CN115347070A - 一种太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种太阳电池及其制备方法，涉及光伏电池领域。太阳电池包括掺杂硅片，掺杂硅片的正面由近及远依次层叠设置有氮化硅层、钝化层、N型晶硅层，掺杂硅片的背面由近及远依次层叠设置有钝化层、P型晶硅层、导电层、氮化硅层；钝化层的材质为氧化硅，导电层的材质为氧化锌铝，掺杂硅片为N型。该太阳电池的光电转化效率高、栅线印刷成本低，而且后续印刷烧结形成的栅线不容易断裂。
Description
技术领域
本申请涉及光伏电池领域，具体而言，涉及一种太阳电池及其制备方法。
背景技术
SHJ(Silicon Herterojunction)硅异质结电池，又被称作HIT(Heterojunctionwith intrinsic thin layer)电池，该电池一般以N型硅片为基底，具有高效率、高开路电压等特点，其结构示意图如图1所示，其层结构为依次叠加设置的：导电层001、N型非晶硅层002、本征非晶硅层003、掺杂硅片004、本征非晶硅层003、P型非晶硅层005、导电层001，其中导电层001的材质为ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)。
现有的HIT电池中，非晶硅层、ITO靶材都不耐高温，所以在丝网印刷形成电极时，需要使用低温浆料进行低温烧结，不能使用高温浆料进行高温烧结。但是低温银浆的价格昂贵、导电性较差，而且也不耐储存，而且在印刷时也不能经过高温烧结形成较好的接触。另外，使用低温银浆印刷形成的栅线经常容易发生断栅的事故。
因此，栅线印刷成本高、栅线易断裂等现有的技术问题都制约了硅异质电池的发展。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种太阳电池及其制备方法，该太阳电池是对现有的硅异质结电池进行改进，其光电转化效率高，而且可以降低栅线的印刷成本、增强印刷烧结形成的栅线的强度。
第一方面，本申请实施例提供了一种太阳电池，其包括掺杂硅片，掺杂硅片的正面由近及远依次层叠设置有氮化硅层、钝化层、N型晶硅层，掺杂硅片的背面由近及远依次层叠设置有钝化层、P型晶硅层、导电层、氮化硅层；钝化层的材质为氧化硅，导电层的材质为氧化锌铝，掺杂硅片为N型。
在上述技术方案中，材质为氧化硅的钝化层有良好的耐高温性能，而且N型晶硅层以及P型晶硅层也具有良好的耐高温的性能，因此后续可以使用诸如高温银浆等低成本的浆料制备栅线，而且烧结的温度也可以控制在较高的范围内(一般远大于200℃)，这样能形成制备成本低、强度高的栅线。而且N型晶硅层和P型晶硅层的透光性能好，能增大太阳电池的光电转化效率。另外，掺杂硅片与N型晶硅层和P型晶硅层之间能形成PN结，以确保太阳电池能够在光照条件下产生载流子，从而产生电流。
由于P型晶硅层的方阻较高，因此需要再增加一层导电层以降低方阻。AZO(aluminum zinc oxide，氧化锌铝)不仅具有良好的导电性，还具有良好的耐高温性能和优秀的透光性能；使用AZO制备的导电层，能降低太阳电池的制备成本，提升太阳电池的栅线强度，同时也有利于提升太阳电池的光电转化效率。而且在制备太阳电池时，通常会将太阳电池置于氢气等离子体中进行氢钝化，以消除晶体的氧缺陷；氮化硅层能阻止太阳电池中的氢逃逸，有利于提升太阳电池的光电转化效率。
在一种可能的实现方式中，钝化层的厚度为1～15nm；和/或，N型晶硅层的厚度为5～120nm；和/或，P型晶硅层的厚度为5～120nm。
在上述技术方案中，合适厚度的钝化层以及晶硅层既有利于增强太阳电池的抵御烧蚀性能，保证后续高温烧结时掺杂硅片不会被损伤；同时又不会影响载流子的传输能力，保证太阳电池的光电转化效率不受影响。
在一种可能的实现方式中，N型晶硅层和/或P型晶硅层中，晶硅为单晶硅或多晶硅中的一种或两种。
在上述技术方案中，相比于非晶硅，晶硅具有良好的透光性，不会影响太阳电池的光伏转化效率。
在一种可能的实现方式中，导电层的厚度为50～120μm。
在上述技术方案中，导电层的厚度太小，不利于降低P型晶硅层的方阻，厚度太大，会降低导电层的透光率，影响太阳电池的光电转化效率，因此导电层的厚度一般控制在合适的范围内。
在一种可能的实现方式中，氮化硅层的厚度为5～120nm。
在一种可能的实现方式中，掺杂硅片的厚度为5～200μm。
第二方面，本申请实施例提供了一种上述的太阳电池的制备方法，其包括以下步骤：在N型的掺杂硅片的正面和背面分别形成钝化层，钝化层的材质为氧化硅；在正面的钝化层的表面形成N型晶硅层，在背面的钝化层的表面形成P型晶硅层，在P型晶硅层的表面形成材质为AZO的导电层。
在上述技术方案中，通过上述方式形成的太阳电池，具有良好的耐高温的性能，能使用高温银浆在电池表面形成电极，有利于降低电池的制备成本，提升电池的光电转化效率。
在一种可能的实现方式中，在正面的钝化层的表面形成N型晶硅层的步骤包括：在正面的钝化层的表面镀N型非晶硅，然后加热N型非晶硅并进行退火；可选地，加热温度不低于800℃。
在上述技术方案中，通过对非晶硅进行加热然后退火的方式能使得非晶硅转化为晶硅，从而形成N型晶硅层。
在一种可能的实现方式中，在背面的钝化层的表面形成P型晶硅层的步骤包括：在背面的钝化层的表面镀P型非晶硅，然后加热P型非晶硅并进行退火；可选地，加热温度不低于800℃。
在上述技术方案中，通过对非晶硅进行加热然后退火的方式能使得非晶硅转化为晶硅，从而形成P型晶硅层。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有的硅异质结太阳电池的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的太阳电池的结构示意图。
图标：001-导电层；002-N型非晶硅层；003-本征非晶硅层；004-掺杂硅片；005-P型非晶硅层；100-氮化硅层；200-N型晶硅层；300-钝化层；400-掺杂硅片；500-P型晶硅层；600-导电层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
下面对本申请实施例的太阳电池及其制备方法进行具体说明。
如图2所示，本申请实施例中，太阳电池从上至下依次层叠设置有氮化硅层100、N型晶硅层200、钝化层300、掺杂硅片400、钝化层300、P型晶硅层500、导电层600、氮化硅层100。
在太阳电池中，以掺杂硅片400为分界面，含有N型晶硅层200的一面被称为正面(包含掺杂硅片400的表面)，含有P型晶硅层500的一面被称为背面(包含掺杂硅片400的表面)。而且掺杂硅片400是晶硅硅片掺杂诸如磷元素或硼元素等不同的元素形成的，掺杂有磷元素的晶硅硅片为N型掺杂硅片，掺杂有硼元素的晶硅硅片为P型掺杂硅片，掺杂硅片400的厚度一般在50～200μm的范围内。作为示例性地，本实施例中，掺杂硅片400为N型。
本申请实施例中，N型的掺杂硅片400的正、背面的钝化层300的材质为氧化硅，具有良好的耐高温性能。为了保证钝化层300在不影响载流子的传输能力的同时，增强太阳电池的抵御烧蚀性能，通常需要将钝化层300的厚度控制在1～1.5nm。而且正面和背面的钝化层300的厚度可以相同也可以不同，作为示例性的，本实施例中，正面和背面的钝化层300的厚度是相同的。
本申请实施例中，N型晶硅层200以及P型晶硅层500是晶硅硅片掺杂不同的元素形成的，具体地，N型晶硅层200是掺杂有磷元素的晶硅硅片，P型晶硅层500是掺杂有硼元素的晶硅硅片，这与掺杂硅片400的分类类似；不同的是，掺杂硅片400的厚度远远大于N型晶硅层200以及P型晶硅层500。
本申请实施例中，N型晶硅层200以及P型晶硅层500中的晶硅既可以是单晶硅，也可以是多晶硅，还可以是单晶硅和多晶硅的混合物(此时一般称为微晶硅)，但是无论是单晶硅、多晶硅还是微晶硅，其都具有良好的耐高温性能和透光性能。作为示例性地，本实施例中的N型晶硅层200以及P型晶硅层500中的晶硅都是微晶硅。另外，为了保证太阳电池既具有良好的抵御烧蚀性能，同时又不会影响载流子的传输能力，本申请实施例中，N型晶硅层200的厚度为5～120nm；P型晶硅层500的厚度为5～120nm。
本申请实施例中，由于P型晶硅层500的方阻大于N型晶硅层200的方阻，因此需要在P型晶硅层500的表面叠加材质为AZO的导电层600以降低其方阻，而且为了保证在降低方阻的同时不影响太阳电池的吸光率，本实施例中，导电层600的厚度通常控制在5～120nm的范围内。
本申请实施例中，正面和背面的氮化硅层100能阻止太阳电池中的氢逃逸，起到氢钝化的用，其厚度一般在50～120nm的范围内；而且在太阳电池中，正面和背面的氮化硅层100的厚度可以相同也可以不同，作为示例性地，本实施例中，正面的氮化硅层100和背面的氮化硅层100的厚度是相同的。当然，在其它一些实施例中，也可以省略氮化硅层100，但是这样不利于提升太阳电池的转化效率。
本申请实施例中，N型晶硅层200、材质为氧化硅的钝化层300、P型晶硅层500、材质为AZO的导电层600都具有良好的耐高温的性能，这四种层结构配合使用，能使得太阳电池的表面承受高温银浆的温度，即可以在本申请实施例中的太阳电池的表面印刷高温银浆，并进行高温印刷烧结(一般大于300℃)，从而能制得栅线宽度小、栅线强度高的太阳电池。栅线的宽度小有利于增加太阳电池的吸光面积，栅线强度大有利于提升太阳电池的稳定性，高温银浆有利于降低太阳电池的成本。
上述的太阳电池的制备方法如下：
S100、形成钝化层300。
该步骤一般是在管式炉中进行，将N型硅片或P型硅片置于管式炉中，然后通入氧气加热以将硅片的表面氧化，从而形成表面附着有钝化层300的掺杂硅片400。作为示例性地，本实施例中的硅片均为N型硅片。
本步骤中，氧化温度一般控制在600～800℃，具体可以是600℃、650℃、700℃、750℃或800℃；氧化时间一般控制在2～7min，具体可以是2min、3min、4min、5min、6min或7min；氧气流量一般控制在2～30slm，具体可以是2slm、3slm、4slm、5slm、6slm或7slm。通过控制时间、温度以及氧气流量，可以控制钝化层300的厚度。时间越短、温度越低、氧气流量越小，钝化层300的厚度就越小。
另外，在形成钝化层300之前，一般都需要采用碱性溶液对硅片的表面进行制绒，从而形成金字塔绒面，以利于增加太阳光的吸收率。
S200、形成N型晶硅层200和P型晶硅层500。
作为示例性地，在本实施例中，该步骤一般是通过CVD(Chemical VaporDeposition，化学气相沉积)的方式在150～600℃的温度下先在正面和背面的钝化层300的表面沉积掺杂非晶硅，然后再在管式炉中加热后退火，使非晶硅转化为晶硅，从而形成N型晶硅层200和P型晶硅层500；其中加热温度不低于800℃，加热时间为30～120min。通过先CVD沉积再加热退火的方式，不仅可以精确控制层结构的厚度，还能降低制备成本。
当然，在其它一些实施例中，也可以直接在不低于800℃的情况下，通过CVD的方式沉积形成N型晶硅层200和P型晶硅层500，本申请在此不再赘述。
S300、在正面形成氮化硅层100。
该步骤一般使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositio，等离子体增强化学气相沉积)法制备，可以精确地控制氮化硅层100的厚度，其原料一般为硅烷和氨气。
S400、在背面形成导电层600。
该步骤一般是使用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)法制备，以准确控制导电层600的厚度，其原料为AZO，这样形成的导电层600的材质也为AZO。
S500、在背面形成氮化硅层100。该步骤与S300的类似。
通过上述制备方式形成各个层结构具有良好的耐热性能，在后续印刷栅线时，可以使用高温浆料进行印刷而不损害各个层结构。这样不仅能增加栅线的强度，还可以降低制备成本。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种太阳电池，其制备方法具体如下：
(1)形成钝化层300：取表面积为27415mm2的N型硅片，采用碱性溶液进行制绒，形成金字塔绒面；然后将N型硅片置于管式炉中，以5slm的流速通入氧气，在680℃的条件下氧化5min，分别在正面和背面形成厚度为1.4nm的钝化层300。
(2)形成N型晶硅层200和P型晶硅层500：使用CVD法于200℃的条件下，在正面的钝化层300的表面沉积一层厚度为100nm的N型非晶硅薄膜，在背面的钝化层300的表面沉积一层厚度为100nm的P型非晶硅薄膜。然后再在管式炉中加热至950℃持续60min后退火，形成N型晶硅层200和P型晶硅层500。
(3)在正面形成氮化硅层100：以硅烷和氨气为原料，使用PECVD法在N型晶硅层200的表面形成一层厚度为75nm的氮化硅层100。
(4)形成导电层600：以AZO为原料，使用PVD法在P型晶硅层500的表面形成一层厚度为50nm的导电层600。
(5)在背面形成氮化硅层100：以硅烷和氨气为原料，使用PECVD法在P型晶硅层500的表面形成一层厚度为60nm的氮化硅层100。
本实施例中的太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：75nm的氮化硅层100、100nm的N型晶硅层200、1.4nm的钝化层300、150μm的掺杂硅片400、1.4nm的钝化层300、100nm的P型晶硅层500、50nm的导电层600、60nm的氮化硅层100。
实施例2
本实施例提供了一种太阳电池，其制备方法相比于实施例1，主要具有如下不同：
步骤(2)中，加热温度为800℃，加热时间为60min。
本实施例中的太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：75nm的氮化硅层100、100nm的N型晶硅层200、1.4nm的钝化层300、150μm的掺杂硅片400、1.4nm的钝化层300、100nm的P型晶硅层500、50nm的导电层600、60nm的氮化硅层100。
实施例3
本实施例提供了一种太阳电池，其制备方法相比于实施例1，主要具有如下区别：
步骤(4)中，形成的导电层600的厚度为100nm。
本实施例中的太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：75nm的氮化硅层100、100nm的N型晶硅层200、1.4nm的钝化层300、150μm的掺杂硅片400、1.4nm的钝化层300、100nm的P型晶硅层500、100nm的导电层600、60nm的氮化硅层100。
对比例1
如图1所示，本对比例提供了一种太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：100nm的导电层001、5nm的N型非晶硅层002、3nm的本征非晶硅层003、150μm的掺杂硅片004、5nm的本征非晶硅层003、10nm的P型非晶硅层005、110nm的导电层001。
其制备方法如下：
(1)形成本征非晶硅层003：取表面积为27415mm2的N型硅片，采用碱性溶液进行制绒，形成金字塔绒面；然后使用CVD法分别在N型硅片的正面和背面沉积厚度为3～5nm的本征非晶硅层003，用以钝化掺杂硅片004表面的悬挂键。
(2)形成N型非晶硅层002和P型非晶硅层005：使用CVD法于200℃的条件下，在正面的本征非晶硅层003的表面沉积一层厚度为5nm的N型非晶硅层002，在背面的本征非晶硅层003的表面沉积一层厚度为10nm的P型非晶硅层005。
(3)形成导电层001：以AZO为原料，使用PVD法分别在N型晶硅层200的表面形成一层厚度为100nm的导电层001，在P型晶硅层500的表面形成一层厚度为110nm的导电层001。
对比例2
本对比例提供了一种太阳电池，其制备方法相比于实施例1，主要具有如下区别：
步骤(2)中，不会再在管式炉中加热退火以使非晶硅转化为晶硅。
本对比例中的太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：75nm的氮化硅层100、100nm的N型非晶硅层002、1.41nm的钝化层300、50μm的掺杂硅片400、41nm的钝化层300、100nm的P型非晶硅层005、50nm的导电层600、60nm的氮化硅层100。
对比例3
本对比例提供了一种太阳电池，其制备方法相比于实施例1，主要具有如下区别：
步骤(4)中，以ITO为原料，使用PVD法在P型晶硅层500的表面形成一层厚度为50nm的导电层001。
本对比例中的太阳电池，其层结构为依次叠加设置的：75nm的氮化硅层100、100nm的N型晶硅层200、1.4nm的钝化层300、150μm的掺杂硅片400、1.4nm的钝化层300、100nm的P型晶硅层500、50nm的导电层001、60nm的氮化硅层100。
应用例
使用高温银浆在实施例1～实施例4中的太阳电池的表面印刷银浆，并在780℃下进行高温烧结，使得银浆固化形成栅线，然后使用Halm测试机测试实施例1～实施例3中的太阳电池的性能，测试结果如表1所示，表格中的数据是取平均值得到的。
由于对比例1～对比例3中的太阳电池不耐高温，因此使用成本高的低温银浆在太阳电池的表面印刷银浆，并在200℃下进行低温烧结，使得银浆固化形成栅线，然后使用Halm测试机测试对比例1～对比例3中的太阳电池的性能，测试结果如表1所示，表格中的数据是取平均值得到的。
表1实施例1～4和对比例1～3的太阳能电池性能
由表1可知，相比于对比例，各个实施例中短路电流均有着明显的提高，转化效率有明显的提升；而且实施例中使用的银浆湿重也较低，这意味着实施例使用的银浆的量较少，其成本也有所降低。
以实施例1和对比例1为例，相比于对比例1，实施例1银浆使用降低了6mg，但是电流提高了30mA，最终使效率提高了0.035％。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳电池，其特征在于，其包括掺杂硅片，所述掺杂硅片的正面由近及远依次层叠设置有氮化硅层、钝化层、N型晶硅层，所述掺杂硅片的背面由近及远依次层叠设置有钝化层、P型晶硅层、导电层、氮化硅层；所述钝化层的材质为氧化硅，所述导电层的材质为氧化锌铝，所述掺杂硅片为N型。
2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述钝化层的厚度为1～15nm；和/或，所述N型晶硅层的厚度为5～120nm；和/或，所述P型晶硅层的厚度为5～120nm。
3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述N型晶硅层和/或所述P型晶硅层中，晶硅为单晶硅或多晶硅中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述导电层的厚度为50～120nm。
5.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述氮化硅层的厚度为50～120nm。
6.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述掺杂硅片的厚度为50～200μm。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
在N型的掺杂硅片的正面和背面分别形成钝化层，所述钝化层的材质为氧化硅；在正面的所述钝化层的表面形成N型晶硅层，在背面的所述钝化层的表面形成P型晶硅层，在所述P型晶硅层的表面形成材质为AZO的导电层。
8.根据权利要求7所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述在正面的所述钝化层的表面形成N型晶硅层的步骤包括：
在正面的所述钝化层的表面镀N型非晶硅，然后加热所述N型非晶硅并进行退火。
9.根据权利要求8所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，加热温度不低于800℃。
10.根据权利要求7所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述在背面的所述钝化层的表面形成P型晶硅层的步骤包括：
在背面的所述钝化层的表面镀P型非晶硅，然后加热所述P型非晶硅并进行退火；可选地，加热温度不低于800℃。
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