CN112466978A - 一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构包括：单晶硅片基底；单晶硅片基底正面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；单晶硅片基底背面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；透明导电薄膜上均设有金属电极。本发明在不影响HJT电池的电池结构情况下，通过使用管式PECVD进行本征非晶硅薄膜的制备，在一定的工艺条件下使其Eta可以接近板式PECVD制备的本征非晶硅薄膜电池Eta，从设备及工艺两个方向达到降本的目的。本发明通过使用管式PECVD设备制备本征非晶硅层形成钝化层，使用板式PECVD设备制备n、p型掺杂非晶硅层分别形成场钝化层和p‑n结层。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体的说涉及一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构及其制备方法。
背景技术
随着光伏产业持续发展，平价上网进程加快，光伏企业面临着转型升级，降本增效的严峻考验。从2015年开始，国家能源局每年实行光伏扶持专项计划——“光伏领跑者计划”，其主要目的为促进光伏发电技术进步、产线升级、市场应用以及成本下降，早日实现光伏发电用电侧平价上网的目标。
目前，作为光伏市场主流的电池产品，PERC电池降本增效的空间越来越小，国内光伏企业不断瞄向新型技术，多种新技术开始稳步推进，其中，异质结被誉为最具产业化潜力的下一代超高效电池技术之一。异质结电池和PERC电池相比，具有效率高、大尺寸化、工艺简单、低衰减、有增效等竞争优势。兼具薄膜电池和晶硅电池优点的HJT电池技术，初步量产后效率和成本降低空间更大，成为了行业公认的未来电池技术最具有性价比的解决方案之一。
虽然异质结技术优势显著，但高昂的成本是目前HJT技术在推广中存在的最大制约。HJT电池中，非晶硅薄膜是整个电池结构中最重要、最特殊的组成部分，其结构和特性对电池的转换效率和稳定性至关重要。传统的HJT电池非晶硅沉积设备主要为板式PECVD、Cat-CVD设备，其体积大、成本投入高、平板式载板产能小、占地面积多等影响HJT电池大规模量产，所以PECVD设备的国产化以及工艺技术重塑也成为了重要的降本方向。
因此提供一种采用PECVD设备制备的晶硅/非晶硅异质结电池及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，在不影响HJT电池的电池结构情况下，通过使用管式PECVD进行本征非晶硅薄膜的制备，在一定的工艺条件下使其Eta可以接近板式PECVD制备的本征非晶硅薄膜电池Eta，从设备及工艺两个方向达到降本的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，包括：单晶硅片基底；
在所述单晶硅片基底正面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；
在所述单晶硅片基底背面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；
所述透明导电薄膜另一面均设有金属电极。
进一步，所述单晶硅片基底为N型单晶硅片，单晶硅片厚度为170μm；所述本征非晶硅薄膜的厚度为1-20nm；所述金属电极为金属银电极。
采用上述进一步方案的有益效果在于：很好的钝化晶体硅表面缺陷，极大地降低晶体硅的表面复合，从而提高少子寿命和开路电压；
进一步，所述掺杂非晶硅薄膜为n型掺杂非晶硅薄膜或p型掺杂非晶硅薄膜；所述掺杂非晶硅薄膜厚度为7-10nm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：沉积n型与p型掺杂非晶硅层，形成场钝化层和p-n结层；
进一步，所述透明导电薄膜为ITO/IWO薄膜；所述透明导电薄膜厚度为110nm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：双面透明导电薄膜降低方块电阻，获得高的填充因子；
本发明还提供了上述晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将单晶硅片经过制绒、清洗；
(2)使用管式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长本征非晶硅薄膜；
(3)使用板式PECVD设备在本征非晶硅薄膜上生长掺杂非晶硅薄膜，
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在正背面掺杂非晶硅薄膜上生长透明导电薄膜，膜厚为110nm；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，然后将电池进行烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。
进一步，上述步骤(1)中制绒步骤为用48％KOH和30％H2O2对单晶硅片进行预清洗、48％KOH进行粗抛，通过48％KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3-7um，最后通过31％HCl和30％H2O2后清洗，制绒后的绒面结构呈金字塔结构的受光面。
所述添加剂组成为饱和羧甲基纤维素钠溶液或聚乙二醇；
采用上述进一步方案的有益效果在于：金字塔绒面结构，促进光吸收，有益于本征非晶硅薄膜的沉积。
进一步，上述步骤(2)中管式PECVD设备的硅片表面的功率密度为1-1000mW/cm2；占空比为10-70％；电极间距为5-50mm；设置压强为10-5000mtorr；硅片温度为50-500℃；硅烷流量为0.1-250sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；氢气流量为0-250sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；电源频率为1-100MHz。上述步骤(2)中本征非晶硅薄膜的禁带宽度为1.3-1.5eV。
采用上述进一步方案的有益效果在于：能够很好的钝化晶体硅表面缺陷，极大地降低晶体硅的表面复合，从而提高少子寿命和开路电压；同时相对而言，还能增大产能；
进一步，上述步骤(3)中包括预热、稳压、掺杂非晶硅镀膜、pump，其中工艺压强为500-2000mtorr，温度为200-240℃，电极间距为15-25mm，功率为500-2000W，硅烷流量为0.1-250sccm/L，氢气流量为0.1-250sccm/L，气体掺杂浓度为2％-3％，电源频率为13.56MHz，本征非晶硅薄膜膜厚为7-10nm；
进一步，上述步骤(5)中通过丝网印刷的方式形成金属银电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为5-12主栅宽度为0.6-1.8mm，副栅线数为150-180，副栅宽度为15-40μm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：能够使导电银浆有效收集电流；
更进一步，上述步骤(5)中所述烧结固化温度为200℃，烧结固化时间15-30min。
采用上述进一步方案的有益效果在于：能够使导电银浆与TCO形成良好接触；
综上所述，本发明在不影响HJT电池的电池结构情况下，通过使用管式PECVD进行本征非晶硅薄膜的制备，在一定的工艺条件下使其Eta可以接近板式PECVD制备的本征非晶硅薄膜电池Eta，从设备及工艺两个方向达到降本的目的。
同时，本发明通过使用管式PECVD设备制备本征非晶硅层形成钝化层，使用板式PECVD设备制备n、p型掺杂非晶硅层分别形成场钝化层和p-n结层，少子寿命可达到2500μs，HJT电池转换效率可达到23.60％。
附图说明
图1为本发明晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构示意图。
附图中，各标号所代表的结构列表如下：1-单晶硅片、2-本征非晶硅薄膜、3-掺杂非晶硅薄膜、4-透明导电薄膜、5-金属电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
一种晶硅/非晶硅异质结电池，包括：单晶硅片基底1；
在单晶硅片基底正面依次生长本征非晶硅薄膜2、掺杂非晶硅薄膜3和透明导电薄膜4；
在单晶硅片基底背面依次生长本征非晶硅薄膜2、掺杂非晶硅薄膜3和透明导电薄膜4；
透明导电薄膜4两面均设有金属电极5。
在一个实施例中，单晶硅片基底1为N型单晶硅片；本征非晶硅薄膜2的厚度为1-20nm；金属电极5为金属银电极。
在一个实施例中，掺杂非晶硅薄膜3为n型掺杂非晶硅薄膜或p型掺杂非晶硅薄膜。
在另一个实施例中，透明导电薄膜4为ITO薄膜。
实施例1
晶硅/非晶硅异质结电池
(1)将N型厚度为170μm的单晶硅片经过制绒、清洗，制绒使用KOH和H2O2对单晶硅片进行预清洗、使用KOH进行粗抛，通过KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3um，最后通过HCl和H2O2后清洗，制绒后且绒面结构呈金字塔结构的受光面；添加剂采用饱和羧甲基纤维素钠溶液；
(2)使用管式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长禁带宽度为1.3-1.5eV的本征非晶硅薄膜，PECVD设备的硅片表面的功率密度为120mW/cm2；占空比为30％；电极间距为10mm；设置压强为1000mtorr；硅片温度为210℃；硅烷流量为2sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；氢气流量为10sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；电源频率为40kHz；正面本征非晶硅薄膜厚度6nm、背面本征非晶硅薄膜厚度10nm；
(3)使用板式PECVD设备在正面本征非晶硅薄膜上生长7nm厚的n型掺杂非晶硅薄膜，在背面本征非晶硅薄膜上生长10nm厚的p型掺杂非晶硅薄膜；板式PECVD设备工艺压强为500mtorr，温度为240℃，电极间距为15mm，功率为2000W，硅烷流量为0.1sccm/L，氢气流量为0.1sccm/L，气体掺杂浓度为2％，电源频率为13.56MHz；
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在掺杂非晶硅薄膜上生长110nm厚的ITO薄膜；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为9，主栅宽度为1.6mm，副栅线数为160，副栅宽度为28μm，然后将电池在200℃下烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。F.测试电池的电性能，电池量产平均效率为23.2％。
实施例2
晶硅/非晶硅异质结电池
(1)将N型厚度为170μm的单晶硅片经过制绒、清洗，制绒使用48％KOH和30％H2O2对单晶硅片进行预清洗、48％KOH进行粗抛，通过48％KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3-7um，最后通过31％HCl和30％H2O2后清洗，制绒后且绒面结构呈金字塔结构的受光面；添加剂采用聚乙二醇；
(2)使用管式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长禁带宽度为1.3-1.5eV的本征非晶硅薄膜，PECVD设备的硅片表面的功率密度为80mW/cm2；占空比为45％；电极间距为15mm；设置压强为1000mtorr；硅片温度为210℃；硅烷流量为2sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；氢气流量为10sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；电源频率为40kHz；正面本征非晶硅薄膜厚度6nm、背面本征非晶硅薄膜厚度10nm；
(3)使用板式PECVD设备在正面本征非晶硅薄膜上生长7nm厚的n型掺杂非晶硅薄膜，在背面本征非晶硅薄膜上生长10nm厚的p型掺杂非晶硅薄膜；板式PECVD设备工艺压强为2000mtorr，温度为200℃，电极间距为5mm，功率为500W，硅烷流量为250sccm/L，氢气流量为250sccm/L，气体掺杂浓度为3％，电源频率为13.56MHz；
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在掺杂非晶硅薄膜上生长110nm厚的ITO薄膜；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为9，主栅宽度为1.6mm，副栅线数为160，副栅宽度为28μm，然后将电池在200℃下烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。测试电池的电性能，电池量产平均效率为23.4％。
实施例3
晶硅/非晶硅异质结电池
(1)将N型厚度为170μm的单晶硅片经过制绒、清洗，制绒使用48％KOH和30％H2O2对单晶硅片进行预清洗、48％KOH进行粗抛，通过48％KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3-7um，最后通过31％HCl和30％H2O2后清洗，制绒后且绒面结构呈金字塔结构的受光面；添加剂采用聚乙二醇；
(2)使用管式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长禁带宽度为1.3-1.5eV的本征非晶硅薄膜，PECVD设备的硅片表面的功率密度为35mW/cm2；占空比为60％；电极间距为17mm；设置压强为1000mtorr；硅片温度为210℃；硅烷流量为2sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；氢气流量为10sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；电源频率为40kHz；正面本征非晶硅薄膜厚度6nm、背面本征非晶硅薄膜厚度10nm；
(3)使用板式PECVD设备在正面本征非晶硅薄膜上生长7nm厚的n型掺杂非晶硅薄膜，在背面本征非晶硅薄膜上生长10nm厚的p型掺杂非晶硅薄膜；板式PECVD设备工艺压强为1000mtorr，温度为210℃，电极间距为17mm，功率为1000W，硅烷流量为2sccm/L，氢气流量为10sccm/L，气体掺杂浓度为3％，电源频率为13.56MHz；
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在掺杂非晶硅薄膜上生长110nm厚的ITO薄膜；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为9，主栅宽度为1.6mm，副栅线数为160，副栅宽度为28μm，然后将电池在200℃下烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。测试电池的电性能，电池量产平均效率为23.6％。
对比例
常规HJT电池
(1)将N型厚度为170μm的单晶硅片经过制绒、清洗，制绒使用48％KOH和30％H2O2对单晶硅片进行预清洗、48％KOH进行粗抛，通过48％KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3-7um，最后通过31％HCl和30％H2O2后清洗，制绒后且绒面结构呈金字塔结构的受光面；
(2)使用板式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长禁带宽度为1.3-1.5eV的本征非晶硅薄膜，正面本征非晶硅薄膜厚度6nm、背面本征非晶硅薄膜厚度10nm；
(3)使用板式PECVD设备在正面本征非晶硅薄膜上生长7nm厚的n型掺杂非晶硅薄膜，在背面本征非晶硅薄膜上生长10nm厚的p型掺杂非晶硅薄膜；板式PECVD设备工艺压强为1000mtorr，温度为210℃，电极间距为17mm，功率为1000W，硅烷流量为2sccm/L，氢气流量为10sccm/L，气体掺杂浓度为3％，电源频率为13.56MHz
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在掺杂非晶硅薄膜上生长110nm厚的ITO薄膜；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为9，主栅宽度为1.6mm，副栅线数为160，副栅宽度为28μm，然后将电池在200℃下烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。测试电池的电性能，电池量产平均效率为23.6％。
对本发明实施例1-3产品以及对比例产品进行电性能测试，以对比例作为基准，结果如表1所示。
表1
| 电性能 | Eta | Voc | Isc | FF |
| 分组 | ％ | mV | mA/cm<sup>2</sup> | ％ |
| 对比例 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 实施例1 | -0.4 | -2 | -0.19 | -0.7 |
| 实施例2 | -0.2 | -1 | -0.12 | -0.4 |
| 实施例3 | 0 | 0 | -0.01 | 0 |
根据表1内容可知本发明通过使用管式PECVD设备制备本征非晶硅层形成钝化层，使用板式PECVD设备制备n、p型掺杂非晶硅层分别形成场钝化层和p-n结层，少子寿命可达到2500μs，HJT电池转换效率可达到23.60％，效率与板式PECVD设备接近，方案是可行的。在提高产能、降低成本，促进使用非晶硅膜层的太阳能电池技术的快速发展做出贡献。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，其特征在于，
包括：单晶硅片基底；
在所述单晶硅片基底正面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；
在所述单晶硅片基底背面依次生长本征非晶硅薄膜、掺杂非晶硅薄膜和透明导电薄膜；
所述透明导电薄膜上均设有金属电极。
2.根据权利要求1所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，其特征在于，所述单晶硅片基底为N型单晶硅片；
所述本征非晶硅薄膜的厚度为1-20nm；
所述金属电极为金属银电极。
3.根据权利要求1所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，其特征在于，所述掺杂非晶硅薄膜为n型掺杂非晶硅薄膜或p型掺杂非晶硅薄膜。
4.根据权利要求1所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构，其特征在于，所述透明导电薄膜为ITO/IWO薄膜。
5.一种权利要求1-4任一项所述晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将单晶硅片经过制绒、清洗；
(2)使用管式PECVD设备以化学沉积法在单晶硅片正面以及背面生长本征非晶硅薄膜；
(3)使用板式PECVD设备在本征非晶硅薄膜上生长掺杂非晶硅薄膜；
(4)利用物理气相沉积磁控溅射在掺杂非晶硅薄膜上生长透明导电薄膜；
(5)在透明导电薄膜上通过丝网印刷的方式形成金属电极，然后将电池进行烧结固化，即得到晶硅/非晶硅异质结电池。
6.根据权利要求5所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述制绒方法为使用48％KOH和30％H2O2对单晶硅片进行预清洗、用48％KOH进行粗抛，通过48％KOH及添加剂溶液进行制绒，绒面为3-7um，最后通过31％HCl和30％H2O2后清洗，制绒后的绒面结构呈金字塔结构，且为受光面。
7.根据权利要求5所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述管式PECVD设备的硅片表面的功率密度为1-1000mW/cm2；占空比为10-70％；电极间距为5-50mm；设置压强为10-5000mtorr；硅片温度为50-500℃；硅烷流量为0.1-250sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；氢气流量为0-250sccm/L，体积为炉管内部工艺气体填充体积；电源频率为1-100MHz。
8.根据权利要求5所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述本征非晶硅薄膜的禁带宽度为1.3-1.5eV。
9.根据权利要求5所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，步骤(5)中通过丝网印刷的方式形成金属银电极，电极包括正面主栅及背面副栅线，主栅线与细栅线垂直分布，主栅线数为5-12主栅宽度为0.6-1.8mm，副栅线数为150-180，副栅宽度为15-40μm。
10.根据权利要求5所述一种晶硅/非晶硅异质结电池的电池结构的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述烧结固化温度为200℃，烧结固化时间为15min-30min。
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