CN113707735B - 一种新型双面无掺杂异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型双面无掺杂异质结太阳电池，包括：N型单晶硅衬底层；本征非晶硅薄膜，空穴选择性传输层，电子选择性混合薄膜层，透明导电薄膜，金属栅线电极，并提供了该电池的制备方法，本发明采用的电子选择性传输材料成本也十分低廉，结合后退火工艺步骤，得到由LiF、MgF2、MgO、Mg组成的具有高透过率、低功函数、高电导率的混合薄膜，可有效降低与透明导电薄膜的界面接触势垒，促进载流子的收集，实现了双面率大于70％的无掺杂异质结太阳电池。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池的技术领域，特别涉及一种新型双面无掺杂异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
能源是一个国家赖以生存和发展的动力，在化石能源日益枯竭和环境问题凸显的时代，新型可再生能源的发展将为国民经济的持续发展提供有力的保障。太阳能可以稳定而持续的输出，在清洁能源中极具竞争力。太阳电池是将太阳能直接转换为电能的一种装置，也是太阳能实际应用中的重要组成部分。目前，晶体硅太阳能电池已经成为光伏工业的主流，市场上90％以上的都是晶体硅太阳电池，而生产单晶硅的成本目前仍比较高、工艺流程复杂、总体转换效率不高、高温性能差、光致衰减等制约着其进一步的发展。
异质结太阳电池采用重掺杂的P型非晶硅与N型非晶硅作为发射极与背面电场，形成内建电场以及产生电荷分离场，可有效提高开路电压、填充因子以及转换效率，这种电池既利用了薄膜电池的制造工艺，也充分发挥了晶体硅和非晶硅的材料特性，具有较高的转换效率(目前为27％左右)、低温工艺、双面发电、高转换效率(产业化)≥24％等优点，成为太阳电池发展的热点。
但是受限于非晶硅薄膜的掺杂效应，存在严重的光学寄生吸收损失与严重的载流子的复合，限制了短路电流密度的进一步提升，并且非晶硅薄膜需采用PECVD等昂贵的设备，增加了制备成本，而无掺杂晶体硅异质结太阳电池，采用宽带隙/高功函数的过渡金属氧化物(如氧化钼(MoOx)，氧化钒(VOx)，氧化钨(WOx)等代替p-a-Si:H，采用低功函数的MgO、ZnO、TiO2、LiF、MgF2、CsCO3等等代替n-a-Si:H，具备低温工艺、制备简单，无毒害气体等优势，成为近年来研究的热门方向。
在无掺杂异质结太阳电池中，采用LiF作为电子选择性传输层时，由于其极高的偶极矩，需结合低表电势的Al方可表现低功函数的性能，对电子进行有效的传输。因此一定程度上限制了双面无掺杂异质结太阳电池的实现。有研究者采用其他低功函数的电子选择性传输材料来代替LiF，但是在与透明导电薄膜接触时存在很大的势垒。因此，双面无掺杂异质结太阳电池的实现存在很大的瓶颈。
本发明提出一种新型双面无掺杂异质结太阳电池及其制备方法，采用由LiF、MgF2、MgO、Mg组成的混合薄膜作为电子选择性传输层，可有效降低与透明导电薄膜的界面接触势垒，促进载流子的收集，归因于高的透过率、低功函数、高电导率的综合性能，实现了双面率大于70％的无掺杂异质结太阳电池，为双面无掺杂异质结太阳电池的实现提供了一种有效的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型双面无掺杂异质结太阳电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提出一种新型双面无掺杂异质结太阳电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种新型双面无掺杂异质结太阳电池，包括：
N型单晶硅衬底层；
本征非晶硅薄膜，所述的本征非晶硅薄膜沉积在所述N型单晶硅衬底层的两侧表面上；
空穴选择性传输层，所述的空穴选择性传输层沉积在所述本征非晶硅薄膜的一侧表面上；
电子选择性混合薄膜层，所述的电子选择性混合薄膜层沉积在所述本征非晶硅薄膜的另一侧表面上；
透明导电薄膜，所述的透明导电薄膜分别沉积在所述空穴选择性传输层与电子选择性混合薄膜层的表面上；
金属栅线电极，所述的金属栅线电极分别沉积在所述空穴选择性传输层之上与电子选择性混合薄膜层之上的透明导电薄膜的表面上；
进一步地，所述的空穴选择性传输层材料为MoOx、VOx、WOx、NiOx、CrO3、CuO、CuI、PEDOT:PSS中的一种或几种的组合，制备方法为热蒸发、电子束蒸镀、射频磁控溅射、热丝化学气相沉积、原子层沉积、溶胶-凝胶、旋涂方法中的一种或几种的组合，厚度为1-50nm；
进一步地，所述的电子选择性混合薄膜层的制备方法包括以下步骤：
(1)制备低功函数的金属氟化物层，
(2)在所述金属氟化物层上沉积金属层，
(3)再通过后退火处理，获得所述电子选择性混合薄膜层。
进一步地，所述的金属氟化物层包括LiF、KF、NaF、RbF、CsF中的一种或几种的组合，沉积速率为沉积厚度为0.1-50nm；
进一步地，所述的金属氟化物的制备方法包括真空蒸镀、离子镀、直流/射频磁控溅射中一种或几种的组合。
进一步地，所述的金属层包括Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra中的一种或几种的组合，沉积速率为沉积厚度为1-100nm。
进一步地，所述的后退火温度为10-200℃；退火时间为10-200min；退火氛围为氢气、氮气、氩气、空气中的一种或几种的组合。
进一步地，所述的电子选择性混合薄膜层包括LiF、KF、NaF、RbF、CsF与BeF2、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、RaF2、BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、RaO、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra薄膜中的至少一种或几种的组合；所述的电子选择性混合薄膜层的平均透过率大于90％，功函数小于3eV；
进一步地，所述的透明导电薄膜为ITO(In2O3:Sn)、ITiO(In2O3:Ti)、IZO(In2O3:Zn)、IWO(In2O3:W)、ICO(In2O3:Ce)、FTO(SnO2:F)、AZO(ZnO:Al)、IO:H中的一种或几种的组合；
本发明提出的一种新型双面无掺杂异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)对N型单晶硅衬底层进行损伤去除以及表面织构化；
(2)在N型单晶硅衬底层双面均沉积本征非晶硅薄膜层；
(3)在非晶硅薄膜层任意一侧制备电子选择性混合薄膜层；
(4)在电子选择性混合薄膜层表面上沉积透明导电薄膜；
(5)在非晶硅薄膜的另一侧沉积空穴选择性传输层；
(6)在空穴选择性传输层的表面上沉积透明导电薄膜层；
(7)在电子选择性混合薄膜层之上与空穴选择性传输层之上的透明导电薄膜表面上分别制备金属栅线电极。
本发明的优点：
采用了上述技术方案后，本发明方法相比于现有的双面无掺杂异质结太阳电池的制备方法，有更简单的工艺步骤，另外本发明采用的电子选择性传输材料成本也十分低廉，结合后退火工艺步骤，得到由LiF、MgF2、MgO、Mg组成的具有高透过率、低功函数、高电导率的混合薄膜，可有效降低与透明导电薄膜的界面接触势垒，促进载流子的收集，实现了双面率大于70％的无掺杂异质结太阳电池，并为双面无掺杂异质结太阳电池的实现提供了一种有效的解决方法。
说明书附图：
图1为基于本发明方法的双面无掺杂异质结太阳电池的结构示意图；
图2为基于本发明方法的电子选择性混合薄膜层的制备工艺流程：
(a)N型晶硅衬底；
(b)双面制备非晶硅薄膜层；
(c)制备低功函数的金属氟化物层；
(d)沉积金属层；1：金属原子，2：后退火处理；
(e)形成电子选择性混合薄膜层；
(f)制备透明导电薄膜层；
(g)制备金属栅线电极；
图3为基于本发明方法的双面无掺杂异质结太阳电池制备工艺流程1：
(a)N型硅衬底双面制备非晶硅薄膜；
(b)制备电子选择性混合薄膜层；
(c)电子选择性混合薄膜上制备透明导电薄膜层；
(d)另一侧制备空穴选择性传输层；
(e)空穴选择性传输层上制备透明导电薄膜；
(f)电子选择层与空穴选择层上分别制备金属栅线电极；
图4为基于本发明方法的双面无掺杂异质结太阳电池制备工艺流程2：
(a)N型硅衬底双面制备非晶硅薄膜；
(b)制备电子选择性混合薄膜层；
(c)另一侧制备空穴选择性传输层；
(d)空穴选择性传输层上制备透明导电薄膜；
(e)电子选择层与空穴选择层上分别制备金属栅线电极；
图5为基于本发明方法的双面无掺杂异质结太阳电池的两类电流-电压关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清晰地理解，下面根据实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，该发明提出一种新型双面无掺杂异质结太阳电池，具有如下结构：Ag/IZO/MoOx/i-a-Si:H/n-c-Si/i-a-Si:H/电子选择性混合薄膜/ITO/Ag，其中Ag为金属银，IZO为掺锌的氧化铟透明导电薄膜，MoOx为氧化钼薄膜，i-a-Si:H为本征非晶硅薄膜，n-c-Si为n型单晶硅衬底，电子选择性混合薄膜由LiF/MgF2/MgO/Mg组成，ITO为掺锡的氧化铟透明导电薄膜。
该实施例的制备流程如图2和图3所示:
(1)对N型单晶硅衬底层进行损伤去除及表面织构化；
(2)在N型单晶硅衬底层的双面均沉积本征非晶硅薄膜；
(3)在非晶硅薄膜的任意一侧沉积低功函数的金属氟化物层，沉积速率为厚度为0.75nm；
(4)在所沉积的低功函数的金属氟化物层上继续沉积金属Mg，所述的金属Mg的制备方法为化学气相沉积法，沉积速率为厚度为14nm；
(5)进行后退火处理，退火氛围为氩气、氮气、氢气、空气中的一种，退火温度为200℃，退火时间为150min；通过上述沉积工艺的精确控制以及后退火处理，LiF与Mg发生反应最终形成具有高透过、低功函数、较高电导率的LiF/MgF2/MgO/Mg的混合薄膜，所述的电子选择性混合薄膜层的平均透过率大于90％，功函数为2.92eV；
(6)在电子选择性混合薄膜层上沉积低功函数的掺锡氧化铟透明导电薄膜(ITO)，所述的ITO薄膜可以通过磁控溅射、电子束蒸镀、PECVD、CVD、PVD、RPD等方法制备；
(7)再在另一侧的在N型单晶硅衬底层本征非晶硅薄膜层之上沉积氧化钼薄膜，厚度为7nm；可以通过直流或射频磁控溅射、热蒸发、电子束蒸镀、PECVD、CVD、ALD等方法制备；
(8)空穴传输层MoOx上制备高功函数的掺Zn氧化铟透明导电薄膜层(IZO)，所述的IZO薄膜可以通过磁控溅射、电子束蒸镀、PECVD、CVD、PVD、RPD等方法制备；
(9)在正面IZO薄膜与背面ITO薄膜上分别制备金属Ag栅线电极。
实施例2
该发明提出一种新型双面无掺杂异质结太阳电池，具有如下结构：Ag/IZO/MoOx/i-a-Si:H/n-c-Si/i-a-Si:H/电子选择性混合薄膜/Ag，其中Ag为金属银，IZO为掺锌的氧化铟透明导电薄膜，MoOx为氧化钼薄膜，i-a-Si:H为本征非晶硅薄膜，n-c-Si为n型单晶硅衬底，电子选择性混合薄膜由LiF/MgF2/MgO/Mg组成。
该实施例的制备流程如图2和图4所示:
(1)对N型单晶硅衬底层进行损伤去除及表面织构化；
(2)在N型单晶硅衬底层的双面均沉积本征非晶硅薄膜；
(3)在本征非晶硅薄膜的任意一侧沉积低功函数的金属氟化物层，沉积速率为厚度为0.75nm；
(4)在所沉积的低功函数的金属氟化物层上继续沉积金属Mg，所述的金属Mg的制备方法为真空蒸镀法，沉积速率为厚度为14nm；
(5)进行后退火处理，退火氛围为氩气、氮气、氢气、空气中的一种，退火温度为200℃，退火时间为150min；通过上述沉积工艺的精确控制以及后退火处理，LiF与Mg发生反应最终形成具有高透过、低功函数、较高电导率的LiF/MgF2/MgO/Mg的混合薄膜，所述的电子选择性混合薄膜层的平均透过率大于90％，功函数为2.92eV；
(6)在另一侧的本征非晶硅薄膜层上沉积氧化钼薄膜，厚度为7nm；可以通过直流或射频磁控溅射、热蒸发、电子束蒸镀、PECVD、CVD、ALD等方法制备；
(7)在空穴传输层(MoOx)上制备高功函数的掺Zn氧化铟透明导电薄膜层(IZO)，所述的IZO薄膜可以通过磁控溅射、电子束蒸镀、PECVD、CVD、PVD、RPD等方法制备；
(8)在IZO薄膜与电子选择性混合薄膜上分别制备金属Ag栅线电极。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种双面无掺杂异质结太阳电池，包括：
N型单晶硅衬底层；
本征非晶硅薄膜，所述的本征非晶硅薄膜沉积在所述N型单晶硅衬底层的两侧表面上；
空穴选择性传输层，所述的空穴选择性传输层沉积在所述本征非晶硅薄膜的一侧表面上；
电子选择性混合薄膜层，所述的电子选择性混合薄膜层沉积在所述本征非晶硅薄膜的另一侧表面上；所述电子选择性混合薄膜由LiF/MgF2/MgO/Mg组成；所述电子选择性混合薄膜层的制备方法包括步骤：(1)制备低功函数的金属氟化物层；(2)在所述金属氟化物层上沉积金属层，(3)再通过后退火处理，获得所述电子选择性混合薄膜层；
透明导电薄膜，所述的透明导电薄膜分别沉积在所述空穴选择性传输层与电子选择性混合薄膜层的表面上；
金属栅线电极，所述的金属栅线电极分别沉积在所述空穴选择性传输层之上与电子选择性混合薄膜层之上透明导电薄膜的表面上。
2.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的空穴选择性传输层材料为MoOx、VOx、WOx、NiOx、CrO3、CuO、CuI、PEDOT:PSS中的一种或几种的组合，制备方法为热蒸发、电子束蒸镀、射频磁控溅射、热丝化学气相沉积、原子层沉积、溶胶-凝胶、旋涂中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的金属氟化物层包括LiF、KF、NaF、RbF、CsF中的一种或几种的组合，沉积速率为0.1-5Å/s。
4.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的金属氟化物的制备方法包括真空蒸镀、离子镀、直流/射频磁控溅射中一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的金属层包括Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra中的一种或几种的组合，沉积速率为0.1-5Å/s。
6.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的后退火温度为10-200℃；退火时间为10-200min。
7.根据权利要求1所述的一种双面无掺杂异质结太阳电池，其特征在于：所述的透明导电薄膜为ITO(In2O3:Sn)、ITiO(In2O3:Ti)、IZO(In2O3:Zn)、IWO(In2O3:W)、ICO(In2O3:Ce)、FTO(SnO2:F)、AZO(ZnO:Al)、IO:H中的一种或几种的组合。
8.一种如权利要求1-7中任一所述的双面无掺杂异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对N型单晶硅衬底层进行损伤去除以及表面织构化；
(2)在N型单晶硅衬底层双面均沉积本征非晶硅薄膜层；
(3)在非晶硅薄膜层任意一侧制备电子选择性混合薄膜层；具体包括：制备低功函数的金属氟化物层；在所述金属氟化物层上沉积金属层，再通过后退火处理，获得所述电子选择性混合薄膜层；
(4)在电子选择性混合薄膜层表面上沉积透明导电薄膜；
(5)在非晶硅薄膜的另一侧沉积空穴选择性传输层；
(6)在空穴选择性传输层的表面上沉积透明导电薄膜层；
(7)在空穴选择性传输层之上与电子选择性混合薄膜层之上的透明导电薄膜的表面上分别制备金属栅线电极。
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