CN117525197B - 一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳电池领域，涉及一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池及其制备方法，所述太阳电池以Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；在所述Ga掺杂p型单晶硅片的前表面依次设置钝化层和电子收集层；在所述Ga掺杂p型单晶硅片的背表面依次设置钝化层和空穴收集层；在电子收集层和空穴收集层的外表面设置透明导电金属氧化物薄膜；在所述透明导电金属氧化物薄膜的外表面设置金属电极；在所述透明导电金属氧化物薄膜和所述金属电极上覆盖薄膜防护层。本发明具有较强的空间耐受性，包括抗紫外和原子氧，抗高能电子和质子辐照，高低温温度冲击等，能够为卫星、空间站、货运仓提供低成本太阳电池和光伏组件。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池领域，特别涉及一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳电池是卫星、空间站、货运飞船等的能源系统的组成部分，是长时间滞空获取能源的唯一来源，因此，太阳电池的性能对的发射和滞空飞行至关重要，包括光电转换效率、质量比功率、空间环境耐受性等。与地面光伏不同，太阳电池和组建在空间环境要遭受更为苛刻的紫外辐照和高低温度冲击、电子和高能粒子辐照、原子氧刻蚀等，因此，空间用太阳电池结构和组件封装与地面有很大的差异。
1954年，美国贝尔实验室发明了单晶硅太阳电池，1958年首次用于人造卫星，但是，单晶硅太阳电池转换效率低，空间环境下的光电转换效率只有20%以下，而且空间粒子辐照衰减大。为了提高空间耐受性，通常使用镀膜石英玻璃盖片防护原子氧的刻蚀以及高能电子和质子轰击损伤，但是，玻璃盖片成本高，而且增加系统重量。随着高效率Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的出现，光电转换效率不断提高，用太阳电池逐步被Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池取代，目前，三结Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的光电转换效率达到30%以上，是卫星和空间站的主力产品，但是，Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池成本极高，提高了卫星等的成本。
随着信息技术的发展，空间宽带通讯技术变得越来越重要，美国太空探索技术公司的星链（Starlinks）显示了极高的应用价值。空间宽带通信由大量的低轨卫星组成，因此，对太阳电池的低成本化提出了新的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池及其制备方法，克服了现有技术空间耐受性不佳、成本过高的缺陷。
本发明提供了一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池，
以Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的前表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的背表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层；
在所述n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层和所述p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层的外表面设置透明导电金属氧化物薄膜；
在所述透明导电金属氧化物薄膜的外表面设置金属电极；
在所述透明导电金属氧化物薄膜和所述金属电极上覆盖薄膜防护层。
所述Ga掺杂p型单晶硅片的规格参数如下：厚度在60至110微米之间，电阻率在7至20Ωcm之间，氧杂质浓度在6x1017cm-3以下，碳杂质浓度在5x1016cm-3以下，位错密度在100atom/cm2以下。
所述i型本征氢化非晶硅钝化层的厚度为3-10纳米。
所述n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层的厚度为10-40纳米，含有SiOx纳米晶结构。
所述p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层的厚度为20-50纳米，含有纳米晶硅结构。
所述透明导电金属氧化物薄膜选自氧化铟锡、氧化铟或者氧化锡薄膜，厚度为40-90纳米。
所述薄膜防护层选自氟化镁、氧化硅或者氮氧化硅薄膜，光学折射率为1.4-1.8，厚度为5-50纳米。
本发明的空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池具有双面发电的特征，前表面和背表面可以同时吸收太阳光产生功率输出，在相同光照和环境条件下，背表面的光电转换效率是前表面的80%以上，在空间环境下，背表面可以提供前表面输出功率3%以上的输出功率增益。
本发明还提供了一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）采用Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；
（2）把单晶硅片进行表面抛光和清洗，除去切片损伤层和表面污染；
（3）把抛光和清洗的单晶硅片放入扩散炉内，进行磷扩散吸杂处理；
（4）对扩散吸杂的硅片进行清洗和制绒，首先除去表面氧化层和扩散层，利用碱溶液各向异性腐蚀方法制作金字塔结构，然后进行清洗，形成具有金字塔结构的清洁表面；
（5）把制绒的单晶硅片导入CVD进行非晶硅薄膜沉积，首先制作背表面i型本征氢化非晶硅钝化层，然后制作前表面i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层，最后制作背表面p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层；
（6）把硅片导入薄膜沉积设备，连续沉积前表面和背表面的透明导电金属氧化物薄膜；
（7）利用丝网印刷或者打印设备分别在背表面和前表面制作金属电极，并进行加热干燥处理；
（8）利用真空镀膜或者化学气相沉积设备在背表面和前表面沉积薄膜防护层；
（9）把硅片导入热处理设备进行加热固化处理，处理温度在160-220℃，热处理氛围为大气；
（10）利用光注入设备对电池片进行光注入处理，完成电池制备；
（11）对电池片测试分选，然后进行组件制作。
有益效果
（1）本发明采用硅异质结（HJT）结构，对单晶硅衬底、表面功能薄膜材料进行设计，外表面增加低光学折射率的薄膜防护层，使该发明的HJT太阳电池具有很好的空间环境耐受性；并且，采用硅异质结太阳电池的通用设备，使太阳电池的材料和工艺成本大幅度下降；
（2）本发明采用高纯度Ga掺杂、低位错密度的p型单晶硅片作为衬底，由于Ga的原子半径和质量大，与B掺杂相比，使单晶硅衬底抗电子和高能质子辐照的能力大幅度提高，同时，通过降低氧和碳杂质的浓度，提高太阳电池耐紫外辐照能力；
（3）本发明中p型单晶硅片的前表面和背表面的钝化层采用非晶结构，前表面和背表面的电荷收集层采用非晶硅混合纳米晶结构，与常规硅异质结太阳电池相比，有效提高太阳电池的耐紫外和高能粒子辐照能力；
（4）本发明采用多晶结构的透明导电金属氧化物薄膜，并且在表面覆盖非晶结构的氟化镁或者氧化硅、氮氧化硅薄膜防护层，既可增加在地面储存和安装时的耐湿热可靠性，同时还可提高太阳电池在空间环境的耐紫外和高能粒子辐照能力。
（5）本发明的特殊构造硅异质结太阳电池，在空间环境的耐紫外辐照、耐原子氧刻蚀、耐电子和质子轰击能力方面都有大幅度的提高，可以满足不同轨道高度空间飞行器的应用需求，而且在地面保存和实验的耐温度循环和湿热稳定性方面也有充分的保证，可以为各种空间飞行器提供低成本太阳电池。
附图说明
图1为本发明的硅异质结（HJT）太阳电池端界面结构示意图；
其中，1-Ga掺杂p型单晶硅片，21-i型本征氢化非晶硅钝化层，22-i型本征氢化非晶硅钝化层，31-n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层，32-p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层，41-透明导电金属氧化物薄膜，42-透明导电金属氧化物薄膜，51-薄膜防护层，52-薄膜防护层，6-金属电极。
图2为单晶硅片表面i型本征氢化非晶硅钝化层结构分布示意图。
图3为图2中非晶硅钝化层微结构因子变化趋势图。
图4为不同单晶硅太阳电池耐高能电子辐照效果的比较，电子能量为1MeV，辐照通量为1e14/cm2（1x1014e/cm2）。纵轴是辐照后的光电转换效率与辐照前相比的衰减率。
图5为本发明的硅异质结太阳电池耐高能电子辐照效果，电子能量为1MeV，辐照通量为1e14/cm2（1x1014e/cm2）。纵轴是辐照后的光电转换效率与辐照前相比的衰减率。
图6为本发明的硅异质结太阳电池紫外辐照衰减与常规硅异质结太阳电池的比较。衰减率是辐照后的光电转换效率与辐照前的比例。
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
如图1所示，本实施例提供了一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池，
以Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的前表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的背表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层；
在所述n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层和所述p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层的外表面设置透明导电金属氧化物薄膜；
在所述透明导电金属氧化物薄膜的外表面设置金属电极；
在所述透明导电金属氧化物薄膜和所述金属电极上覆盖薄膜防护层。
本实施例还提供了一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池的制备方法，具体包括如下步骤：
1. 硅片选择：采用Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底，其厚度为120微米，电阻率为10Ωcm，氧杂质浓度为5.7x1017cm-3以下，碳杂质浓度在4.5x1016cm-3以下，位错密度小于100atom/cm2。
2. 抛光和预清洗：使用臭氧的水溶液对上述单晶硅片进行预清洗，除去表面的附着物，臭氧浓度20ppm以上，温度为室温。然后把硅片传至抛光槽，使用KOH水溶液对硅片进行抛光，并减薄，硅片的厚度达到100微米；其中，KOH水溶液浓度4.5wt%，温度65℃。把抛光后的硅片经过水洗、2%HF水溶液腐蚀，除去表面氧化硅薄膜，再水洗、干燥后导入到磷扩散炉进行扩散吸杂处理。
3. 磷扩散吸杂：把减薄和预清洗的硅片插入石英花篮，放入磷扩散炉进行磷扩散吸杂。磷扩散温度860℃，扩散时间15分钟，然后降温至820℃进行热处理，处理时间20分钟，取出硅片，进行制绒和清洗。磷扩散吸杂对硅异质结太阳电池的转换效率非常关键。
4. 制绒、清洗：首先，用5%HF水溶液除去表面氧化物，即磷硅玻璃，然后进行制绒和清洗，制绒采用2.8%KOH水溶液，温度85℃。清洗采用臭氧和HF的水溶液，通过氧化和刻蚀对金字塔的谷峰和谷底进行圆滑处理，最后用2%HF水溶液除去表面氧化膜，经过热水漂洗、慢提拉、热风干燥，完成制绒清洗。
5. 非晶硅薄膜沉积：利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备，首先制作背表面i型本征氢化非晶硅钝化层，翻面后，制作前表面i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层，再次翻面后，最后制作背表面p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层。钝化层使用SiH4和H2混合气体，用分光椭偏仪测量钝化层的厚度为4纳米，其代表性结构如图2所示，其中i0为接近单晶硅片的界面层，i1为中间层，i2为与掺杂非晶硅层接触的表面层。前表面和背表面的非晶硅钝化层结构相同。从结构因子看，i0表现为无序的结构特征，i1，i2逐步向有序过度，此结构分布特征一方面保证对单晶硅表面形成良好的钝化效果，另一方面为沉积掺杂非晶硅层提供良好的衬底，同时，降低本征氢化非晶硅钝化层的光学吸收。n型非晶硅层采用SiH4、H2、PH3、CO2的混合气体，厚度20纳米，经过拉曼测试和透射电镜观测，非晶硅薄膜中含有SiOx的纳米晶颗粒，晶化率约30%。p型非晶硅层采用SiH4、H2、B2H6的混合气体，厚度30纳米，经过拉曼测试和透射电镜观测，非晶硅薄膜中含有Si纳米晶颗粒，晶化率约20%。
6. 透明导电金属氧化物薄膜沉积：利用磁控溅射设备和ITO靶材，首先在前表面沉积ITO薄膜，沉积时硅片温度150℃，厚度80纳米，然后沉积背表面ITO，厚度80纳米。沉积过程中严格控制真空腔室内的残余水汽浓度和硅片温度，使沉积的ITO薄膜具有致密的多晶结构。
7. 制作金属电极：利用丝网印刷设备和低温银浆制作金属电极，首先印刷背表面细栅和主栅电极，干燥后制作前表面细栅和主栅，进行干燥和固化，干燥温度150度，时间10分钟，固化温度175℃，时间30分钟，固化后的金属电极电阻率降低到最小值。
8. 沉积薄膜防护层：把制作了金属电极的硅片再次导入PECVD，分别在背表面和前表面沉积SiOx氧化硅薄膜作为薄膜防护层，采用SiH4、H2和CO2混合气体，厚度50纳米。
9. 热处理：对硅片进行热处理，温度175℃，时间10分钟，该热处理过程使氧化硅薄膜结构更致密，同时，金属电极上的氧化硅薄膜在热应力作用下产生形变使银颗粒露出表面，便于焊接和互联。
10. 光注入：利用光注入设备对电池片进行光注入，进一步提高太阳电池的光电转换效率。光注入的辐照强度约20W/cm2，辐照时间20s，电池片温度控制在200℃以下。
11. 测试分选：对电池片测试分选，按照转换效率和电压进行分档，转换效率0.1%为一个档位。
上述硅异质结太阳电池和常规硅异质结太阳电池相比，其基本差异在于使用p型单晶硅片。和CN111370522A报道的硅异质结太阳电池相比，上述硅异质结太阳电池对p型单晶硅片的技术规格进行了针对性的改进和提高，对非晶硅和透明导电氧化物薄膜的结构进行了针对性改进，如图3所示。
而且，在太阳电池表面针对性地开发了薄膜防护层，使硅异质结太阳电池具有很好的空间环境耐受性，图4为不同单晶硅太阳电池1MeV辐照后光电转换效率的衰减率，辐照剂量1e14e/cm2（1x1014/cm2），硅片厚度100微米，AM1.5标准条件测试。如图4所示，与常规硅异质结太阳电池以及隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳电池和钝化发射极和背面触点（PERC）太阳电池相比，上述硅异质结太阳电池在耐高能电子辐照性上具有明显的优势。即使与同样使用p型单晶硅片的TOPCon和PERC电池相比，上述硅异质结太阳电池具有更好的耐高能电子辐照特性和更高的光电转换效率保持率。
图5显示本发明的各个技术要素在提高耐高能电子辐照上的作用。本发明的各个技术要素带来的电子辐照衰减的变化，辐照剂量：1MeV，1e14e/cm2（1x1014/cm2）；其中，工艺1：Ga掺杂、低氧碳杂质浓度、低位错缺陷硅片；工艺2：工艺1+非晶硅钝化层及掺杂非晶硅层优化；工艺3：工艺1+工艺2+透明导电金属氧化物薄膜结构工艺优化；全工艺叠加：工艺1+2+3+表面覆盖氧化硅防护层。从实际测试结果可以看出，p型硅片的质量、非晶硅功能层薄膜、透明导电氧化物薄膜以及表面防护层对硅异质结太阳电池的耐高能电子辐照性都有明显的提升效果。综合各个技术要素，本发明的硅异质结太阳电池表现了优良的耐高能电子辐照性能，完全满足低轨、中轨甚至高轨卫星和其他的需求。
需要补充说明的是，以上重点介绍了单晶硅太阳电池耐1MeV高能电子的辐照性能，辐照剂量为1e14/cm2（1x1014e/cm2）。这是空间用太阳电池以及其它材料常用而且必备的测试和评估方法，该测试可以充分评估太阳电池的耐空间高能电子辐照性能，通过该测试才具备空间应用的可能性。
同时，由于本发明的硅异质结太阳电池表面和背面都具有ITO透明导电金属氧化物薄膜和氧化硅薄膜，本发明的硅异质结太阳电池具有优良的耐原子氧刻蚀性能。
由于本发明对非晶硅钝化层和电荷收集层的结构进行了严格的优化，避免使用微晶结构，使上述硅异质结太阳电池具有良好的耐紫外辐照性能，如图6所示。
Claims (7)
1.一种空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池，其特征在于：其结构如下：
以Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；所述Ga掺杂p型单晶硅片的规格参数如下：厚度在60至110微米之间，电阻率在7至20Ωcm之间，氧杂质浓度在6x1017cm-3以下，碳杂质浓度在5x1016cm-3以下，位错密度在100atom/cm2以下；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的前表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层；
在所述Ga掺杂p型单晶硅片的背表面依次设置i型本征氢化非晶硅钝化层和p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层；
在所述n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层和所述p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层的外表面设置透明导电金属氧化物薄膜；
在所述透明导电金属氧化物薄膜的外表面设置金属电极；
在所述透明导电金属氧化物薄膜和所述金属电极上覆盖薄膜防护层。
2.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于：所述i型本征氢化非晶硅钝化层的厚度为3-10纳米。
3.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于：所述n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层的厚度为10-40纳米，含有SiOx纳米晶结构。
4.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于：所述p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层的厚度为20-50纳米，含有纳米晶硅结构。
5.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于：所述透明导电金属氧化物薄膜选自氧化铟锡、氧化铟或者氧化锡薄膜，厚度为40-90纳米。
6.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于：所述薄膜防护层选自氟化镁、氧化硅或者氮氧化硅薄膜，光学折射率为1.4-1.8，厚度为5-50纳米。
7.一种如权利要求1-6任一所述的空间用低成本高环境耐受性硅异质结太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）采用Ga掺杂p型单晶硅片作为衬底；
（2）把单晶硅片进行表面抛光和清洗，除去切片损伤层和表面污染；
（3）把抛光和清洗的单晶硅片放入扩散炉内，进行磷扩散吸杂处理；
（4）对扩散吸杂的硅片进行清洗和制绒，首先除去表面氧化层和扩散层，利用碱溶液各向异性腐蚀方法制作金字塔结构，然后进行清洗，形成具有金字塔结构的清洁表面；
（5）把制绒的单晶硅片导入CVD进行非晶硅薄膜沉积，首先制作背表面i型本征氢化非晶硅钝化层，然后制作前表面i型本征氢化非晶硅钝化层和n型掺杂氢化纳晶硅薄膜电子收集层，最后制作背表面p型掺杂氢化纳晶硅薄膜空穴收集层；
（6）把硅片导入薄膜沉积设备，连续沉积前表面和背表面的透明导电金属氧化物薄膜；
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