CN114759098B - 一种碳化硅光伏器件 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硅光伏器件，所述碳化硅光伏器件包括碳化硅基体和钝化层；所述碳化硅基体包括具有中间带的碳化硅光吸收材料；所述钝化层位于所述碳化硅基体的一侧表面，包括本征碳化硅。本发明提供的上述碳化硅光伏器件除电极与正面功能层外，采用全碳化硅材料，利用碳化硅材料的高导热系数，消除了背面钝化与背面热阻的矛盾，在获得较高器件效率的同时，可以获得较高的器件导热效率。
Description
技术领域
本申请属于光伏技术领域，涉及一种碳化硅光伏器件。
背景技术
光伏技术作为最有潜力的可再生能源之一，得到越来越广泛的应用，持续提高光伏器件效率是降低光伏发电成本的重要手段之一。
目前市场上的光伏器件以晶体硅器件为主，受晶体硅材料自身特性的限制，晶体硅光伏器件的效率极限约为30％，且目前单晶硅太阳电池最高效率已经达到26.7％，剩余提升空间不大。
中间带光伏器件可以实现超越晶硅光伏器件的光电转换效率，中间带材料的理论效率极限超过60％，长远来看具备更大的发展和应用前景。
中间带材料通常是量子点、超晶格等点状或层状材料，但是此类材料存在内部缺陷密度大、制备困难等缺点，且材料复杂程度较高，体区复合高，光生电流输出困难。
发明内容
碳化硅中间带材料作为体相中间带材料，材料结构稳定，中间带结构稳定，体区缺陷密度低，有利于光生载流子的传输，可以获得较高的光电转换效率。
中间带光伏器件在聚光条件下工作有利于获得更加接近效率极限的高效率，同时聚光器件所需光电转换单元面积较小，有利于控制整体成本。但是，高倍聚光条件容易导致器件温度升高，进而导致器件输出不稳定，光电转换效率下降；且高倍聚光条件下器件光生载流子浓度较高，器件表面钝化不完善导致的载流子复合造成的功率损失比非聚光器件更高，因此需要较好的表面钝化。
然而，现有的界面钝化材料导热性能较差，会导致背面热阻较高，造成器件温度不均匀，影响器件效率。
基于以上认知，本申请提出一种除电极与正面功能层外，采用全碳化硅材料的光伏器件和聚光器件，利用碳化硅材料的高导热系数，消除了背面钝化与背面热阻的矛盾，在获得较高器件效率的同时，可以获得较高的器件导热效率。
本文提供一种碳化硅光伏器件，所述碳化硅光伏器件包括碳化硅基体和钝化层；所述碳化硅基体包括具有中间带的碳化硅光吸收材料；所述钝化层位于所述碳化硅基体的一侧表面，包括本征碳化硅。
本文采用包括具有中间带的碳化硅光吸收材料作为碳化硅基体，主要有两方面的理由。其一，相对于其他的中间带材料而言，碳化硅是块体材料，块体缺陷少，中间带结构较为稳定，光电转换效率高。其二，碳化硅材料在具有高的光电转换效率的同时，还具备优异的导热性能，能够将高聚光倍数工作时产生的大量热及时、有效地散发出去。现有的适用于高倍聚光的高效率光伏器件通常为叠层光伏器件，器件层结构复杂，界面多，不同层材料的导热系数与热膨胀系数不同会导致散热不佳及温度较高时器件结构的失效；同时，现有的叠层器件所用材料导热系数均不高，不利于器件整体的散热。
本文选择本征碳化硅作为钝化层，则有更多的考虑。首先，中间带光伏器件在聚光条件下可以获得较高的光电转换效率，尤其适用于高倍(聚光倍率大于100)及超高倍聚光系统(聚光倍率大于1000)，现有技术中叠层器件通常需要三个pn结、超过十几层结构来提高转换效率，中间带器件需要一个吸收层和附加层即可达到叠层器件的高转换效率，而高聚光倍数工作状态下，会产生大量的热，散热成了一个亟待解决的问题。本发明的发明人对于中间带光伏器件有长时间的研究经验，将聚光倍数提高时，由于碳化硅基体的高导热系数，常规钝化层如氧化硅、氮化硅、氧化铝等(对其进行了各种调整，包括厚度、制备条件等，结果都不尽人意)均不能与其配合获得低界面热阻及整体高导热系数与稳定性。非掺杂的本征晶体碳化硅，由于具有与吸收层(碳化硅基体)类似的结构，两者接触界面可以实现很好的原子匹配，且本征晶体层不参与载流子传导，可以实现较好的表面化学钝化，相对于其他钝化层材料而言，界面热阻将会明显减小。正是基于这一认识，发明人提出上述技术方案，在碳化硅基体和钝化层中同时采用碳化硅材料，在保证了高的转换效率的同时，很好地解决了器件散热的问题。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述钝化层由本征碳化硅构成。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述钝化层的厚度大于或等于2nm。钝化层厚度小于2nm会影响钝化和绝缘性能。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述本征碳化硅具有晶体结构，所述晶体结构可以为多晶、微晶或单晶，所述晶体结构包括立方结构或六方结构。晶体结构的本征碳化硅具有规律的微观结构，散热性能较非晶态的本征碳化硅更好，与晶体具体界面接触更好，因而是更优选的材料。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述立方结构为立方3C，所述六方结构为六方6H或4H。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述碳化硅光伏器件还包括正面电极和背面电极；所述背面电极为全背金属电极。与其他材料和结构的电极相比，全背金属电极具有更好的导热性能。全背金属电极与上述碳化硅基体和钝化层的结构结合在一起，可以更加高效地将器件工作时产生的热散发出去。此外，全背金属可以连接外部散热器或作为其他热利用器件的热端，进一步提高散热性能或有利于热能的利用。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述全背金属电极朝向所述碳化硅基体的一侧包括金属合金或者金属与碳材料的复合材料，所述全背金属电极背离所述碳化硅基体的一侧包括铜。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述金属合金包括铝、银、铜、锡、铟、镓、锌、碱金属、碱土金属中两种以上形成的合金；所述碳材料包括类石墨烯、类石墨炔。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述全背金属电极朝向所述碳化硅基体的一侧为银，所述全背金属电极背离所述碳化硅基体的一侧为铜。上述材料的选择可以进一步改善全背金属电极的导热性能。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述钝化层具有钝化层开孔，所述背面电极通过所述钝化层开孔与所述碳化硅基体形成电接触。
本文还提供一种碳化硅聚光光伏器件，所述聚光光伏器件包括如上所述的碳化硅光伏器件，所述碳化硅光伏器件还包括聚光系统，所述聚光系统的聚光倍数不小于50。
根据本发明的一种实施方式，例如，所述聚光系统的聚光倍数大于100。正是由于本文提供的碳化硅光伏器件同时具备高的能量转换效率和良好的散热性能，使得其特别适于在高聚光倍数下工作。
本发明的技术方案具备以下优良的技术效果。
本文全碳化硅结构指的是碳化硅基体层(吸收层)与背面导热钝化层均为碳化硅材料，二者具备锚定关系，不能替换为其他材料。碳化硅基体层具备高导热效率，同时具备高光电转换潜力；背面导热钝化层采用本征碳化硅材料，具备高导热效率，可以降低器件整体热阻。同时，本征碳化硅与碳化硅吸收层接触界面可以实现较好的界面原子匹配，可以实现良好的化学钝化效果。
全背金属电极相对于其他电极来说，具有更高的导热系数。特别是，全背金属电极包括导热系数高的铜材料，导热性能更佳。因此，上述二者与全背金属电极配合，可以实现器件整体的高导热效率，使得该器件可以在高倍聚光条件下保持合理的工作温度，稳定器件输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种碳化硅光伏器件结构示意图。
图2为本发明另一实施例提供的一种碳化硅光伏器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图更详细地描述本发明的实施方式。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
图1是本发明实施例提供的一种碳化硅光伏器件结构示意图。如图1所示，碳化硅光伏器件包括碳化硅基体10和钝化层4、背面电极3、正面功能层5、以及正面电极2。
其中，首先提供碳化硅晶片作为碳化硅基体10，通过离子注入掺杂等方式在碳化硅基体10中形成具有中间带的碳化硅光吸收层，然后在碳化硅基体10之上形成钝化层4。
钝化层4所采用的材料为本征六方碳化硅材料，采用气相外延沉积工艺生成，厚度为50nm；其上通过激光开孔的方式设置点阵结构开孔(即钝化层开孔41)，以实现背面电极3与碳化硅基体10的电学接触。
钝化层4的一面与碳化硅基体10相接触，另一面通过丝网印刷后烧结的方式生成背面电极3。背面电极3为复合结构，首先印刷银电极，后在银电极背面覆盖抛光铜全背电极后烧结，铜电极作为对外输出电极，同时作为向下散热的散热结构。
碳化硅基体10的一面与钝化层4相接触，另一面沉积正面功能层5。正面功能层5为氧化硅、氧化铝、氮化硅叠层结构，其中氧化硅为化学钝化层，氧化铝、氮化硅为场钝化层。在正面功能层5上通过激光开槽工艺设置线状开槽。在正面功能层5上通过丝网印刷后烧结的工艺设置正面电极2，正面电极2通过上述线状开槽(或者称正面功能层开孔/正面功能层开槽)与碳化硅基体10产生电学接触。
碳化硅基体10进一步包括第一薄层12、第二薄层13以及位于所述第一薄层12和第二薄层13之间的碳化硅基体主体11(碳化硅基体主体11即碳化硅基体除第一薄层12和第二薄层13之外的其他部分)。碳化硅基体主体11由立方碳化硅构成，厚度为100μm，具备p型掺杂，掺杂浓度为1×1014cm-3量级；碳化硅基体主体11中具备中间带掺杂，采用镍元素为中间带掺杂元素，镍元素掺杂采用离子注入后退火的掺杂工艺。
第一薄层12为重掺杂p型碳化硅，采用离子注入后退火的工艺进行原位掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3量级。
第二薄层13为重掺杂n型碳化硅，采用气相外延沉积工艺，掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3量级；碳化硅基体主体11、第二薄层13构成pn结。
实施例2
图2是本发明实施例提供的一种碳化硅光伏器件结构示意图。如图2所示，碳化硅光伏器件包括直接接触的碳化硅基体10和钝化层4、背面电极3、正面功能层5、以及正面电极2。
其中，先形成碳化硅基体10，然后再在碳化硅基体10之上形成钝化层4。
钝化层4所采用的材料为本征立方碳化硅材料，采用沉积后晶化工艺生成，厚度为30nm；其上通过激光开孔的方式设置点阵结构开孔(即钝化层开孔41)，以实现与碳化硅基体10的电学接触。沉积后晶化工艺一种实施方式为，可以先采用真空溅射的方法沉积非晶本征碳化硅，后在900-1500℃温度范围内惰性气体氛围退火晶化；
钝化层4的一面与碳化硅基体10相接触，另一面通过丝网印刷后烧结的方式生成背面电极3。背面电极3为复合结构，首先印刷铝电极，后在背面覆盖抛光铜全背电极后烧结，铜电极作为对外输出电极，同时作为向下散热的散热结构。
碳化硅基体10的一面与钝化层4相接触，另一面沉积正面功能层5。正面功能层5为氧化硅、氧化铝、氮化硅叠层结构，其中氧化硅为化学钝化层，氧化铝、氮化硅为场钝化层，同时作为表面减反射薄膜。在正面功能层5上通过激光开槽工艺设置线状开槽。在正面功能层5上通过丝网印刷后烧结的工艺设置正面电极2，正面电极2通过上述线状开槽(或者称正面功能层开孔/正面功能层开槽)与碳化硅基体10产生电学接触。
碳化硅基体10进一步包括第一接触区域14、第二接触区域15以及位于所述第一接触区域14、第二接触区域15之间的碳化硅基体主体11(碳化硅基体主体11即碳化硅基体除第一接触区域14、第二接触区域15之外的其他部分)。碳化硅基体主体11为立方碳化硅，厚度80μm，碳化硅基体主体11具备n型掺杂，掺杂浓度为1×1014cm-3量级，下表面为p型掺杂，掺杂浓度为1×1014cm-3量级；碳化硅基体主体11中具备中间带掺杂，采用镍元素为中间带掺杂元素。
第一接触区域14为重掺杂n型碳化硅，在正面电极2的对应位置采用离子注入工艺进行原位掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3量级。由于采用离子注入工艺进行原位掺杂形成第一接触区域14，由图2可见，第一接触区域14的形状为类半球形。根据离子注入工艺的具体操作。
第二接触区域15为重掺杂p型碳化硅，在背面电极3与吸收层10接触位置采用离子注入工艺进行原位掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3量级。由于采用离子注入工艺进行原位掺杂形成第二接触区域15，由图2可见，第二接触区域15的形状为类半球形。根据离子注入工艺的具体操作。
Claims (11)
1.一种碳化硅光伏器件，其特征在于，所述碳化硅光伏器件包括碳化硅基体和钝化层；
所述碳化硅基体包括具有中间带的碳化硅光吸收材料；
所述钝化层位于所述碳化硅基体的一侧表面，包括本征碳化硅；
所述钝化层由本征晶体碳化硅构成；所述钝化层的厚度大于或等于2nm，且小于或等于50nm。
2.根据权利要求1所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述晶体碳化硅为多晶、微晶或单晶。
3.根据权利要求1或2所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述本征碳化硅具有晶体结构，所述晶体结构为立方结构或六方结构。
4.根据权利要求3所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述立方结构为立方3C，所述六方结构为六方6H或4H。
5.根据权利要求1所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述碳化硅光伏器件还包括正面电极和背面电极；所述背面电极为全背金属电极。
6.根据权利要求5所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述全背金属电极朝向所述碳化硅基体的一侧包括金属合金或者金属与碳材料的复合材料，所述全背金属电极背离所述碳化硅基体的一侧包括铜。
7.根据权利要求6所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述金属合金包括铝、银、铜、锡、铟、镓、锌、碱金属、碱土金属中两种以上形成的合金；所述碳材料包括类石墨烯、类石墨炔。
8.根据权利要求5所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述全背金属电极朝向所述碳化硅基体的一侧为银，所述全背金属电极背离所述碳化硅基体的一侧为铜。
9.根据权利要求5-8任一项所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述钝化层具有钝化层开孔，所述背面电极通过所述钝化层开孔与所述碳化硅基体形成电接触。
10.一种碳化硅聚光光伏器件，其特征在于，所述聚光光伏器件包括权利要求1-9任一项所述的碳化硅光伏器件，所述碳化硅光伏器件还包括聚光系统，所述聚光系统的聚光倍数不小于50。
11.根据权利要求10所述的碳化硅聚光光伏器件，所述聚光系统的聚光倍数大于100。
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