成本的制造工艺，降低成本；另一方面，无掺杂、宽带隙的载流子选择材料SnOx引起较低的光学损失，有利于提高电池的光学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料，又采用了x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料的晶硅电池，属于光伏和半导体器件制造技术领域。
背景技术
晶硅太阳电池目前仍在光伏市场占据主导地位，进一步提高光电转换效率和降低成本是推动其大规模发展的关键因素。在晶硅太阳电池中，金属电极与硅片直接接触区域存在严重的复合，成为制约其光电转换效率提升的重要因素。为了降低接触复合，一方面通过局部开孔技术来减小金属电极与硅片的直接接触面积，如：钝化发射层和背部(PERC)电池，钝化发射极和背部局部扩散(PERL)电池，钝化发射层和背部全扩散(PERT)电池。但是上述电池结构中金属与硅片的直接接触仍然存在；开孔工艺复杂，且在开孔处容易带来损伤；局部开孔限制了载流子的传输路径，使之偏离垂直于接触面的最短路径并拥堵在开口处，进而导致填充因子的损失。另一方面，对硅片表面进行全面积钝化，无需开孔也能有效分离和输运载流子，即载流子选择性钝化接触，进而实现载流子在两端电极之间的一维输运，获得高填充因子。如：硅异质结电池和隧穿氧化层钝化接触电池，分别采用i-a-Si:H/掺杂非晶硅和SiOx/掺杂多晶硅的组合来同时实现全表面钝化和载流子选择性输运。但是，上述载流子选择材料-掺杂的硅薄膜相对较小的禁带宽度会增大对太阳光的寄生吸收，降低电池光学性能。同时，硅薄膜沉积设备昂贵，需要用剧毒的硼烷和磷烷作为原材料气体。
其次，钝化接触对于电子和空穴的选择性可以通过接触材料的功函数与晶硅的导带和价带匹配来实现。目前，空穴选择性接触材料大多数为过渡金属氧化物，如：MoOx，WOx，V2Ox等。目前研究较多的空穴选择性接触材料是MoOx，如：瑞士洛桑联邦理工学院Ballif组等人通过在入光面采用蒸发技术制备的MoOx代替p型非晶硅，获得了认证值为23.5％光电转换效率。电子选择性接触材料主要包括TiOx，LiFx，MgOx。目前研究较多的电子选择性接触材料是TiOx，如：澳大利亚国立大学的杨新波等人采用TiOx作为电子选择性接触材料，已获得了22.1％的光电转换效率。基于金属氧化物构建的无掺杂、选择性接触电池具有多方面的优势，如禁带宽度大有利于减少寄生吸收，进而提高电池的光学性能。并且大多数都可采用蒸发和磁控溅射等低成本技术来制备，避免使用有毒气体，安全性更高。然而，在晶硅电池中同时引入空穴和电子选择性接触材料的研究相对较少。瑞士洛桑联邦理工学院的钟思华等人在MoOx作为空穴选择性接触材料的基础上，采用了ZnO/LiFx/Al作为电子选择性接触材料，并获得了21.4％的光电转换效率。但整体工艺过程较为复杂，既需要用到蒸发技术制备MoOx，又需要用到低压力化学气相沉积(LPCVD)制备ZnO。
基于此，无掺杂的载流子选择性接触材料用于晶硅电池主要存在以下两个问题：(1)未同时采用电子和空穴选择性接触材料，如仅选用MoOx代替p型非晶硅，而电子选择性接触材料仍旧采用n型非晶硅，增加了整体的工艺复杂性。(2)源于空穴和电子选择性接触材料各自的制备技术差异，同时引入空穴和电子选择性接触材料的工艺过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的以上问题，提供一种基于双极性SnOx的晶硅太阳电池。在晶硅电池中，采用了双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料，又采用了x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料，借助一种技术手段同时引入两种载流子接触材料，简化工艺过程。
本发明的技术方案：
一种基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，本发明在晶硅电池中选用一种技术手段同时引入SnOx作为载流子(包括空穴和电子)选择性接触材料，亦即直接采用x≤1.8的双极性的SnOx作为空穴选择性接触材料，又采用了x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料。
通过调控Sn和O元素的比例，制备了双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料，x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料，简化工艺路线，降低成本。
所述的衬底硅片为n型、p型的单晶硅片、多晶硅片均可。硅片形貌为双面抛光、单面抛光、双面制绒均可。
本发明也可以在硅片和载流子选择性接触材料SnOx之间插入钝化材料即钝化层，所述的钝化层(Passivation layer)为本征非晶硅i-a-Si:H、本征非晶硅氧合金、非晶硅氮合金、氧化硅SiOx、三氧化二铝等中的一种或者两种及其以上的叠加组合。钝化层薄膜的厚度1-10nm。
所述的SnOx采用原子层沉积、蒸发、磁控溅射、反应等离子体沉积、化学合成后旋涂等制备方法通过调控Sn和O元素的比例，即x值，进而获得x≤1.8的对空穴具有选择性或x≥1.9的对电子具有选择性的SnOx接触材料，厚度为5-40nm。
本发明的机理分析：
SnO为p型半导体，带隙为0.80-1.20eV；SnO2为n型半导体，带隙为3.60-4.20eV。当x≤1.8的SnOx中的Sn元素不完全氧化，存在Sn2+，在SnO2的禁带内靠近SnO的价带顶形成能隙中间态，使得x≤1.8的SnOx具有传输空穴的能力。此时的SnO1.8电子浓度为9.0×1016cm-3，电导率为6.5×10-4S cm-1，仍然是n型半导体。另一方面，x≥1.9的SnOx被选定为电子选择性接触材料。
本发明的优点和积极效果：
本发明通过调控Sn和O元素的比例，在晶硅太阳电池中采用了双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料，又采用了x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料。一方面通过一种技术手段(如原子层沉积法、磁控溅射法、反应等离子体沉积法)同时引入了空穴和电子选择性接触材料，简化工艺流程，同时也避免了高温扩散工艺或者高成本的制造工艺，降低成本；另一方面，无掺杂、宽带隙的载流子选择材料SnOx引起较低的光学损失，有利于提高电池的光学性能。
附图说明
图1为i-a-Si:H钝化的双面受光n型绒度晶硅电池结构示意图。
图2为x≥1.9的SnOx在入光面，x≤1.8的SnOx在背光面，i-a-Si:H钝化的绒面n型晶硅电池结构示意图。
图3为x≤1.8的SnOx在入光面，x≥1.9的SnOx在背光面，i-a-Si:H钝化的绒面n型晶硅电池结构示意图。
图4为x≥1.9的SnOx在入光面，x≤1.8的SnOx在背光面，i-a-Si:H钝化的单面制绒n型晶硅电池结构示意图。
图5为x≥1.9的SnOx在入光面，x≤1.8的SnOx在背光面，i-a-Si:H钝化的平面n型晶硅电池结构示意图。
图6为x≥1.9的SnOx在入光面，x≤1.8的SnOx在背光面的绒面n型晶硅电池结构示意图。
图7为x≥1.9的SnOx在入光面，x≤1.8的SnOx在背光面，i-a-Si:H钝化的绒面p型晶硅电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例中晶硅电池结构如图1所示，由上至下依次包括：金属栅线电极银(Ag)，透明导电氧化物薄膜-掺锡氧化铟(ITO)，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，i-a-Si:H钝化层，n型绒度衬底(n-type wafer)，i-a-Si:H钝化层，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，ITO，金属栅线电极Ag。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，制绒清洗；
2、使用等离子体化学气相沉积法(PECVD)，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用原子层沉积系统通过控制锡源和氧源载气流量在i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用原子层沉积系统通过控制锡源和氧源载气流量在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx和空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上分别磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag。
本实施例制备的太阳电池正面开路电压0.7-0.74V，短路电流密度38-41mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为23-26％；背面开路电压0.69-0.73V，短路电流密度30-34mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为18-21％。
实施例2：
本实施例中晶硅电池结构如图2所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag，ITO，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，i-a-Si:H钝化层，n型绒度衬底(n-type wafer)，i-a-Si:H钝化层，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，背部金属电极铝(Al)。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，制绒清洗；
2、使用PECVD，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用原子层沉积系统通过改变氧等离子体辅助沉积时间在一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用原子层沉积系统通过改变氧等离子体辅助沉积时间在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.7-0.74V，短路电流密度38-41mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为23-26％。
实施例3：
本实施例中晶硅电池结构如图3所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag，ITO，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，i-a-Si:H钝化层，n型绒度衬底(n-type wafer)，i-a-Si:H钝化层，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，背部金属电极Al。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，制绒清洗；
2、使用PECVD，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用原子层沉积系统通过改变锡源载气吸附时间在一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用原子层沉积系统通过改变锡源载气吸附时间在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.7-0.74V，短路电流密度38-41mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为23-26％。
实施例4：
本实施例中晶硅电池结构如图4所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag，ITO，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，i-a-Si:H钝化层，n型单面制绒衬底(n-typewafer)，i-a-Si:H钝化层，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，背部金属电极Al。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，SiNx保护一面，制绒，HF酸去除SiNx，清洗；
2、使用PECVD，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用磁控溅射系统通过改变靶材Sn和O比例在一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用磁控溅射系统通过改变靶材Sn和O比例在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.7-0.74V，短路电流密度35-39mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为21-25％。
实施例5：
本实施例中晶硅电池结构如图5所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag，ITO，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，i-a-Si:H钝化层，n型双抛衬底(n-type wafer)，i-a-Si:H钝化层，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，背部金属电极Al。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，RCA清洗；
2、使用PECVD，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用磁控溅射系统通过改变氧气流量在一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用磁控溅射系统通过改变氧气流量在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.7-0.74V，短路电流密度34-37mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为21-24％。
实施例6：
本实施例中晶硅电池结构如图6所示，由上至下依次包括：正面金属栅线Ag，ITO，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，n型绒度衬底(n-type wafer)，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，背部金属电极Al。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以n型单晶硅片为初始衬底，制绒清洗；
2、使用原子层沉积系统通过改变锡源吹扫时间在硅片一面沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
3、使用原子层沉积系统通过改变锡源吹扫时间在硅片另一面沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
4、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.65-0.7V，短路电流密度38-41mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为21-24％。
实施例7：
本实施例中晶硅电池结构如图7所示，由上至下依次包括：正面金属栅线Ag，ITO，电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx，i-a-Si:H钝化层，p型绒度衬底(p-type wafer)，i-a-Si:H钝化层，空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx，背部金属电极Al。
本实施例的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池通过以下方法制备得到：
1、以p型单晶硅片为初始衬底，制绒清洗；
2、使用PECVD，在衬底两面分别沉积5nm的i-a-Si:H钝化层；
3、使用蒸发系统通过改变氧气流量在一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx；
4、使用蒸发系统通过改变氧气流量在另一面i-a-Si:H钝化层上继续沉积双极性的x≤1.8的SnOx作为空穴选择性接触材料；
5、在电子选择性接触材料x≥1.9的SnOx上磁控溅射沉积90nm ITO薄膜，并在ITO上继续蒸发600nm金属栅线电极Ag；然后在电池背部即空穴选择性接触材料x≤1.8的SnOx上蒸发800nm的背电极Al。
本实施例制备的太阳电池的开路电压0.7-0.74V，短路电流密度38-41mA/cm2，填充因子80-85％，光电转换效率为23-26％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述晶硅太阳电池采用了x≤1.8的双极性的SnOx作为空穴选择性接触材料，又采用了x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料。
2.如权利要求1所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于可直接采用x≤1.8的双极性的SnOx作为空穴选择性接触材料，采用x≥1.9的SnOx作为电子选择性接触材料；也可以在硅片和载流子选择性接触材料SnOx之间插入钝化材料，所述钝化材料为本征非晶硅(i-a-Si:H)、本征非晶硅氧合金、非晶硅氮合金、氧化硅(SiOx)、三氧化二铝中的一种或者两种及其以上的叠加组合。
3.如权利要求1所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于衬底选用n型、p型的单晶或多晶硅片，硅片形貌为双面抛光、单面抛光或双面制绒。
4.如权利要求1所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述晶硅太阳电池为双面受光电池或单面受光电池。
5.如权利要求4所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述的双面受光电池中，电池两面均采用透明导电氧化物(TCO)和金属栅线作为电极；单面受光电池中，电池受光面采用透明导电氧化物(TCO)和金属栅线作为电极，背光面采用全面金属作为电极。
6.如权利要求1所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于通过调控Sn和O元素的比例，即x值，分别获得x≤1.8的对空穴具有选择性的SnOx接触材料和x≥1.9的对电子具有选择性的SnOx接触材料，厚度为5-40nm。
7.如权利要求6所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述的调控Sn和O元素的比例通过原子层沉积、蒸发、磁控溅射、反应等离子体沉积、化学合成后旋涂的制备方法实现。
8.如权利要求7所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述的原子层沉积法调控Sn和O元素的比例，通过控制锡源和氧源载气流量，吸附、清洗时间以及后续热处理的方法实现。
9.如权利要求7所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述的蒸发、磁控溅射或反应等离子体沉积法调控Sn和O元素的比例，通过改变蒸发源、靶材的Sn和O元素比例和沉积过程中氧气流量，以及后续热处理的方法实现。
10.如权利要求7所述的基于双极性SnOx的晶硅太阳电池，其特征在于所述的化学合成后旋涂调控Sn和O元素的比例的方法是，化学合成SnOx过程中改变锡源和氧源比例，煅烧温度的方法来实现。
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