CN112864284A - 异质结太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供异质结太阳能电池及其制造方法。所述方法先对N型单晶硅片进行制绒及清洗；然后在其正反两面上分别形成第一、第二本征非晶硅层；接着在第一本征非晶硅层上形成N型非晶硅层；之后在第二本征非晶硅层上形成其中的P型杂质浓度沿着远离第二本征非晶硅层的方向在X％‑Y％的范围内以第一斜率线性增长的第一P型非晶硅层；接着在第一P型非晶硅层上形成其中的P型杂质浓度沿着远离第一P型非晶硅层的方向在Y％‑Z％的范围内以第二斜率线性增长的第二P型非晶硅层；然后在所述N型非晶硅层以及第二P型非晶硅层上分别形成第一、第二透明导电膜；最后在第一、第二透明导电膜上形成第一、第二电极。本发明有助于改善电池的内建电场、提高电池转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造领域，特别涉及异质结太阳能电池及其制造方法。
背景技术
薄膜/晶硅异质结太阳能电池(以下简称异质结太阳能电池，又可称HIT或HJT或SHJ太阳能电池)属于第三代高效太阳能电池技术，它结合了晶体硅与硅薄膜的优势，具有转换效率高、温度系数低等特点，将会逐步替代PERC(Passivated Emitterand Rear Cell)电池，成为光伏电池的主流。
异质结太阳能电池的核心制造工艺为其各种非晶硅薄膜的形成，具体包括：利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺在表面织构化或制绒后的N型晶体硅的一面上沉积I型本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，并在晶体硅的另一面沉积I型本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜。现有技术中的掺杂非晶硅薄膜特别是P型非晶硅薄膜通常具有单一掺杂浓度，亦即被均匀掺杂。均匀掺杂的非晶硅薄膜中内建电场较弱，不能有效地将薄膜内的少数载流子推向pn结区域。
为克服上述单一掺杂浓度存在的各种问题，申请号为201811472129.7，名称为“双层非晶硅掺杂层太阳电池的发射极结构及其制备方法”的发明专利申请(现有技术一)，提出了“背光面非晶硅掺杂层采用双层非晶硅掺杂层，第一层采用0.5％-1％的掺杂浓度，第二层采用1％-4％的掺杂浓度”的技术方案；申请号为201110247920.X，名称为“一种梯度掺杂硅基异质结太阳能电池及其制备方法”的发明专利(现有技术二)，提出了“采用PECVD技术对经表面处理的晶体硅衬底沉积掺杂非晶薄膜，在衬底表面沉积三到五层掺杂浓度从下到上依次提高的非晶硅薄膜”的技术方案。
上述现有技术一及现有技术二形成的异质结太阳能电池内的电场分布虽然存在梯度，但梯度分层存在较大落差，导致场强无法均匀增强，不利于载流子的运动搜集。
因此，如何提供一种异质结太阳能电池及其制造方法，以提高光电流及太阳电池效率，已成为业内亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种用于制造异质结太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤：
通过制绒清洗工艺对N型单晶硅片进行制绒及清洗；
通过本征PECVD工艺在N型单晶硅片的正反两面上分别形成第一本征非晶硅层以及第二本征非晶硅层；
通过N型PECVD工艺在所述第一本征非晶硅层上形成N型非晶硅层；
通过第一P型PECVD工艺在所述第二本征非晶硅层上形成第一P型非晶硅层，其中所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长；
通过第二P型PECVD工艺在所述第一P型非晶硅层上形成第二P型非晶硅层，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长；
通过反应等离子沉积工艺或者物理气相沉积工艺在所述N型非晶硅层以及所述第二P型非晶硅层上分别形成第一透明导电膜以及第二透明导电膜；以及
通过丝网印刷工艺在所述第一透明导电膜以及所述第二透明导电膜上分别形成第一电极以及第二电极。
在一实施例中，所述第一P型PECVD工艺以及第二P型PECVD工艺中的工艺气体均包括硼烷与硅烷的混合气体，其中0≤X≤2，1≤Y≤9，5≤Z≤10，X<Y<Z。
在一实施例中，第一P型非晶硅层的厚度为1-10nm，第二P型非晶硅层的厚度为1-10nm，第一P型非晶硅层与第二P型非晶硅层的厚度之和为6-20nm。
在一实施例中，所述第一斜率与所述第二斜率相等，或者所述第一斜率大于所述第二斜率，或者所述第一斜率小于所述第二斜率。
在一实施例中，所述N型非晶硅层的厚度为5-10nm，所述第一透明导电膜以及所述第二透明导电膜的厚度均为70-110nm。
本发明还提供一种异质结太阳能电池，其包括N型单晶硅片，所述N型单晶硅片的正面上依次形成有第一本征非晶硅层、N型非晶硅层、第一透明导电膜以及第一电极，所述N型单晶硅片的反面上依次形成有第二本征非晶硅层、第一P型非晶硅层、第二P型非晶硅层、第二透明导电膜以及第二电极，其中所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长。
在一实施例中，所述第一P型非晶硅层以及第二P型非晶硅层中的P型杂质分别通过第一P型PECVD工艺以及第二P型PECVD工艺形成，所述第一P型PECVD工艺以及第二P型PECVD工艺中的工艺气体均包括硼烷与硅烷的混合气体，其中0≤X≤2，1≤Y≤9，5≤Z≤10，X<Y<Z。
在一实施例中，所述第一P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第二P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第一P型非晶硅层与第二P型非晶硅层的厚度之和为6-20nm。
在一实施例中，所述第一斜率与第二斜率相等，或者所述第一斜率大于第二斜率，或者所述第一斜率小于第二斜率。
在一实施例中，所述N型非晶硅层的厚度为5-10nm，所述第一透明导电膜以及第二透明导电膜的厚度均为70-110nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明中的所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长，从而有助于改善电池内的电场分布，形成均匀增加的内建电场。
第二，本发明中的所述第二P型非晶硅层在第二透明导电膜处其P型杂质浓度最高，从而能有效降低与电极间的接触电阻。
第三，本发明能平衡非晶硅掺杂层透过率与导电率相矛盾的问题，从而能有效提高异质结太阳能电池的转换效率。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1为本发明的异质结太阳能电池的组成结构示意图。
图2至图4为图1中的第一P型非晶硅层16以及第二P型非晶硅层17在不同实施例中其P型杂质浓度随距离变化的示意图。
图5为本发明的用于制造异质结太阳能电池的方法的流程示意图。
图6为通过图5的方法与通过对比文件一制成的异质结太阳能电池的性能参数的对比示意表。
具体实施方案
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
参见图1，其显示了本发明的异质结太阳能电池的组成结构示意图。如图1所示，异质结太阳能电池1包括N型单晶硅片10。所述N型单晶硅片10的正面上依次形成有第一本征非晶硅层11、N型非晶硅层12、第一透明导电膜13以及第一电极14，所述N型单晶硅片10的反面上依次形成有第二本征非晶硅层15、第一P型非晶硅层16、第二P型非晶硅层17、第二透明导电膜18以及第二电极19。以下对异质结太阳能电池1的各个构件进行详细说明。
N型单晶硅片10的电阻率可为0.5～3Ω.cm，厚度可为100～180微米(μm)，尺寸可为125mm×125mm、156mm×156mm、166mm×166mm或210mm×210mm等现在常用或未来的通用尺寸。N型单晶硅片10的正反面上可通过氢氧化钠或氢氧化钾等碱性溶液形成有类似金字塔形的绒面。
第一本征非晶硅层11以及第二本征非晶硅层15可通过以硅烷或硅烷与氢气的混合气体为工艺气体的本征PECVD工艺形成。第一本征非晶硅层11以及第二本征非晶硅层15的厚度均可为4-10纳米(nm)。
N型非晶硅层12的厚度可为5-10nm，其可通过N型PECVD工艺形成，N型PECVD工艺的工艺气体包括硅烷、氢气和磷烷或其他适于进行N型掺杂的气体。
继续参见图1，结合参见图2至图4，所述第一P型非晶硅层16中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层15的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率k1线性增长，其中Y大于X，所述0≤X≤2，1≤Y≤9。所述第一P型非晶硅层16中的P型杂质通过第一P型PECVD工艺形成，所述第一P型PECVD工艺中的工艺气体包括硼烷与硅烷的混合气体。第一P型非晶硅层16的厚度可为1-10nm。
所述第二P型非晶硅层17中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层16的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率k2线性增长，其中Z大于Y；所述1≤Y≤9，5≤Z≤10。所述第二P型非晶硅层17中的P型杂质通过第二P型PECVD工艺形成，所述第二P型PECVD工艺中的工艺气体均包括硼烷与硅烷的混合气体，第二P型非晶硅层17的厚度为1-10nm，第一P型非晶硅层16与第二P型非晶硅层17的厚度之和为6-20nm。
所述第一斜率k1与第二斜率k2可以相等，如图2所示。所述第一斜率k1也可大于第二斜率k2，如图3所示。所述第一斜率k1也可小于第二斜率k2，如图4所示。图2至图4中显示的横轴是距离，所述距离可以为距离所述第二本征非晶硅层15的距离(此时L1为0)，也可以为距离所述N型单晶硅片10的距离(此时L1等于所述第二本征非晶硅层15的厚度)，L1至L2对应所述第一P型非晶硅层16，L2至L3对应所述第二P型非晶硅层17。图2至图4中显示的纵轴是P型杂质浓度，所述第一P型非晶硅层16中的P型杂质浓度沿着从L1至L2的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率k1线性增长，所述第二P型非晶硅层17中的P型杂质浓度沿着从L2至L3的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率k2线性增长。
继续参见图1，第一透明导电膜13和第二透明导电膜18均可为氧化铟锡ITO或ZnO基TCO或IWO或ITIO透明导电薄膜，其可以通过反应等离子沉积(RPD)工艺或者物理气相沉积(PVD)工艺分别形成在N型非晶硅层12和所述第二P型非晶硅层17上。所述第一透明导电膜13以及第二透明导电膜18的厚度均可为70-110nm。
第一电极14以及第二电极19可由业界通常使用的银浆丝网印刷及固化而形成。异质结太阳能电池1的其他各构件的具体厚度及特性对于本领域的技术人员为已知的，在此不再赘述。
参见图5，结合参见图1至图4，图5显示了本发明的一种用于制造异质结太阳能电池的方法50的流程示意图。如图5所示，所述方法50首先进行步骤S500，通过制绒清洗工艺对N型单晶硅片10进行制绒及清洗。在本实施例中，步骤S500中可通过碱腐蚀溶液(例如氢氧化钠或氢氧化钾溶液)对N型单晶硅片10进行去损伤层和形成类似金字塔形的绒面。
所述方法50继续进行步骤S510，通过本征PECVD工艺在N型单晶硅片10的正反两面上分别形成第一本征非晶硅层11以及第二本征非晶硅层15。在本实施例中，本征PECVD工艺以硅烷或硅烷与氢气的混合气体为工艺气体，第一本征非晶硅层11以及第二本征非晶硅层15的厚度均可为4～10纳米。
所述方法50继续进行步骤S520，通过N型PECVD工艺在第一本征非晶硅层11上形成N型非晶硅层12。在本实施例中，所述N型非晶硅层12的厚度为5-10nm，N型PECVD工艺的工艺气体包括硅烷、氢气和磷烷或其他适于进行N型掺杂的气体。
所述方法50继续进行步骤S530，通过第一P型PECVD工艺在第二本征非晶硅层15上形成第一P型非晶硅层16，其中所述第一P型非晶硅层16中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层15的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率k1线性增长。在本实施例中，第一P型非晶硅层16的厚度为1-10nm，所述第一P型PECVD工艺中的工艺气体包括硼烷与硅烷的混合气体，所述0≤X≤2，1≤Y≤9。
所述方法50继续进行步骤S540，通过第二P型PECVD工艺在所述第一P型非晶硅层16上形成第二P型非晶硅层17，所述第二P型非晶硅层17中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层16的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率k2线性增长。在本实施例中，第二P型非晶硅层17的厚度为1-10nm，第一P型非晶硅层16与第二P型非晶硅层17的厚度之和为6-20nm；所述第二P型PECVD工艺中的工艺气体包括硼烷与硅烷的混合气体，所述1≤Y≤9，5≤Z≤10。
在本实施例中，步骤S530中的第一斜率k1与步骤S540中的第二斜率k2可以相等(如图2所示)。在其他实施例中，步骤S530中的第一斜率k1可以大于步骤S540中的第二斜率k2(如图3所示)，步骤S530中的第一斜率k1也可以小于步骤S540中的第二斜率k2(如图4所示)。
所述方法50继续进行步骤S550，通过反应等离子沉积工艺或者物理气相沉积工艺在N型非晶硅层12以及第二P型非晶硅层18上分别形成第一透明导电膜13以及第二透明导电膜18。在本实施例中，所述第一透明导电膜13以及第二透明导电膜18均可为氧化铟锡ITO或ZnO基TCO或IWO或ITIO透明导电薄膜，其厚度均可为70-110nm。
所述方法50继续进行步骤S560，通过丝网印刷工艺在第一透明导电膜13以及第二透明导电膜18上分别形成第一电极14以及第二电极19。在本实施例中，第一电极14以及第二电极19可由业界通常使用的银浆丝网印刷及固化而形成。
通过本发明的用于制造异质结太阳能电池的方法50制成的异质结太阳能电池的具体结构如图1所示，其具体的电性能参数如图6所示，本发明的所述方法50制成的太阳能电池与现有技术一所制成的异质结太阳能电池相比，在短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF以及转换效率Eff上前者比后者都有着显著增加。本发明的所述方法50与现有技术一相比，将转换效率Eff提升0.328，将短路电流Jsc提升0.0121mA/cm2，将填充因子FF提升1.066。本发明能有效提高异质结太阳能电池的短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF以及转换效率Eff。
本发明的异质结太阳能电池及其制造方法首先通过制绒清洗工艺对N型单晶硅片进行制绒及清洗；然后通过本征PECVD工艺在N型单晶硅片的正反两面上分别形成第一本征非晶硅层以及第二本征非晶硅层；接着通过N型PECVD工艺在第一本征非晶硅层上形成N型非晶硅层；之后通过第一P型PECVD工艺在第二本征非晶硅层上形成第一P型非晶硅层，其中所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长；接着通过第二P型PECVD工艺在所述第一P型非晶硅层上形成第二P型非晶硅层，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长；接着通过反应等离子沉积工艺或者物理气相沉积工艺在所述N型非晶硅层以及第二P型非晶硅层上分别形成第一透明导电膜以及第二透明导电膜；最后通过丝网印刷工艺在第一透明导电膜以及第二透明导电膜上形成第一电极以及第二电极。
本发明有助于改善电池内的电场分布，形成均匀增加的内建电场。本发明还能有效降低与电极间的接触电阻。本发明能平衡非晶硅掺杂层透过率与导电率相矛盾的问题，从而能有效提高异质结太阳能电池的转换效率。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (10)
1.一种用于制造异质结太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤：
通过制绒清洗工艺对N型单晶硅片进行制绒及清洗；
通过本征PECVD工艺在N型单晶硅片的正反两面上分别形成第一本征非晶硅层以及第二本征非晶硅层；
通过N型PECVD工艺在所述第一本征非晶硅层上形成N型非晶硅层；
通过第一P型PECVD工艺在所述第二本征非晶硅层上形成第一P型非晶硅层，其中所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长；
通过第二P型PECVD工艺在所述第一P型非晶硅层上形成第二P型非晶硅层，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长；
通过反应等离子沉积工艺或者物理气相沉积工艺在所述N型非晶硅层以及所述第二P型非晶硅层上分别形成第一透明导电膜以及第二透明导电膜；以及
通过丝网印刷工艺在所述第一透明导电膜以及所述第二透明导电膜上分别形成第一电极以及第二电极。
2.根据权利要求1所述的用于制造异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述第一P型PECVD工艺以及所述第二P型PECVD工艺中的工艺气体均包括硼烷与硅烷的混合气体，其中0≤X≤2，1≤Y≤9，5≤Z≤10，X<Y<Z。
3.根据权利要求1所述的用于制造异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述第一P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第二P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第一P型非晶硅层与所述第二P型非晶硅层的厚度之和为6-20nm。
4.根据权利要求1所述的用于制造异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述第一斜率与所述第二斜率相等，或者所述第一斜率大于所述第二斜率，或者所述第一斜率小于所述第二斜率。
5.根据权利要求4所述的用于制造异质结太阳能电池的方法，其特征在于，所述N型非晶硅层的厚度为5-10nm，所述第一透明导电膜以及所述第二透明导电膜的厚度均为70-110nm。
6.一种异质结太阳能电池，其包括N型单晶硅片，所述N型单晶硅片的正面上依次形成有第一本征非晶硅层、N型非晶硅层、第一透明导电膜以及第一电极，所述N型单晶硅片的反面上依次形成有第二本征非晶硅层、第一P型非晶硅层、第二P型非晶硅层、第二透明导电膜以及第二电极，其中所述第一P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第二本征非晶硅层的方向在X％-Y％的范围内以第一斜率线性增长，所述第二P型非晶硅层中的P型杂质浓度沿着远离所述第一P型非晶硅层的方向在Y％-Z％的范围内以第二斜率线性增长。
7.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一P型非晶硅层以及所述第二P型非晶硅层中的P型杂质分别通过第一P型PECVD工艺以及第二P型PECVD工艺形成，所述第一P型PECVD工艺以及第二P型PECVD工艺中的工艺气体均包括硼烷与硅烷的混合气体，其中0≤X≤2，1≤Y≤9，5≤Z≤10，X<Y<Z。
8.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第二P型非晶硅层的厚度为1-10nm，所述第一P型非晶硅层与所述第二P型非晶硅层的厚度之和为6-20nm。
9.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一斜率与所述第二斜率相等，或者所述第一斜率大于所述第二斜率，或者所述第一斜率小于所述第二斜率。
10.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述N型非晶硅层的厚度为5-10nm，所述第一透明导电膜以及所述第二透明导电膜的厚度均为70-110nm。
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