CN113013276B - 一种异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异质结太阳能电池及其制备方法，所示异质结太阳能电池包括：电池本体；所述电池本体包括n型硅片；所述n型硅片的受光面依次设置有第一本征非晶硅层、p型掺杂非晶硅层；所述p型掺杂非晶硅层的外侧设置有受光面p‑TCF层。本发明提供的异质结太阳能电池，通过以受光面p‑TCF层2替代传统的n型TCO薄膜，提高受光面一侧的透明导电薄膜与p型掺杂非晶硅层13的功函数匹配度，进而提高异质结太阳能电池的性能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
异质结太阳能电池是一种基于光伏效应将太阳光辐射直接转换为电能的新型发电技术；现有的异质结太阳能电池，通常是以n型单晶硅片为衬底，在n型单晶硅片的正面依次沉积本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)、p型非晶薄膜(p-a-Si:H)，从而形成p-n异质结；在n型单晶硅片的背面依次沉积本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)、n型非晶硅薄膜(n-a-Si:H)形成背表面场；在掺杂a-Si:H薄膜的两侧，再分别沉积透明导电氧化物薄膜(TCO)，最后通过丝网印刷技术在两侧的顶层形成金属集电极；由于异质结太阳能电池具有制备工艺温度低、高开压高效率、温度系数低且衰减低、结构对称可双面发电等特点，近年来备受关注，已经成为太阳能电池的主要发展方向之一。
其中TCO薄膜在异质结太阳能电池中，除了满足导电性的要求外，还用做减反层，使尽可能多的光透光TCO进入发射极与基区；目前，异质结太阳能电池中通常以锡掺杂氧化铟(ITO)作为TCO薄膜；ITO具有体心立方铁锰矿结构，是一种重掺杂、高简并的n型半导体材料；该ITO的功函数较低，导致将该ITO用于n型单晶硅片的正面时，存在与p型非晶薄膜的功函数不匹配的问题，使得内建电势差减小，导致异质结太阳能电池的性能下降。
发明内容
本发明解决的问题是目前异质结太阳能电池中因TCO薄膜与p型非晶薄膜的功函数不匹配，导致异质结太阳能电池的性能下降。
为解决上述问题，本发明提供一种异质结太阳能电池，包括：
电池本体；
所述电池本体包括n型硅片；
所述n型硅片的受光面依次设置有第一本征非晶硅层、p型掺杂非晶硅层；
所述p型掺杂非晶硅层的外侧设置有受光面p-TCF层。
可选地，所述受光面p-TCF层的材料选自黄铜矿结构衍生物Cu-III-X2、黄铜矿结构金属掺杂衍生物Cu-III1-y-My-X2中的至少一种；
其中，III＝Al、Ga、In；X＝S、Se、Te；M＝Mg、Zn、Mn、Co、Ti、V、Cr、Fe和Ni；0＜y＜1。
可选地，所述受光面p-TCF层的材料为CuAl0.90Zn0.10S2。
可选地，所述受光面p-TCF层的材料为CuAl0.94Mg0.06S2。
可选地，所述受光面p-TCF层的厚度范围为40nm～110nm。
可选地，所述n型硅片的背光面依次设置有第二本征非晶硅层、n型掺杂非晶硅层；
所述n型掺杂非晶硅层的外侧设置有背光面TCO层。
可选地，所述受光面p-TCF层的外侧以及所述背光面TCO层的外侧均设置有金属栅线电极。
本发明的另一目的在于提供一种如上所述的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备电池本体；
S11：准备n型硅片；
S12：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，利用纯硅烷作为前驱物在所述n型硅片的受光面上沉积第一本征非晶硅层；
S13：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，在所述第一本征非晶硅层上制备p型掺杂非晶硅层；
S2：采用磁控溅射工艺，根据受光面p-TCF层中包含元素的占比，在所述p型掺杂非晶硅层的外侧沉积预制层；
S3：对所述预制层退火，得到所述受光面p-TCF层。
可选地，步骤S2中，靶与基底距离范围为0.2m～0.5m，本底真空为5×10-4Pa以下，工作气体为氩气，工作压强为0.5Pa～2Pa，溅射功率为100W～500W，样品台自转速度为2°/s～8°/s。
可选地，步骤S3中，包括在硫与氩气氛围中退火，所述退火温度200℃～700℃，所述退火时间300s～3600s。
与现有技术相比，本发明提供的异质结太阳能电池具有如下优势：
本发明提供的异质结太阳能电池，通过以受光面p-TCF层2替代传统的n型TCO薄膜，提高受光面一侧的透明导电薄膜与p型掺杂非晶硅层13的功函数匹配度，进而提高异质结太阳能电池的性能。
附图说明
图1为本发明所述的异质结太阳能电池的结构简图。
附图标记说明：
1-电池本体；11-n型硅片；12-第一本征非晶硅层；13-p型掺杂非晶硅层；14-第二本征非晶硅层；15-n型掺杂非晶硅层；2-受光面p-TCF层；3-背光面TCO层；4-金属栅线电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“周向”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于简化描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定为“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第一特征之“上”或之“下”，可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
为解决目前异质结太阳能电池中因TCO薄膜与p型非晶薄膜的功函数不匹配，导致异质结太阳能电池的性能下降的问题，参见图1所示，本发明提供一种异质结太阳能电池，该异质结太阳能电池包括电池本体1；本申请中的电池本体1是指异质结太阳能电池中，位于两侧的透明导电氧化物薄膜之间的结构；该电池本体1中的结构可选用现有技术中已有的任意结构；具体的，本申请中的电池本体1包括n型硅片11，即以n型硅片11作为衬底；n型硅片11的受光面依次设置有第一本征非晶硅层12、p型掺杂非晶硅层13；对称地，n型硅片11的背光面依次设置有第二本征非晶硅层14、n型掺杂非晶硅层15；本申请优选第二本征非晶硅层14与第一本征非晶硅层12的材质及厚度等均相同；其中第一本征非晶硅层12、p型掺杂非晶硅层13、第二本征非晶硅层14、n型掺杂非晶硅层15按照常规选材即可，厚度等参数均可根据实际需求而定；本申请进一步优选第一本征非晶硅层12、p型掺杂非晶硅层13、第二本征非晶硅层14、n型掺杂非晶硅层15的厚度范围均为5nm～10nm；n型掺杂非晶硅层15的外侧设置有背光面TCO层3；该背光面TCO层3可选用现有的任意适于异质结太阳能电池中的透明导电氧化物薄膜；本申请优选该背光面TCO层3的材质为锡掺杂氧化铟(ITO)。
进一步的，p型掺杂非晶硅层13的外侧设置有受光面p-TCF层2。
本申请中p型掺杂非晶硅层13的外侧具体是指远离n型硅片11的一侧，即本申请优选n型硅片11受光面一侧的TCO薄膜为p-TCF层；本申请中的p-TCF层具体是指p型透明导电薄膜层。
现有的异质结太阳能电池，n型硅片11的受光面，多采用n型的TCO薄膜，如重掺杂、高简并的n型半导体材料锡掺杂氧化铟(ITO)；其中ITO的功函数较低，因此ITO与受光面的p型掺杂非晶硅层存在功函数不匹配，内建电势差减小的问题，从而使得异质结太阳能电池的开压和填充因子下降，造成异质结太阳能电池的性能下降。
本申请中的受光面p-TCF层2与传统的n型TCO薄膜相比，功函数较高，可以更好的和p型掺杂非晶硅层13相匹配，避免异质结太阳能电池中出现内建电势差减小的问题，从而避免了异质结太阳能电池的开压和填充因子下降，提高异质结太阳能电池的效率。
本发明提供的异质结太阳能电池，通过以受光面p-TCF层2替代传统的n型TCO薄膜，提高受光面一侧的透明导电薄膜与p型掺杂非晶硅层13的功函数匹配度，进而提高异质结太阳能电池的性能。
本申请优选受光面p-TCF层2的材料选自黄铜矿结构衍生物Cu-III-X2、黄铜矿结构金属掺杂衍生物Cu-III1-y-My-X2中的至少一种；
其中，III＝Al、Ga、In；X＝S、Se、Te；M＝Mg、Zn、Mn、Co、Ti、V、Cr、Fe和Ni；0＜y＜1。
本申请提供的受光面p-TCF层2的材料，导电性好，透光率高，具体的，透光率达到80％以上，且功函数较大，为异质结太阳能电池开压和填充因子的提升提供了一种新思路；同时，与传统的n型半导体材料ITO相比，该新型材料中价格昂贵且稀缺的铟的用量降低，制备成本较低，有利于提高异质结太阳能电池的性价比；因此，本申请提供的异质结太阳能电池，通过高性价比的材料来得到高效率、低制备成本的异质结太阳能电池，为异质结太阳能电池的推广应用具有重要意义。
具体的，如CuAlS2的价带顶附近(-1.9eV到0eV)主要是Cu 3d-S 3p杂化电子态，含有少量的Al 3p、Al 3s与S 3p成份；导带底附近(1.9eV到8.0eV)主要由Al 3p、3s和S轨道构成；其价带顶附近的能量起伏较大，空穴有效质量小，方便了空穴迁移；CuAlS2室温下通常呈现p型特性，是禁带宽度的直接带隙半导体(Eg～3.5eV)，载流子浓度可观。
本申请优选受光面p-TCF层2的材料为CuAl0.90Zn0.10S2。
CuAl0.9Zn0.1S2薄膜的电导率优异，是性能优异的p型透明导电材料；CuAl0.9Zn0.1S2薄膜能满足与P型掺杂非晶硅层的功函数匹配、同时导电性和透过率高，且贵金属使用量少，在降低生产成本的同时，实现异质结太阳能电池性能的提升。
作为优选，本申请中受光面p-TCF层2的材料还可以为CuAl0.94Mg0.06S2。
为兼顾受光面p-TCF层2的透光率以及导电性，本申请优选受光面p-TCF层2的厚度范围为40nm～110nm。
进一步的，本申请中受光面p-TCF层2的外侧以及背光面TCO层3的外侧均设置有金属栅线电极4；其中金属栅线电极4的结构按照相关的现有技术进行设计即可，本申请不对金属栅线电极4作具体限定。
本发明的另一目的在于提供一种如上所述的异质结太阳能电池的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1：制备电池本体1；
S11：准备n型硅片11；
S12：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片11的受光面上沉积第一本征非晶硅层12；
S13：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，在第一本征非晶硅层12上制备p型掺杂非晶硅层13；
S2：采用磁控溅射工艺，根据受光面p-TCF层2中包含元素的占比，在p型掺杂非晶硅层13的外侧沉积预制层；
S3：对预制层退火，得到受光面p-TCF层2。
对于本申请而言，上述制备过程中，步骤S12还包括，采用PECVD工艺或HWCVD工艺，利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片11的背光面上沉积第二本征非晶硅层14；步骤S13还包括，采用PECVD工艺或HWCVD工艺，在第二本征非晶硅层14上制备n型掺杂非晶硅层15；还包括：
S4：采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层15上沉积背光面TCO层3；
S5：采用丝网印刷技术在受光面p-TCF层2和背光面TCO层3上分别制备金属栅线电极4，得到基于p型透明导电薄膜的异质结太阳能电池。
具体的，本申请步骤S11中，采用RCA清洗工艺或臭氧清洗工艺对n型硅片11进行制绒清洗；步骤S2中，靶与基底距离范围为0.2m～0.5m，本底真空为5×10-4Pa以下，工作气体为氩气，工作压强为0.5Pa～2Pa，溅射功率为100W～500W，样品台自转速度为2°/s～8°/s；步骤S3中，包括在氩气氛围中退火，退火温度200℃～700℃，退火时间300s～3600s。
通过磁控溅射工艺来制备受光面p-TCF层2，有助于提高受光面p-TCF层2的光电性能，使得该受光面p-TCF层2与第一本征非晶硅层12具有较好的功函数匹配。
作为优选，本申请中对于CuAl0.9Zn0.1S2薄膜的制备，步骤S2中，靶材中各元素的配比为Cu：Al：Zn：S＝1：0.9：0.1：2；靶与基底距离范围为0.5m；本底真空为3×10-4Pa以下，工作气体为氩气，工作压强为1Pa，溅射功率为160W，样品台自转速度为3°/s；步骤S3中，包括在硫和氩气氛围中退火，退火温度300℃，退火时间3600s。
本发明提供的异质结太阳能电池的制备方法，具有工艺简单、量产门槛低、制备成本低、兼容性好、生产效率高等优点，能够满足大规模制备，利于工业化利用，对于制备成本低、电学性能优异的异质结电池具有十分重要的意义；本发明提供的异质结太阳能电池，具有高开压高效率、温度系数低且衰减低、结构对称可双面发电的优点。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种异质结太阳能电池，其特征在于，包括：
电池本体(1)；
所述电池本体(1)包括n型硅片(11)；
所述n型硅片(11)的受光面依次设置有第一本征非晶硅层(12)、p型掺杂非晶硅层(13)；
所述p型掺杂非晶硅层(13)的外侧设置有受光面p-TCF层(2)；所述受光面p-TCF层(2)的材料选自黄铜矿结构衍生物Cu-III-X2、黄铜矿结构金属掺杂衍生物Cu-III1-y-My-X2中的至少一种；
其中，III＝Al、Ga、In；X＝S、Se、Te；M＝Mg、Zn、Mn、Co、Ti、V、Cr、Fe和Ni；0＜y＜1。
2.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述受光面p-TCF层(2)的材料为CuAl0.90Zn0.10S2。
3.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述受光面p-TCF层(2)的材料为CuAl0.94Mg0.06S2。
4.如权利要求1～3任一项所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述受光面p-TCF层(2)的厚度范围为40nm～110nm。
5.如权利要求4所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述n型硅片(11)的背光面依次设置有第二本征非晶硅层(14)、n型掺杂非晶硅层(15)；
所述n型掺杂非晶硅层(15)的外侧设置有背光面TCO层(3)。
6.如权利要求5所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述受光面p-TCF层(2)的外侧以及所述背光面TCO层(3)的外侧均设置有金属栅线电极(4)。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备电池本体(1)；
S11：准备n型硅片(11)；
S12：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，利用纯硅烷作为前驱物在所述n型硅片(11)的受光面上沉积第一本征非晶硅层(12)；
S13：采用PECVD工艺或HWCVD工艺，在所述第一本征非晶硅层(12)上制备p型掺杂非晶硅层(13)；
S2：采用磁控溅射工艺，根据受光面p-TCF层(2)中包含元素的占比，在所述p型掺杂非晶硅层(13)的外侧沉积预制层；
S3：对所述预制层退火，得到所述受光面p-TCF层(2)。
8.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S2中，靶与基底距离范围为0.2m～0.5m，本底真空为5×10-4Pa以下，工作气体为氩气，工作压强为0.5Pa～2Pa，溅射功率为100W～500W，样品台自转速度为2°/s～8°/s。
9.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S3中，包括在硫与氩气氛围中退火，所述退火温度200℃～700℃，所述退火时间300s～3600s。
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