CN112310233B - 太阳电池及生产方法、电池组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了太阳电池及生产方法、电池组件，涉及光伏技术领域。太阳电池包括：硅基底；空穴分离结构形成于硅基底的一侧；金属电极，位于空穴分离结构上；局域接触层，位于金属电极与空穴分离结构之间；局域接触层包括：p型多晶硅层、以及纳米金属颗粒和金属硅化物，纳米金属颗粒和金属硅化物至少分布在p型多晶硅层与所述金属电极之间的界面处；金属硅化物、所述纳米金属颗粒中的金属均为高功函数金属。分布在p型多晶硅层与金属电极之间的界面处的纳米金属颗粒和金属硅化物，可以显著降低接触复合，并降低接触电阻率和太阳电池的串联电阻，且与空穴分离结构的能级匹配，改善了载流子选择性，提高了电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，特别是涉及一种太阳电池及生产方法、电池组件。
背景技术
晶体硅太阳电池具有较高的光电转换效率，以及较为成熟的生产工艺，因此具有广泛的应用前景。
现有技术中，与晶体硅的接触复合较大，从很大程度上限制了电池效率的提升。
发明内容
本发明提供一种太阳电池及生产方法、电池组件，旨在解决空穴侧的电极与晶体硅的接触复合大的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种太阳电池，包括：
空穴分离结构，形成于所述硅基底的一侧；
金属电极，位于所述空穴分离结构上；
局域接触层，位于所述金属电极与所述空穴分离结构之间；
所述局域接触层包括：p型多晶硅层、以及纳米金属颗粒和金属硅化物，所述纳米金属颗粒和金属硅化物至少分布在所述p型多晶硅层与所述金属电极之间的界面处；
所述金属硅化物、所述纳米金属颗粒中的金属均为高功函数金属。
本发明实施方式中，金属硅化物、所述纳米金属颗粒中的金属均为高功函数金属，分布在p型多晶硅层与金属电极之间的界面处的纳米金属颗粒和金属硅化物，可以显著降低接触复合，并降低接触电阻率和太阳电池的串联电阻，且与空穴分离结构的能级匹配，改善载流子选择性，提高电池效率。
可选的，所述纳米金属颗粒还分布在所述p型多晶硅层靠近所述空穴分离结构的表面，以及所述p型多晶硅层中；
所述金属硅化物还分布在所述p型多晶硅层中。
可选的，所述纳米金属颗粒的粒径为0.1-50nm；
在所述金属位于所述硅基底的向光侧的情况下，所述纳米金属颗粒在所述界面上的投影的面积，占所述界面的面积的10-80％。
可选的，所述高功函数金属的功函数为5-7eV。
可选的，所述高功函数金属选自镍、铂、钯、金中的至少一种；
所述金属电极的材料选自铬、钯、银、铜、锡、镍、钴、锌中的至少一种。
可选的，所述太阳电池还包括隧穿层；所述隧穿层位于所述p型多晶硅层与所述空穴分离结构之间；所述隧穿层的厚度为0.5-2nm；所述隧穿层的材料选自氧化硅、氧化铝、碳化硅中的至少一种。
可选的，所述p型多晶硅层的厚度为20-200nm；所述p型多晶硅层的浓度大于或等于1018cm-3。
可选的，所述太阳电池还包括电子分离结构；所述空穴分离结构和所述电子分离结构，分别位于所述硅基底的向光面和背光面；
或，所述空穴分离结构和所述电子分离结构，分别位于所述硅基底的背光面的第一区域和第二区域。
可选的，所述空穴分离结构为p型发射极。
根据本发明的第二方面，还提供一种太阳电池的生产方法，包括如下步骤：
提供硅基底；
在所述硅基底的一侧设置空穴分离结构；
在所述空穴分离结构上沉积p型非晶硅层；
在所述p型非晶硅层上沉积高功函数金属层，得到电池前体；
对电池前体在130-500℃下退火；
在退火后的电池前体上形成金属电极。
根据本发明的第三方面，还提供一种电池组件，包括：任一前述的太阳电池。
上述太阳电池的生产方法、电池组件，具有与前述太阳电池相同或相似的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式的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一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图；
图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图。
附图编号说明：
1-硅基底，2-空穴分离结构，3-局域接触层，31-金属电极，32-p型多晶硅层，33-纳米金属颗粒，34-隧穿层，4-电子分离结构，5-电子端电极，6-钝化隧穿层，7-钝化减反层，8-钝化层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施方式中，参照图1所示，图1示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图。该太阳电池包括：硅基底1，对硅基底1的掺杂类型不作具体限定。例如，硅基底1可以为n型掺杂或p型掺杂。n型掺杂硅基底包含n型导电掺杂剂(例如磷P、砷As、锑Sb)，其掺杂浓度可以为5×1014-1×1016cm-3。n型硅基底对减少寿命的污染物具有更大的抵抗能力，并且由于没有硼氧缺陷可以避免性能退化。同时，上述掺杂浓度较轻，轻掺杂利于降低俄歇复合和带隙变窄效应，提高少数载流子的寿命和载流子扩散长度，提高电池电流密度，在低掺杂浓度的晶体硅基底上获得高的转换效率。
空穴分离结构2位于硅基底1的一侧，具体可以位于硅基底1的空穴传输侧，如，可以是在硅基底1的向光面或背光面。硅基底1的向光面为接收光的表面，背光面为与向光面相对的表面。空穴分离结构2用于分离空穴。针对n型硅基底，空穴分离结构2可以为p型发射极。针对p型硅基底，空穴分离结构2可以为表面场层；可选的，空穴分离结构2可以为空穴传输层。
该太阳电池还包括金属电极31，金属电极31位于空穴分离结构2上。局域接触层3位于金属电极31与空穴分离结构2之间。局域接触层3在空穴分离结构2上的投影，小于空穴分离结构2的投影。局域接触层3具体大小不作具体限定。局域接触层3在空穴分离结构2上的投影可以与金属电极31在空穴分离结构2上的投影完全重合。局域接触层3包括：p型多晶硅层32、以及纳米金属颗粒33和金属硅化物。纳米金属颗粒33和金属硅化物至少分布在p型多晶硅层32与金属电极31之间的界面处。金属电极31用于收集空穴。金属硅化物、纳米金属颗粒33中的金属均为高功函数金属。分布在p型多晶硅层32与金属电极31之间的界面处的纳米金属颗粒33和金属硅化物，可以显著降低接触复合，并降低接触电阻率和太阳电池的串联电阻，且，分布在p型多晶硅层32与金属电极31之间的界面处的纳米金属颗粒33和金属硅化物，与空穴分离结构2的能级匹配，改善载流子选择性，提高电池效率。纳米金属颗粒33是松散分布的，具有良好的透光性。
需要说明的是，上述p型多晶硅层32为高功函数的金属在130-500℃的低温条件下，诱导p型非晶硅层结晶而形成。或者，上述p型多晶硅层32为高功函数的金属在130-500℃的低温条件下，诱导非晶硅层结晶，得到多晶硅，然后再进行原位反应得到。需要说明的是，在130-500℃的范围内，温度升高，会促进金属诱导晶化反应。上述p型非晶硅层或非晶硅层可以用沉积的方式制得。例如，可以采用由等离子体激发或热激发支持的化学气相沉积工艺。诸如溅射或含硅材料的印刷或旋涂的替代工艺也可用于沉积非晶硅层或p型非晶硅层。再例如，从气相的热扩散、进行随后修复的离子注入或通过印刷工艺或旋涂并且随后进行热驱动的掺杂剂施加等工艺可用于随后的掺杂。
相对于现有技术中，需要高温步骤才能将非晶硅转换为多晶硅而言，本申请中，在由非晶硅层或p型非晶硅层，形成多晶硅或p型多晶硅层32的过程中，无需高温步骤，降低了高温过程对太阳电池的不利影响。在低温诱导非晶硅结晶的过程中，高功函数的金属会以纳米金属颗粒33的形式重新析出，分布在p型多晶硅层32与金属电极31之间的界面处，而且，高功函数的金属中的金属原子还会与硅原子结合形成金属硅化物，分布在p型多晶硅层32与金属电极31之间的界面处，以显著降低接触复合，并降低接触电阻率和太阳电池的串联电阻，并改善载流子选择性，提高电池效率。
纳米金属颗粒33分布在p型多晶硅层32金属电极31之间的界面处，可以作为后续电镀金属化的种子层，无需另外制备种子层，电镀金属化形成的金属电极31导电性更好，有利于提高电池效率。分布在p型多晶硅层32中的纳米金属颗粒33能够提升导电性，降低接触电阻。
可选的，金属硅化物、纳米金属颗粒33中的高功函数金属的功函数为5-7eV，进而具有更优的空穴选择性，利于降低复合和更小的接触电阻。
可选的，金属硅化物、纳米金属颗粒33中的高功函数金属选自镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)中的至少一种，上述材料使得复合更低，且与空穴分离结构2的能级更为匹配，利于提升空穴选择性，且利于降低复合并降低接触电阻。同时，上述Ni、Pt、Pd与硅接触时，金属原子以间隙扩散的形式进入Si间隙中，这样在界面层处Si原子周围的原子数将多于4个，Si-Si共价键所共用的电子将同时被间隙原子所共有，从而Si-Si键所拥有的共用电子数少于2，使得Si-Si键从饱和价键向非饱和价键转变，因此Si-Si键将由共价键向金属键转变，减弱了Si-Si键的键强，又由于在界面处存在高浓度的间隙原子，使得电子及原子的迁移率得到明显提高，从而促进了金属硅化物在界面处的低温形成。当金属Au与硅接触时，在室温条件下，由于硅存在大量缺陷及空隙促进了Au原子在硅中的扩散，从而在Au膜与硅界面处形成由Au与硅相互扩散而成的Au/硅混合层，从而减弱了Si-Si键的键强，提高了原子迁移率；随着温度的升高，如温度大于130℃，Si晶核形成，在混合层处形成一非晶亚稳态的合金硅化物AuxSiy；随着温度的继续升高，由于Si原子通过Au-Si层扩散到Si晶核上使硅晶体长大，在温度为200℃左右后，Si晶化完全，该合金层在大于175℃的条件下分解从而形成多晶硅，而Au将从p-Si晶界处析出，并扩散到p-Si与a-Si界面处继续诱导晶化。需要说明的是，上述化学式中的x、y由本领域技术人员根据实际需要确定。
可选的，金属电极31的材料选自铬(Cr)、钯(Pd)、银(Ag)、铜(Cu)、锡(Sn)、镍(Ni)、钴(Co)、锌(Zn)中的至少一种，上述材料的金属电极31利于空穴的收集和传输。例如，金属电极31可以为Cu、Ag、Cu/Ag、Ni/Ag、Ni/Cu、Co/Cu、Cu/Sn、Co/Cu/Sn、Ni/Cu/Ag或Co/Cu/Ag等的组合。
可选的，如图1所示，纳米金属颗粒33还分布在p型多晶硅层32靠近空穴分离结构2的表面，以及p型多晶硅层32中。纳米金属颗粒33分布在p型多晶硅层32靠近空穴分离结构2的表面，也就是纳米金属颗粒33分布在p型多晶硅层32与空穴分离结构2的界面处。可选的，金属硅化物还分布在p型多晶硅层32中，金属硅化物可以升导电性，降低接触电阻。
可选的，纳米金属颗粒33的粒径为0.1-50nm，上述纳米颗粒33的尺寸遮光少，对光的透射能力好，且空穴选择性优。可以通过调控金属诱导反应的温度、反应持续时长等调整纳米金属颗粒33的尺寸。
可选的，在金属电极31位于硅基底1的向光侧的情况下，纳米金属颗粒33在p型多晶硅层32与金属电极31之间界面上的投影的面积，占该界面的面积的10-80％，纳米金属颗粒33遮光少，透光效果好，且空穴选择性能优良。
可选的，参照图1所示，p型多晶硅层32的厚度h1为20-200nm，厚度为p型多晶硅层32与金属电极31层叠的方向上的尺寸。上述厚度的p型多晶硅层32利于降低复合。
可选的，p型多晶硅层32的浓度大于或等于1018cm-3，以允许产生与金属电极31的隧道接触。
可选的，参照图1所示，太阳电池还包括隧穿层34，隧穿层34位于p型多晶硅层32与空穴分离结构2之间。隧穿层34的厚度h2为0.5-2nm。隧穿层34的材料选自氧化硅、氧化铝、碳化硅中的至少一种。隧穿层34的制备方法不限。例如，若隧穿层34的材料选自SiO2，可以通过热氧化、湿化学氧化、在臭氧存在下通过辐照氧化或LPCVD的方式沉积而成。隧穿层34能够起到一定的钝化作用，且能够防止金属原子向空穴分离结构2中扩散。
太阳电池还可以包括电子分离结构4，电子分离结构4用于分离电子，电子分离结构4可以为电子选择性结构，在本发明实施例中，对此不作具体限定。例如，电子分离结构4可以为n型多晶硅层。
可选的，如图1所示，空穴分离结构2和电子分离结构4，分别位于硅基底1的向光面和背光面，形成双面电池。电子端电极5与电子分离结构4电性接触。电子端电极5可以为Al电极、Ag电极或Al/Ag叠层电极等。电子端电极5位于硅基底1的背光侧，电子端电极5可以为全背电极，相对于局部电极而言，即使接触电阻相对较大也不会导致显著的效率损失，这种结构还将太阳电池中的电流流动简化为一维，消除了横向电阻损耗，硅基底电阻对电池性能没有明显影响。
该太阳电池还可以包括位于硅基底1和电子分离结构4之间的钝化隧穿层6。钝化隧穿层6与n型多晶硅层形成电子选择性钝化接触结构，钝化隧穿层6不仅钝化了晶体硅表面，而且从物理上分离了晶体硅的吸收体和上覆金属层，否则会在硅带隙内产生能量态(通过金属诱导间隙态MIGS)。此外，通过抑制费米能级钉扎(FLP)实现载流子选择性。
可选的，空穴分离结构2和电子分离结构4，分别位于硅基底1的背光面的第一区域和第二区域，形成IBC电池。需要说明的是，第一区域和第二区域的大小均不作具体限定。例如，在电子为少数载流子的情况下，第二区域可以大于第一区域，在空穴为少数载流子的情况下，第一区域可以大于第二区域，以便于少数载流子的收集。IBC电池由于完全消除了电池向光面的遮光，也无需向光面开口和金属化工艺，避免了对向光面的钝化层的损伤和金属化接触处的复合，可以进一步提高电池效率，无掺杂异质结电池结构避免了高温工艺，简化工艺流程。
可选的，在空穴分离结构2位于硅基底1的向光面的情况下，该太阳电池还可以包括位于空穴分离结构2的向光面的钝化减反层7，通过激光烧蚀或化学蚀刻钝化减反层7形成接触开口，金属电极31通过开口与空穴分离结构2电性接触。
可选的，参照图2所示，图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图。太阳电池还可以包括：位于电子分离结构4上的钝化层8，以钝化电子分离结构4的表面。钝化层8上设置有开口，电子端电极5通过开孔与电子分离结构4电性接触。图2中电子端电极5为局部电极，图2所示的电池结构可充分利用电池两侧的光线进行发电，提高电池发电效率。在部分接触的情况下，非接触区域被钝化层覆盖，降低整体复合电流并增加电池电压。
本发明实施方式还提供了一种太阳电池的生产方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1，提供硅基底。
如，硅基底可以为n型硅基底，可以对n型硅基底进行清洗、并在n型硅基底的向光面制绒等处理。
步骤S2，在所述硅基底的一侧设置空穴分离结构。
如，可以通过扩散的形式，在n型硅基底的向光面形成发射极层。
步骤S3，在所述空穴分离结构上沉积p型非晶硅层。
可选的，针对图1所示的太阳电池，在步骤S3之前，还可以在背光面沉积钝化隧穿层6。步骤S3中p型非晶硅层厚度可以为20-200nm。p型非晶硅层通过LPCVD或PECVD的方式沉积。
步骤S4，在所述p型非晶硅层上沉积高功函数金属层，得到电池前体。
高功函数金属层可以通过热蒸发或磁控溅射方式沉积，厚度1-20nm。针对图1所示的太阳电池，在步骤S4之前还可以沉积钝化减反射层，在钝化减反射层上开口，然后再沉积高功函数金属层。
步骤S5，对电池前体在130-500℃下退火。
如，可以通过逐步加热升温的方式进行，加热温度介于130-500℃。电子端电极可以通过电镀等低温方式形成，本发明实施例对此不作具体限定。
现有技术中，制备p型多晶硅层比制备n型多晶硅层要更高的温度。本发明实施例中，通过高功函数的金属在低温下诱导p型非晶硅结晶形成p型多晶硅层，无需常规高温退火步骤，降低了高温过程对太阳电池的不利影响。高功函数的金属在诱导晶化反应过程中，以纳米金属颗粒重新析出，并且扩散到p型多晶硅层与金属电极之间的界面处，或生成金属硅化物，分布p型多晶硅层与金属电极之间的界面处，可以显著降低复合，并接触电阻率和太阳电池的串联电阻，改善载流子选择性，降低接触复合，提高电池转换效率。同时，分布在p型多晶硅层与金属电极之间的界面处的纳米金属颗粒，可以作为后续电镀金属化的种子层，无需另外制备种子层，电镀金属化形成的金属电极导电性更好，有利于提高电池效率。此外，位于p型多晶硅层中的纳米金属颗粒以及金属硅化物能够从很大程度上降低复合，并接触电阻率和太阳电池的串联电阻。
本发明实施方式还提供了一种电池组件，包括：任一前述太阳电池。上述太阳电池生产方法、电池组件中的电极接触结构具体可以参照前述太阳电池中有关记载，并能达到相同或相似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。需要说明的是，太阳电池。太阳电池的生产方法的内容可以相互参照。
上面结合附图对本发明的实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (11)
1.一种太阳电池，其特征在于，包括：
硅基底；
空穴分离结构，形成于所述硅基底的一侧；
金属电极，位于所述空穴分离结构上；
局域接触层，位于所述金属电极与所述空穴分离结构之间；
所述局域接触层包括：p型多晶硅层、以及纳米金属颗粒和金属硅化物，所述纳米金属颗粒和金属硅化物至少分布在所述p型多晶硅层与所述金属电极之间的界面处；
所述金属硅化物、所述纳米金属颗粒中的金属均为高功函数金属。
2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述纳米金属颗粒还分布在所述p型多晶硅层靠近所述空穴分离结构的表面、以及所述p型多晶硅层中；
所述金属硅化物还分布在所述p型多晶硅层中。
3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述纳米金属颗粒的粒径为0.1-50nm；
在所述金属电极位于所述硅基底的向光侧的情况下，所述纳米金属颗粒在所述界面上的投影的面积，占所述界面的面积的10-80％。
4.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述高功函数金属的功函数为5-7eV。
5.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述高功函数金属选自镍、铂、钯、金中的至少一种；
所述金属电极的材料选自铬、钯、银、铜、锡、镍、钴、锌中的至少一种。
6.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述太阳电池还包括隧穿层；所述隧穿层位于所述p型多晶硅层与所述空穴分离结构之间；所述隧穿层的厚度为0.5-2nm；所述隧穿层的材料选自氧化硅、氧化铝、碳化硅中的至少一种。
7.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述p型多晶硅层的厚度为20-200nm；所述p型多晶硅层的浓度大于或等于1018cm-3。
8.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述太阳电池还包括电子分离结构；所述空穴分离结构和所述电子分离结构，分别位于所述硅基底的向光面和背光面；
或，所述空穴分离结构和所述电子分离结构，分别位于所述硅基底的背光面的第一区域和第二区域。
9.根据权利要求1-3中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述空穴分离结构为p型发射极。
10.一种太阳电池的生产方法，所述方法用于生产如权利要求1-9中任一项所述的太阳电池，其特征在于，包括如下步骤：
提供硅基底；
在所述硅基底的一侧设置空穴分离结构；
在所述空穴分离结构上沉积p型非晶硅层；
在所述p型非晶硅层上沉积高功函数金属层，得到电池前体；
对电池前体在130-500℃下退火；
在退火后的电池前体上形成金属电极。
11.一种电池组件，其特征在于，包括：权利要求1-9中任一所述的太阳电池。
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