CN114361267A - 一种shj太阳电池双层tco薄膜结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构及其制备方法，包括与非晶硅层接触的柱状TCO层和与金属电极接触的等轴TCO层。本发明可以突破单层TCO薄膜的电学性能限制，兼顾了载流子的体纵向传输和表面横向传输，减少载流子复合，提升SHJ太阳电池转化效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，特别涉及一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构及其制备方法。
背景技术
硅异质结(SHJ)太阳电池是一种带有本征薄层的异质结太阳电池，其以单晶硅(c-Si)片作为主体，经过清洗和制绒处理，在正面第一受光面和背面第二受光面分别沉积氢化非晶硅(a-Si:H)层和透明导电氧化物薄膜(Transparent Conductive oxide：TCO)，之后丝网印刷金属电极，得到完整的SHJ太阳电池。其中，本征氢化非晶硅薄层插入到掺杂氢化非晶硅层和单晶硅衬底之间，有效钝化了c-Si/a-Si界面缺陷，使之获得很高的开路电压。SHJ太阳电池因其超高的转化效率、双面发电、低温工艺和环境友好等特点，在产业化进程中具有很强的市场竞争力。2021年，隆基已将SHJ太阳电池的转换效率提高至26.3％，使其再次备受业内关注。
在SHJ太阳电池中，氢化非晶硅的横向导电性极差，无法承担起横向传输载流子的重任，而TCO薄膜的光电特性刚好可以满足这一要求而又不会对光吸收造成损失，所以TCO在SHJ太阳电池得到了很好的应用。作为电学传输层和光学窗口层，TCO要同时具备高迁移率和高透过率，同时也要做到与整个电池体系兼容。工业上常用的TCO种类主要包括三个大类：In2O3、SnO2和ZnO基TCO，以这三种材料为基础，多种掺杂元素被广泛使用，如Sn、Ti、Zr、Ga、W、F、Al等。目前，SHJ太阳电池的最终转换效率距硅基太阳电池的理论极限仍有部分提升空间。对于单层TCO薄膜来说，其性能优化已经比较成熟和完善，比如，选择有效的掺杂元素可以针对性地改善TCO的迁移率或透过率；通过对实验条件的控制如氧分压、沉积功率、沉积压强和温度可以显著改善TCO的光电性能；热处理的温度和氛围也可以影响TCO的表现。然而，TCO材料的电学和光学性能之间存在相互制约的关系，常规的调控手段在提升电学或光学特性的同时会明显降低另一方面的性能，从TCO材料的综合光电性能来说，现有调控手段难以突破单层TCO薄膜的性能极限。
为了进一步提高SHJ太阳电池的转换效率，增加SHJ太阳电池在光伏市场中的竞争力，提供一种新的技术思路来突破TCO薄膜目前存在的光电性能限制具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构及其制备方法，该结构可以突破单层TCO薄膜的电学性能限制，优化纵向载流子在TCO层的传输路径，减少载流子复合，使SHJ太阳电池的串联电阻、短路电流和转化效率有效提高。
本发明提供了一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构，所述SHJ太阳电池的正面和/或背面包括与非晶硅层接触的柱状TCO层和与金属电极接触的等轴TCO层。
所述TCO薄膜材料为锡掺杂氧化铟、钛掺杂氧化铟、钨掺杂氧化铟、锆掺杂氧化铟、镓掺杂氧化铟、钼掺杂氧化铟及多种阳离子共掺杂氧化铟中的一种或几种。
所述柱状TCO层的晶粒呈现柱状生长模式，平行或近似平行于硅片表面的晶界数量远少于垂直或近似垂直于硅片表面的晶界数量。
所述等轴TCO层的晶粒呈现块状生长模式，平行或近似平行于硅片表面的晶界数量与垂直或近似垂直于硅片表面的晶界数量相近。
所述柱状TCO层中与硅片表面平行的晶界远少于等轴TCO层中与硅片表面平行的晶界。
所述柱状TCO层厚度为5-90nm；所述等轴TCO层厚度为5-90nm；所述双层TCO薄膜的总厚度为30-150nm。
相同的薄膜厚底下，所述等轴TCO层的霍尔迁移率大于所述柱状TCO层的霍尔迁移率。
本发明还提供了一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构的制备方法，包括：
(1)对硅片衬底进行清洗和制绒处理；
(2)在步骤(1)所得硅片的上下表面沉积本征非晶硅薄膜；
(3)在步骤(2)所得硅片的上下表面分别沉积N型掺杂非晶硅薄膜和P型掺杂非晶硅薄膜；(4)在步骤(3)所得的硅片的上表面、下表面或上下表面沉积柱状TCO层和等轴TCO层；(5)在步骤(4)所得的硅片的上下表面制备金属栅线电极，得到SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构。
沉积使用直流磁控溅射、射频磁控溅射或反应等离子体沉积。
所述磁控溅射方法所用的辉光放电气源为氩气或者氩气和氧气的混合气体。
所述沉积过程中基底温度为室温，电源功率为60W-240W之间，基底托盘的自转速率为2000-2100r/h，氧气流量/(氩气流量+氧气流量)为0-0.02，柱状TCO层的沉积压强为1-2Pa，等轴TCO层的沉积压强为0.1-0.5Pa。
有益效果
(1)本发明中的双层TCO薄膜结构整合了柱状层和等轴层的不同结构优势，同时具有更好的结晶质量。通过该双层结构，载流子的晶界散射降低，传输路径进一步优化，从而使SHJ太阳电池的短路电流从9.359A提高至9.465A，填充因子从77.71％提升至81.51％，最终转换效率从22.47％提升至23.33％。该双层TCO薄膜可应用于SHJ太阳电池的任意一面，均有可观的性能提升效果。
(2)本发明中的双层TCO薄膜比等轴层和柱状层的功函数高出0.05～0.50eV，与P型非晶硅接触时，可以实现更好的功函数匹配，减小界面载流子运输势垒，更有利于TCO在SHJ太阳电池P侧的应用。
(3)本发明中的双层TCO薄膜，其消光系数较低，应用在SHJ太阳电池的入光面时，TCO层的寄生吸收更少，有利于太阳电池短路电流的提升。
附图说明
图1为本发明的双层TCO薄膜结构的结构示意图；
图2为本发明的双层TCO薄膜结构用作电池正面电学传输层和光学窗口层的SHJ太阳电池结构示意图；
图3为本发明的双层TCO薄膜结构用作电池背面电学传输层和背反射层的SHJ太阳电池结构示意图；
图4为本发明的双层TCO薄膜结构同时用作电池正面和背面的SHJ太阳电池结构示意图；
其中：101-单晶硅基底，102-本征氢化非晶硅钝化层，103-电池正面的n型氢化非晶硅掺杂层，104-电池背面的p型氢化非晶硅掺杂层，105-双层TCO薄膜结构中的第一层柱状TCO层，106-双层TCO薄膜结构中的第二层等轴TCO层，107-产线或实验室中的常规单层TCO薄膜，108-金属栅线电极，201-用于SHJ正面的双层TCO薄膜结构，202-用于SHJ背面的双层TCO薄膜结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
参照图1、图2，利用射频磁控溅射方法，在SHJ太阳电池的正面沉积一层具有特定叠加结构的双层TCO薄膜201，具体操作方法包括以下步骤：
(1)对n型单晶硅片进行清洗和制绒步骤，得到表面具有金字塔结构的清洁硅片基底；
(2)在硅片的正面和背面分别沉积一层本征非晶硅薄膜钝化层；
(3)在硅片正面继续沉积一层n型掺杂非晶硅薄膜，背面继续沉积一层p型掺杂非晶硅薄膜；
(4)在硅片背面，即p型非晶硅薄膜上沉积一层单层的TCO薄膜；在硅片正面，即n型非晶硅薄膜上先沉积一层20nm厚的柱状TCO薄膜，随后再沉积一层80nm厚的等轴TCO薄膜，构成如图1所示的双层TCO结构；
(5)如图2所示，在电池正面和背面分别制作金属栅线电极，形成完整的SHJ太阳电池。
双层TCO薄膜中柱状层的微观结构具有晶粒纵向生长的特点，在微结构表征方法如SEM观测下可以看到薄膜剖面类似柱体的晶粒形状，而等轴层的晶粒生长不具有方向性，且在横向方向上的晶粒尺寸大于柱状层的柱体直径。
双层TCO薄膜中等轴层的霍尔迁移率高于柱状层的霍尔迁移率，双层膜的综合霍尔迁移率介于等轴层和柱状层之间。
双层TCO薄膜中柱状层的生长条件为：溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强1.2Pa。
双层TCO薄膜中等轴层的生长条件为：本底真空1.0×10-3Pa、溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强0.45Pa。
沉积双层TCO薄膜时，整个制备过程可以保持或切断辉光，若保持辉光，则先关闭靶材挡板，调控沉积压强至辉光稳定后再打开挡板继续溅射；若切断辉光，则先调控沉积压强至所需值，压强稳定后重新开启辉光进行溅射。
检测结果：使用双层TCO薄膜作为SHJ太阳电池的光学窗口层，电池的短路电流提高了63mA，填充因子提高了2.42％，光电转换效率提高了0.86％。
实施例2
参照图1、图3，利用射频磁控溅射方法，在SHJ太阳电池的背面沉积一层具有特定叠加结构的双层TCO薄膜202，具体操作方法包括以下步骤：
(1)对n型单晶硅片进行清洗和制绒步骤，得到表面具有金字塔结构的清洁硅片基底；
(2)在硅片的正面和背面分别沉积一层本征非晶硅薄膜钝化层；
(3)在硅片正面继续沉积一层n型掺杂非晶硅薄膜，背面继续沉积一层p型掺杂非晶硅薄膜；
(4)在硅片正面，即n型非晶硅薄膜上沉积一层单层的TCO薄膜；在硅片背面，即p型非晶硅薄膜上先沉积一层40nm厚的柱状TCO薄膜，随后再沉积一层60nm厚的等轴TCO薄膜，构成如图1所示的双层TCO结构；
(5)如图3所示，在电池正面和背面分别制作金属栅线电极，形成完整的SHJ太阳电池。
双层TCO薄膜中柱状层的微观结构具有晶粒纵向生长的特点，在微结构表征方法如SEM观测下可以看到薄膜剖面类似柱体的晶粒形状，而等轴层的晶粒生长不具有方向性，且在横向方向上的晶粒尺寸大于柱状层的柱体直径。
双层TCO薄膜中等轴层的霍尔迁移率高于柱状层的霍尔迁移率，双层膜的综合霍尔迁移率介于等轴层和柱状层之间。
双层TCO薄膜中柱状层的生长条件为：溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强1.2Pa。
双层TCO薄膜中等轴层的生长条件为：本底真空1.0×10-3Pa、溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强0.45Pa。
沉积双层TCO薄膜时，整个制备过程可以保持或切断辉光，若保持辉光，则先关闭靶材挡板，调控沉积压强至辉光稳定后再打开挡板继续溅射；若切断辉光，则先调控沉积压强至所需值，压强稳定后重新开启辉光进行溅射。
检测结果：双层TCO薄膜的综合功函数比单层的柱状层高0.35eV，比单层的等轴层高0.07eV；使用双层TCO薄膜作为SHJ太阳电池的背反射层，电池的短路电流提高了32mA，填充因子提高了1.75％，光电转换效率提高了0.61％。
实施例3
参照图1、图4，利用射频磁控溅射方法，在SHJ太阳电池双面均沉积一层具有特定叠加结构的双层TCO薄膜201/202，具体操作方法包括以下步骤：
(1)对n型单晶硅片进行清洗和制绒步骤，得到表面具有金字塔结构的清洁硅片基底；
(2)在硅片的正面和背面分别沉积一层本征非晶硅薄膜钝化层；
(3)在硅片正面继续沉积一层n型掺杂非晶硅薄膜，背面继续沉积一层p型掺杂非晶硅薄膜；
(4)在硅片双面分别先沉积一层20nm厚的柱状TCO薄膜，随后再沉积一层80nm厚的等轴TCO薄膜，构成双层TCO结构201/202；
(5)如图4所示，在电池正面和背面分别制作金属栅线电极，形成完整的SHJ太阳电池。
双层TCO薄膜中柱状层的微观结构具有晶粒纵向生长的特点，在微结构表征方法如SEM观测下可以看到薄膜剖面类似柱体的晶粒形状，而等轴层的晶粒生长不具有方向性，且在横向方向上的晶粒尺寸大于柱状层的柱体直径。
双层TCO薄膜中等轴层的霍尔迁移率高于柱状层的霍尔迁移率，双层膜的综合霍尔迁移率介于等轴层和柱状层之间。
双层TCO薄膜中柱状层的生长条件为：溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强1.2Pa。
双层TCO薄膜中等轴层的生长条件为：本底真空1.0×10-3Pa、溅射功率120W、气体氛围为氩氢混气，氧分压0.008、沉积温度为室温、沉积压强0.45Pa。
沉积双层TCO薄膜时，整个制备过程可以保持或切断辉光，若保持辉光，则先关闭靶材挡板，调控沉积压强至辉光稳定后再打开挡板继续溅射；若切断辉光，则先调控沉积压强至所需值，压强稳定后重新开启辉光进行溅射。
以上所述实施例仅表达了本发明的技术方案，并不代表对本发明保护范围的限制。需要重申的是，本领域内的技术人员，在本发明技术思路的基础上所作出的任何修改和优化，均属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构，其特征在于：所述SHJ太阳电池的正面和/或背面包括与非晶硅层接触的柱状TCO层和与金属电极接触的等轴TCO层。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述TCO薄膜材料为锡掺杂氧化铟、钛掺杂氧化铟、钨掺杂氧化铟、锆掺杂氧化铟、镓掺杂氧化铟、钼掺杂氧化铟及多种阳离子共掺杂氧化铟中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述柱状TCO层的晶粒呈现柱状生长模式，平行或近似平行于硅片表面的晶界数量远少于垂直或近似垂直于硅片表面的晶界数量。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述等轴TCO层的晶粒呈现块状生长模式，平行或近似平行于硅片表面的晶界数量与垂直或近似垂直于硅片表面的晶界数量相近。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述柱状TCO层中与硅片表面平行的晶界远少于等轴TCO层中与硅片表面平行的晶界。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述柱状TCO层厚度为5-90nm；所述等轴TCO层厚度为5-90nm；所述双层TCO薄膜的总厚度为30-150nm。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：相同的薄膜厚底下，所述等轴TCO层的霍尔迁移率大于所述柱状TCO层的霍尔迁移率。
8.一种SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构的制备方法，包括：
(1)对硅片衬底进行清洗和制绒处理；
(2)在步骤(1)所得硅片的上下表面沉积本征非晶硅薄膜；
(3)在步骤(2)所得硅片的上下表面分别沉积N型掺杂非晶硅薄膜和P型掺杂非晶硅薄膜；
(4)在步骤(3)所得的硅片的上表面、下表面或上下表面沉积柱状TCO层和等轴TCO层；
(5)在步骤(4)所得的硅片的上下表面制备金属栅线电极，得到SHJ太阳电池双层TCO薄膜结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：沉积使用直流磁控溅射、射频磁控溅射或反应等离子体沉积。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述沉积过程中基底温度为室温，电源功率为60W-240W之间，基底托盘的自转速率为2000-2100r/h，氧气流量/(氩气流量+氧气流量)为0-0.02，柱状TCO层的沉积压强为1-2Pa，等轴TCO层的沉积压强为0.1-0.5Pa。
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