CN116031331A

CN116031331A - 一种TOPCon底电池结构优化设计方法

Info

Publication number: CN116031331A
Application number: CN202310028526.XA
Authority: CN
Inventors: 刘芳洋; 赵祥云; 李林鸿; 陈望献; 曾强; 潘逸宁
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2023-01-09
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明公开一种适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法，TOPCon底电池结构优化设计主要包括以下三个核心步骤：S1：使用湿化学法碱刻蚀工艺对n型硅片进行厚度减薄和双面制绒；S2：促进硼扩散的深度，形成p⁺⁺重掺杂硼发射极；S3：在丝网印刷金属电极时采用少主栅/无主栅设计工艺。本发明中TOPCon底电池结构优化设计有利于解决TOPCon电池作为钙钛矿/TOPCon叠层电池底电池时弱光响应和长波段光吸收差的问题，增加TOPCon底电池对光的吸收和利用，进而提高TOPCon底电池的短路电流密度和光电转换效率，为制备高性能钙钛矿/TOPCon叠层电池奠定良好的基础。

Description

一种TOPCon底电池结构优化设计方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池，尤其涉及一种适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法。

背景技术

在众多太阳能电池技术中，钙钛矿电池和TOPCon电池(隧穿氧化物钝化接触太阳电池，晶硅太阳电池中的一种)凭借高效率和低成本的优势均已进入产业化进程。但是，钙钛矿电池稳定性较差以及TOPCon电池已达到效率瓶颈等问题限制了各自的进一步发展。钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池的理论极限效率超过40％，远高于单结太阳电池的理论极限效率。同时，钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池可以充分结合晶硅和钙钛矿光伏电池先进技术，助力未来高效光伏发电宏图的搭建。因此，钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池成为近些年来的研究趋势。

目前，四端钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池的最高效率为28.08％。其中钙钛矿顶电池的效率为20.34％，TOPCon底电池的效率为7.74％。低效率TOPCon底电池的各项参数中短路电流密度损失最大，这与TOPCon底电池的光吸收和利用息息相关。作为叠层电池的底电池，TOPCon电池吸收的光均先经过顶部钙钛矿电池。首先，入射太阳光经过顶部钙钛矿电池各层后会存在一定损失，导致TOPCon底电池吸收的光会变弱；其次，宽带隙的钙钛矿顶电池会吸收短波长的光，这使得入射到TOPCon电池的光几乎均为长波段的光。因此，如何有效提升TOPCon底电池的弱光响应和长波段光吸收便是叠层电池中低性能TOPCon底电池面临的主要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法，该结构优化可有效改善TOPCon底电池的弱光响应和长波段光吸收利用状况，进而提升TOPCon底电池的短路电流密度和光电转换效率。

本发明提出的适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法包括以下步骤：

(1)使用含氢氟酸的溶液对n型硅片进行清洗，去除硅片表面氧化层；

(2)将步骤(1)所得n型硅片放入碱液中依次完成湿化学刻蚀法减薄处理和双面制绒工序；

(3)在步骤(2)所得n型硅片正面进行重度硼扩散，形成重掺杂硼发射极；

(4)在步骤(3)所得n型硅片背面依次制备超薄隧穿氧化硅层和多晶硅层，并对多晶硅层进行磷扩散掺杂，形成掺杂多晶硅层；

(5)在步骤(4)所得n型硅片正面和背面沉积减反射层；

(6)在步骤(5)所得n型硅片正面和背面丝网印刷金属电极，得到n型TOPCon电池；

(7)将步骤(6)所得n型TOPCon电池和钙钛矿电池进行封装得到四端钙钛矿/TOPCon叠层电池。

优选地，步骤(2)中，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液或四甲基氢氧化铵溶液。

优选地，步骤(2)中，在湿化学刻蚀法减薄处理和双面制绒两道工序下碱液的浓度、处理温度、处理时间有所变化。

优选地，步骤(2)中，湿化学刻蚀法减薄处理中，碱液的浓度为10～40％，碱液的腐蚀温度为60～90℃，碱液腐蚀的时间为10～90分钟，湿化学刻蚀法处理后的n型硅片的厚度控制在100～140μm；双面制绒工艺中，碱液的浓度为3～10％，碱液的腐蚀温度为60～80℃，碱液腐蚀的时间为30～300秒，双面制绒后n型硅片正反的反射率均在8～15％。

优选地，步骤(2)中，碱液腐蚀减薄n型硅片的过程中伴随有超声过程。

优选地，步骤(3)包括：

步骤(3.1)，通过热扩散的方法在n型硅片正面生长BSG层，其中，硼源为BCl₃或BBr₃，硼源流量为100～400sccm，硼扩散掺杂处理的温度为850～1200℃，硼扩散掺杂处理的时间为1～10小时；

步骤(3.2)，通过激光处理促进重掺杂硼发射极的制备，其中，激光波长为300-1000nm，激光功率为75％-90％，扫描速度为10-20m/s，激光光斑直径为20-30μm，激光处理后结深为0.5-20μm。

优选地，步骤(6)中，所述丝网印刷金属电极时，在TOPCon电池正面电极栅线为少主栅/无主栅设计工艺。

本发明的基本思路和技术原理如下：

硅是间接带隙半导体材料且光吸收系数相比于薄膜材料较低，因此单结晶硅太阳电池的吸收层较厚，达数百微米。当TOPCon电池作为钙钛矿/TOPCon叠层电池的底电池时，入射太阳光均先经过顶部钙钛矿电池各层而后到TOPCon电池，光的衰减及钙钛矿对短波段光的吸收使得经过钙钛矿顶电池后的光会变弱且剩下的几乎均为长波段的光，因此光在TOPCon电池的穿透深度会变浅，TOPCon吸收层底部的利用率会降低。因此，TOPCon电池作为钙钛矿/TOPCon叠层电池的底电池时吸收层便不用做到单结TOPCon电池吸收层的厚度。减薄吸收层、增大TOPCon电池光捕获能力对提高TOPCon底电池的光吸收和利用就显得尤为重要。

本发明使用湿化学碱刻蚀法减薄硅片，突破传统激光刻蚀减薄的限制、降低成本的同时有利于增强p-n结电池内光生载流子的收集、增强内建电场、进而同时提高器件的开路电压和填充因子；双面制绒工艺能极大增加TOPCon底电池的陷光状况，增加光在吸收层内的贯穿次数进而延长光程，增大TOPCon底电池的弱光响应。此外，在仅考虑TOPCon底电池对长波段光吸收的场景下，可以摒弃传统TOPCon电池的硼选择性发射极概念(在金属电极与硅片接触部分及其附近进行高浓度掺杂，而在电极以外的区域进行低浓度掺杂)，对硼发射极进行均匀的重度掺杂。这首先避免了二次扩硼的高能耗和高时耗，减少了工序，简化了工艺流程；避免了较高激光能量对硅基底和绒面结构造成的损伤；其次，重掺杂硼发射极会增加结深，这避免了传统浅结TOPCon电池上电极金属化过程中引起p-n结漏电的可能性的同时大大提升TOPCon底电池对长波段光的吸收和利用。随着硼发射极掺杂浓度的增加，其金属化程度和导电性不断提升，横向电流损失降低，不再依赖于通过增加栅线数量和宽度降低电池串联电阻提高器件性能。因此，在金属电极的制备过程中可以选择少主栅和无主栅设计，减少遮光损失，降低串联电阻，降低银浆的使用量。

附图说明

图1为传统TOPCon电池和经结构优化设计后的新型TOPCon底电池结构示意图。

具体实施方式

实施例1

首先，使用含氢氟酸的溶液对n型硅片进行清洗以去除表面的自然氧化层。之后，把硅片放入碱液中完成“碱刻蚀减薄+双面制绒”处理。在这个处理过程中的不同阶段，碱液的浓度以及处理条件等会有所不同。在主“减薄”阶段，选用10％高浓度NaOH溶液在85℃下处理硅片15min得到120μm的n型硅片；而后降低NaOH的浓度至3％，降低处理温度至70℃处理硅片150s完成对硅片的双面制绒，双绒面的反射率均在12％左右。随后对硅片进行硼扩散处理：通入BCl₃(流量控制在250sccm)，载气为氧气，950℃处理5小时完成BSG层的制备，而后使用波长为532nm、激光光斑直径为22μm的激光以16m/s的扫描速度进行激光扩硼，激光处理后结深为20μm。注意去除背面的BSG和p⁺层。紧接着，使用低压化学气相沉积的方法在背面制备超薄氧化硅隧穿层；在超薄氧化硅隧穿层上沉积多晶硅，并使用脉冲激光器对多晶硅进行磷掺杂。之后，采用等离子体增强化学的气相沉积法在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反射层；在硅片正面和背面丝网印刷/烧结制备银金属电极，值得注意的是，在正面的电极结构为无主栅设计。最后，将所得n型TOPCon电池和钙钛矿电池进行封装得到四端钙钛矿/TOPCon叠层电池，该叠层电池的效率达到26.2％，其中TOPCon底电池的短路电流密度达到14.8mA/cm²。

实施例2

首先，使用含氢氟酸的溶液对n型硅片进行清洗以去除表面的自然氧化层。之后，把硅片放入碱液中完成“碱刻蚀减薄+双面制绒”处理。在这个处理过程中的不同阶段，碱液的浓度以及处理条件等会有所不同。在主“减薄”阶段，选用12％高浓度KOH溶液在80℃下处理硅片12min得到130μm的n型硅片；而后降低KOH的浓至4％，降低处理温度至70℃并添加少量添加剂处理硅片100s完成对硅片的双面制绒，双绒面的反射率均在12％左右。随后对硅片进行硼扩散处理：通入BBr₃(流量控制在150sccm)，载气为氮气，900℃处理2小时，而后使用波长为532nm、激光光斑直径为20μm的激光以14m/s的扫描速度进行激光扩硼，激光处理后结深为8μm。注意去除背面的BSG和p⁺层。紧接着，使用低压化学气相沉积的方法在背面制备超薄氧化硅隧穿层；在超薄氧化硅隧穿层上沉积多晶硅，并使用脉冲激光器对多晶硅进行磷掺杂。之后，采用等离子体增强化学的气相沉积法在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反射层；在硅片正面和背面丝网印刷/烧结制备银金属电极，值得注意的是，在正面的电极结构为少主栅设计(相比于对比例主栅线的数量等比例减少一半)。最后，将所得n型TOPCon电池和钙钛矿电池进行封装得到四端钙钛矿/TOPCon叠层电池，该叠层电池的效率达到26.5％，其中TOPCon底电池的短路电流密度达到15.0mA/cm²。

对比例

首先，使用含氢氟酸的溶液对n型硅片进行清洗以去除表面的自然氧化层。之后，把硅片放入碱液中进行正面制绒处理。随后使用二次扩硼工艺对硅片进行硼扩散处理制备硼选择性发射极。注意去除背面的BSG和p⁺层。紧接着，使用低压化学气相沉积的方法在背面制备超薄氧化硅隧穿层；在超薄氧化硅隧穿层上沉积多晶硅，并使用脉冲激光器对多晶硅进行磷掺杂。之后，采用等离子体增强化学的气相沉积法在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反射层；在硅片正面和背面丝网印刷/烧结制备银金属电极。最后，将所得n型TOPCon电池和钙钛矿电池进行封装得到四端钙钛矿/TOPCon叠层电池，该叠层电池的效率达到24.7％，其中TOPCon底电池的短路电流密度达到13.6mA/cm²。

与对比例相比，本发明实施例1～2的四端钙钛矿/TOPCon叠层电池的效率均有明显提升，这主要源于短路电流密度的大幅提升。这表明该发明成功地提出了一种适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法，能有效地改善四端钙钛矿/TOPCon叠层电池中TOPCon底电池的弱光响应和长波吸收问题，助力了该领域的发展。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种适用于钙钛矿/TOPCon叠层电池的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(5)在步骤(4)所得n型硅片正面和背面沉积减反射层；

2.根据权利要求1所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液或四甲基氢氧化铵溶液。

3.根据权利要求2所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，在湿化学刻蚀法减薄处理和双面制绒两道工序下碱液的浓度、处理温度、处理时间有所变化。

4.根据权利要求3所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，湿化学刻蚀法减薄处理中，碱液的浓度为10～40％，碱液的腐蚀温度为60～90℃，碱液腐蚀的时间为10～90分钟，湿化学刻蚀法处理后的n型硅片的厚度控制在100～140μm；双面制绒工艺中，碱液的浓度为3～10％，碱液的腐蚀温度为60～80℃，碱液腐蚀的时间为30～300秒，双面制绒后n型硅片正反的反射率均在8～15％。

5.根据权利要求4所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，碱液腐蚀减薄n型硅片的过程中伴随有超声过程。

6.根据权利要求1所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(3)包括：

7.根据权利要求1所述的TOPCon底电池结构优化设计方法，其特征在于，步骤(6)中，所述丝网印刷金属电极时，在TOPCon电池正面电极栅线为少主栅/无主栅设计工艺。