CN114171630A - 异质结太阳能电池及光伏组件 - Google Patents

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张达奇
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Abstract

本发明提供了一种异质结太阳能电池及光伏组件,其所涉及异质结太阳能电池中位于单晶硅衬底正面的第一掺杂非晶层包括位于第一本征非晶层表面的第一掺杂非晶硅膜以及位于第一掺杂非晶硅膜表面的掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜;基于该结构,可以在确保第一掺杂非晶层与第一本征非晶硅层具有良好接触的前提下提高第一掺杂非晶层的透光性,如此能降低太阳光在经过第一本征非晶层与第一掺杂非晶层时的损耗,进而可提高异质结太阳能电池的短路电流,有利于光电转化效率的优化。

Description

异质结太阳能电池及光伏组件
技术领域
本发明涉及光伏制造领域,尤其涉及一种异质结太阳能电池及光伏组件。
背景技术
异质结太阳能电池是目前一种较为高效的晶硅太阳能电池,其结合了晶体硅电池和硅基薄膜电池的特征,具有制造流程短、工艺温度低、转换效率高和发电量多等优点。图1所示为现有技术所涉及异质结太阳能电池的结构示意图,其自上至下依次包括第一集电极51'、第一透明导电膜层41'、第一掺杂非晶层31'、第一本征非晶层21'、单晶硅衬底10'、第二本征非晶层22'、第二掺杂非晶层32'、第二透明导电膜层42'、第二集电极52'。
现有技术中所涉及的第一掺杂非晶层31'通常由掺杂非晶硅膜构成,掺杂非晶硅膜具有较优的电学性能、电导率高,如此使得第一掺杂非晶层31'与第一本征非晶层21'之间具有良好的接触;然由掺杂非晶硅膜具有透光性较差的缺陷,会在一定程度上会降低异质结太阳能电池正面的吸光效果,进而影响电池的短路电流Isc,这严重限制了异质结太阳能电池的效率。现有技术有通过调节第一掺杂非晶层31'掺杂浓度的方式来调节光学带隙以期增大透光率,然此种方式效果不明显。
有鉴于此,有必要提供一种改进的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术存在的技术问题之一,为实现上述发明目的,本发明提供了一种异质结太阳能电池,其具体设计方式如下。
一种异质结太阳能电池,包括:单晶硅衬底,依次层叠设置于所述单晶硅衬底正面的第一本征非晶层、第一掺杂非晶层、第一透明导电膜层以及第一集电极,依次设置于所述单晶硅衬底背面的第二本征非晶层、掺杂类型与所述第一掺杂非晶层掺杂类型相反的第二掺杂非晶层、第二透明导电膜层以及第二集电极;所述第一掺杂非晶层包括位于所述第一本征非晶层表面的第一掺杂非晶硅膜以及位于所述第一掺杂非晶硅膜表面的掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜。
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜的厚度小于或等于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度。
进一步,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度为2-10nm。
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜的光学带隙为1.5-1.9eV,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的光学带隙为1.8-2.7eV。
进一步,所述第一掺杂非晶层还包括位于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜表面的第二掺杂非晶硅膜。
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜与所述第二掺杂非晶硅膜的厚度均小于或等于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度。
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜的厚度为1-4nm,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度为1-7nm,所述第二掺杂非晶硅膜的厚度为1-4nm。
进一步,所述第一掺杂非晶硅膜与所述第二掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
进一步,所述第二掺杂非晶层包括位于所述第二本征非晶层表面的第三掺杂非晶硅膜以及位于所述第三掺杂非晶硅膜表面且掺杂浓度大于所述第三掺杂非晶硅膜的第四掺杂非晶硅膜。
进一步,所述第三掺杂非晶硅膜的厚度小于或等于所述第四掺杂非晶硅膜的厚度。
进一步,所述第四掺杂非晶硅膜的厚度为2-15nm。
进一步,所述第四掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
进一步,所述第一本征非晶层与所述第一掺杂非晶层厚度之和小于或等于所述第二本征非晶层与所述第二掺杂非晶层厚度之和。
进一步,所述第一本征非晶层与所述第一掺杂非晶层厚度之和为6-21nm,所述第二本征非晶层与所述第二掺杂非晶层厚度之和为6-30nm。
进一步,所述第一透明导电膜层的厚度小于或等于所述第二透明导电膜层的厚度。
本发明还提供了一种光伏组件,其具有以上所述的异质结太阳能电池。
本发明的有益效果是:在本发明所提供的异质结太阳能电池结构中,由于第一掺杂非晶层包括位于第一本征非晶层表面的第一掺杂非晶硅膜以及位于第一掺杂非晶硅膜表面的掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜,可以在确保第一掺杂非晶层与第一本征非晶硅层具有良好接触的前提下提高第一掺杂非晶层的透光性,如此能降低太阳光在经过第一本征非晶层与第一掺杂非晶层时的损耗,进而可提高异质结太阳能电池的短路电流,有利于光电转化效率的优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1所示为现有技术异质结太阳能电池的结构示意图;
图2所示为本发明异质结太阳能电池的第一种实施结构示意图;
图3所示为本发明异质结太阳能电池的第二种实施结构示意图;
图4所示为本发明异质结太阳能电池的第三种实施结构示意图;
图5所示为本发明异质结太阳能电池的第四种实施结构示意图。
图中,10为单晶硅衬底,21为第一本征非晶层,31为第一掺杂非晶层,311为第一掺杂非晶硅膜,312为掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜,313为第二掺杂非晶硅膜,41为第一透明导电膜层,51为第一集电极,22为第二本征非晶层,32为第二掺杂非晶层,321为第三掺杂非晶硅膜,322为第四掺杂非晶硅膜,42为第二透明导电膜层,52为第二集电极。
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。
参考图2所示,本发明所涉及的异质结太阳能电池包括:单晶硅衬底10,依次层叠设置于单晶硅衬底10正面的第一本征非晶层21、第一掺杂非晶层31、第一透明导电膜层41以及第一集电极51,依次层叠设置于单晶硅衬底10背面的第二本征非晶层22、第二掺杂非晶层32、第二透明导电膜层42以及第二集电极52。
在具体实施过程中,所涉及的单晶硅衬底10的正面与异质结太阳能电池的受光面相对应,背面与异质结太阳能电池的背光面相对应。所涉及的单晶硅衬底可以是N型硅衬底,也可以是P型硅衬底。实施方案中,以选用N型单晶硅衬底为例。第一本征非晶层21与第二本征非晶层22均为本征非晶硅。第一掺杂非晶硅层31与第二掺杂非晶硅层32的掺杂类型相反,其中一个为N型掺杂,即采用磷掺杂;另一个为P型掺杂,即采用硼掺杂。
参考图2所示,本发明中所涉及的第一掺杂非晶层31包括位于第一本征非晶层21表面的第一掺杂非晶硅膜311以及位于第一掺杂非晶硅膜311表面的掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312。
掺杂非晶氧化硅与掺杂非晶碳化硅相对掺杂非晶硅具有更为优异的透光率。现有技术中所涉及的第一掺杂非晶层31'通常为单层掺杂非晶硅膜结构;本实施例中,第一掺杂非晶层31采用双层膜设计,其中,第一掺杂非晶硅膜311能够保证第一掺杂非晶层31与第一本征非晶层21之间具有较好的接触,而掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312相当于将具有高透光率的掺杂非晶氧化硅或掺杂非晶碳化硅替代现有技术的部分掺杂非晶硅,如此能够提高第一掺杂非晶层31的整体透光率,降低太阳光在经过第一本征非晶层与第一掺杂非晶层时的损耗,进而可提高异质结太阳能电池的短路电流,有利于光电转化效率的优化。
即基于第一掺杂非晶硅膜311、掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的配合,本发明所提供的异质结太阳能电池具有较为优异的光学和电学性能。
在图2所述实施例中,第一掺杂非晶硅膜311小于或等于掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度;作为优选,第一掺杂非晶硅膜311通常小于掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度。如此在保证第一掺杂非晶层31与第一本征非晶层21之间具有较好的接触的同时,可以极大程度的使第一掺杂非晶层31具有较好的透光率。
具体实施过程中,掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度为2-10nm。相应地,第一掺杂非晶硅膜311的厚度可以设置为1-5nm,
为确保第一掺杂非晶层31与第一本征非晶层21之间具有较好的接触,第一掺杂非晶硅膜311为高掺杂膜,其载流子浓度为5E19~5E21/cm3
进一步,本发明中所涉及第一掺杂非晶硅膜311的光学带隙为1.5-1.9eV,掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的光学带隙为1.8-2.7eV。掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的高光学带隙可以确保第一掺杂非晶层31具有较好透光性。
参考图3所示,本发明的另一些实施例中,第一掺杂非晶层31还包括位于掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312表面的第二掺杂非晶硅膜313。掺杂非晶硅通常具有较为优异的导电率,图3所示实施例中第二掺杂非晶硅膜313的设置可以使得第一掺杂非晶层31与第一透明导电膜层41之间具有较好的接触,相比图2所示实施例可以降低接触电阻,进而使得电池具有更高的填充因子。
图3所示实施例中,第二掺杂非晶硅膜313的厚度小于或等于掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度;作为优选,第二掺杂非晶硅膜313的厚度也通常小于掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度,进而使得第一掺杂非晶层31具有较好的透光率。在具体实施时,其所涉及的第一掺杂非晶硅膜311的厚度为1-4nm,掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312的厚度为1-7nm,第二掺杂非晶硅膜313的厚度为1-4nm。
为确保第一掺杂非晶层31与第一透明导电膜层41之间具有较好的接触,第二掺杂非晶硅膜313也为高掺杂膜,其载流子浓度为5E19~5E21/cm3
参考图4、图5所示,在本发明的又一些实施例中,第二掺杂非晶层32包括位于第二本征非晶层22表面的第三掺杂非晶硅膜321以及位于第三掺杂非晶硅膜321表面且掺杂浓度大于第三掺杂非晶硅膜321的第四掺杂非晶硅膜322。
优选地,第四掺杂非晶硅膜322的载流子浓度为5E19~5E21/cm3。相应地,第三掺杂非晶硅膜321的载流子浓度设置为5E18~5E19/cm3
在图4、图5所示实施例中,第三掺杂非晶硅膜321由于具有相对较低的掺杂浓度,可以降低对第二本征非晶层22的影响,降低第二本征非晶层22的晶格畸变,可以有效保证异质结太阳能电池背面的钝化效果;第四掺杂非晶硅膜322由于具有相对较高的掺杂浓度,可以提高第二掺杂非晶层32与第二透明导电膜之间的接触,降低两者之间的接触电阻,提高电池填充因子。
本发明中,第三掺杂非晶硅膜321的厚度小于或等于第四掺杂非晶硅膜322;作为优选,第三掺杂非晶硅膜321的厚度通常小于第四掺杂非晶硅膜322。具体实施时,第三掺杂非晶硅膜322的厚度为2-15nm;相应地,第三掺杂非晶硅膜321的厚度可以设置为1-5nm。
进一步地,本发明中,第一透明导电膜层41的厚度小于或等于第二透明导电膜层42的厚度。对于异质结太阳能电池而言,由于第一透明导电膜层41厚度相对较小,可以有效降低受光面的太阳光在经过第一透明导电膜层41时的损耗,进而可使得异质结太阳能电池具有较好的光电转化效率。
本发明中更为具体地的实施例中,第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31厚度之和小于或等于第二本征非晶层22与第二掺杂非晶层32厚度之和。优选地,第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31厚度之和小于第二本征非晶层22与第二掺杂非晶层32厚度之和。
对于异质结太阳能电池而言,其受光面吸光效果对电池片的光电转化效率影响远大于背光面吸光效果对电池片的光电转化效率影响,由于第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31厚度之和小于或等于第二本征非晶层22与第二掺杂非晶层32厚度之和,能有效降低受光面的太阳光在经过第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31时的损耗,可提高异质结太阳能电池的短路电流,使得异质结太阳能电池具有较好的光电转化效率。
在本发明的一些具体实施例中,第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31厚度之和为6-21nm,第二本征非晶层22与第二掺杂非晶层32厚度之和为6-30nm。
作为进一步优选,第一本征非晶层21的厚度小于或等于第二本征非晶层22的厚度,第一掺杂非晶层31的厚度小于或等于第二掺杂非晶层32的厚度。
具体实施时,第一本征非晶层21的厚度为3-6nm,第二本征非晶层22的厚度为4-10nm,第一掺杂非晶层31的厚度为3-15nm,第二掺杂非晶层32的厚度为3-20nm。
为更好的理解本发明,本发明提供有图1、图2、图3、图4、图5所示五种不同实施结构的测试参数,在这些测试的异质结太阳能电池结构中,相同点在于:所涉及的单晶硅衬底、第一本征非晶层、第二本征非晶层、第一透明导电膜层、第二透明导电膜层、第一集电极以及第二集电极均采用相同工艺制成,即相应膜层具有相同的厚度及特性;不同点在于:第一掺杂非晶层31与第二掺杂非晶层32的设计结构,具体区别可结合附图所示及以上相关描述。
具体测试结果下表:
组别 Eff(%) Voc(V) Isc(A) FF(%)
对比例(图1) 22.92 738.5 9.120 83.20
实施例1(图2) 23.04 738.6 9.170 83.27
实施例2(图3) 23.07 738.6 9.160 83.47
实施例3(图4) 23.10 740.0 9.171 83.29
实施例4(图5) 23.12 740.1 9.159 83.48
对比可知,本发明所提供的异质结太阳能电池(即实施例1-实施例4)相对现有技术所提供的异质结太阳能电池(即对比例)而言,效益(EFF)、开路电压Voc、短路电流Isc以及填充因子FF方面均有一定幅度的优化提升。
本发明还提供了一种光伏组件,其具有以上所涉及的异质结太阳能电池。
本发明以下还展示了异质结太阳能电池的一种具体制作方式。
S1、硅片处理:选用n型单晶硅片,利用稀释溶度为5%的HF溶液去除表面氧化层,采用KOH或NaOH或四甲基氢氧化氨(TMAH)加醇的方法,利用单晶硅的各向异性腐蚀,在表面形成较浅的金字塔结构,进而形成单晶硅衬底10。
S2、非晶硅薄膜制作:通过PECVD工艺在n型单晶硅衬底10的正面依次形成第一本征非晶层21与第一掺杂非晶层31,在n型单晶硅衬底10的背面依次形成第二本征非晶层22与第二掺杂非晶层32。
S3、透明导电膜制作:将完成非晶硅薄膜制作的单晶硅衬底10两表面分别采用PVD沉积、RPD沉积或磁控溅射沉积工艺制作第一透明导电膜41与第二透明导电膜42。第一透明导电膜41与第二透明导电膜42通常选用ITO材质或其它具有优异导电性的透明导电氧化物薄膜(TCO),第一透明导电膜41与第二透明导电膜42具体材质可以存在一定差异。
S4、集电极制作:用丝网印刷的方法在第一透明导电膜41与第二透明导电膜42上再分别印刷一层低温导电银浆,然后在150~300℃的低温下进行烧结形成良好的欧姆接触,进而形成第一集电极51以及第二集电极52。
具体在非晶硅薄膜制作步骤中:
在制作第一掺杂非晶膜311时,将SiH4、H2和第一类型掺杂气体气体引入真空室。
在制作掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜312时,若该膜层为掺杂非晶氧化硅膜,将SiH4、H2、CO2和第一类型掺杂气体气体引入真空室;若该膜层为掺杂非晶碳化硅膜,将SiH4、H2、CH4和第一类型掺杂气体气体引入真空室。
在需要制作第二掺杂非晶膜313时,将SiH4、H2和第一类型掺杂气体气体引入真空室。
在制作第三掺杂非晶膜321与第四掺杂非晶膜322时,均将SiH4、H2和第二类型掺杂气体气体引入真空室。不同点在于制作第三掺杂非晶膜321时第二类型掺杂气体的掺杂浓度小于制作第四掺杂非晶膜322时第二类型掺杂气体的掺杂浓度。
应该当理解,本发明中,第一类型掺杂气体气体指的是PH3(磷化氢)气体与B2H6(乙硼烷)气体中的一种,第二类型掺杂气体气体指的是PH3(磷化氢)气体与B2H6(乙硼烷)气体中的另一种。
可以理解,第一本征非晶层21、第一掺杂非晶层31、第二本征非晶层22及第二掺杂非晶层32分别在不同镀膜腔室内制作成型。此外,四层非晶层镀制过程中,在相应非晶层镀制前,所涉及镀膜腔室的温度及压强需要到达预定值,通常温度为180℃,压力控制在30-200pa。
为优化第一本征非晶层21、第二本征非晶层22对单晶硅衬底10的钝化效果,第一本征非晶层21、第二本征非晶层22的具体制作过程中,在通入经H2稀释的SiH4时,可调节H2/SiH4的稀释比,进而使得第一本征非晶层21、第二本征非晶层22具有多层不同特性的本征膜,通常H2/SiH4的稀释比范围为5-250。
以上仅展示第一本征非晶层21、第二本征非晶层22全部由本征非晶硅构成的制备方式,可以理解,在本发明的另一些实施例中,第一本征非晶层21、第二本征非晶层22的本征膜也可以为本征非晶氧化硅或本征非晶碳化硅。具体在此不做进一步展开描述。
应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施方式中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种异质结太阳能电池,包括:单晶硅衬底,依次层叠设置于所述单晶硅衬底正面的第一本征非晶层、第一掺杂非晶层、第一透明导电膜层以及第一集电极,依次设置于所述单晶硅衬底背面的第二本征非晶层、掺杂类型与所述第一掺杂非晶层掺杂类型相反的第二掺杂非晶层、第二透明导电膜层以及第二集电极;其特征在于,所述第一掺杂非晶层包括位于所述第一本征非晶层表面的第一掺杂非晶硅膜以及位于所述第一掺杂非晶硅膜表面的掺杂非晶氧化硅膜或掺杂非晶碳化硅膜。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜的厚度小于或等于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度。
3.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度为2-10nm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
5.根据权利要求1-3任意一项所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜的光学带隙为1.5-1.9eV,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的光学带隙为1.8-2.7eV。
6.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶层还包括位于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜表面的第二掺杂非晶硅膜。
7.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜与所述第二掺杂非晶硅膜的厚度均小于或等于所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度。
8.根据权利要求7所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜的厚度为1-4nm,所述掺杂非晶氧化硅膜或所述掺杂非晶碳化硅膜的厚度为1-7nm,所述第二掺杂非晶硅膜的厚度为1-4nm。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅膜与所述第二掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
10.根据权利要求1、2、3、6、7或8所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第二掺杂非晶层包括位于所述第二本征非晶层表面的第三掺杂非晶硅膜以及位于所述第三掺杂非晶硅膜表面且掺杂浓度大于所述第三掺杂非晶硅膜的第四掺杂非晶硅膜。
11.根据权利要求10所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第三掺杂非晶硅膜的厚度小于或等于所述第四掺杂非晶硅膜的厚度。
12.根据权利要求11所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第四掺杂非晶硅膜的厚度为2-15nm。
13.根据权利要求10所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第四掺杂非晶硅膜的载流子浓度为5E19~5E21/cm3
14.根据权利要求1、2、3、6、7或8所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一本征非晶层与所述第一掺杂非晶层厚度之和小于或等于所述第二本征非晶层与所述第二掺杂非晶层厚度之和。
15.根据权利要求14所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一本征非晶层与所述第一掺杂非晶层厚度之和为6-21nm,所述第二本征非晶层与所述第二掺杂非晶层厚度之和为6-30nm。
16.根据权利要求1、2、3、6、7或8所述的异质结太阳能电池,其特征在于,所述第一透明导电膜层的厚度小于或等于所述第二透明导电膜层的厚度。
17.一种光伏组件,其特征在于,具有权利要求1-16任意一项所述的异质结太阳能电池。
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