CN118281103A - 一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池 - Google Patents
一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池。所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括：基板、N型重掺杂层、光电转换层、P型重掺杂层和金属电极；所述光电转换层由子电池和隧穿结串联而成。其中，结构中的P型掺杂层和N型掺杂层采用高质量、高电导、宽带隙的多晶碳化硅材料，P型重掺杂层和N型重掺杂层采用重掺杂多晶碳化硅材料作为透明导电电极，大幅度降低TCO靶材与金属浆料的使用导致的高生产成本，克服使用非晶硅材料所引起的寄生吸收和串联电阻大的问题，为双结和多结薄膜太阳能电池在产业利用提供有效的结构。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池。
背景技术
自然界对太阳能的利用是实现清洁能源的有效方式之一，而目前商用的太阳能电池中，主要分别晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两类，虽然目前薄膜太阳能电池占据市场份额相比晶硅太阳能电池仍有较大差异，但薄膜太阳能电池凭借其大面积连续化的特点，并可用在建筑、柔性电子等特殊领域，受到科研和产业界的持续关注。
硅基薄膜太阳能电池目前占据薄膜太阳能电池市场的重要份额，但一种半导体材料吸收太阳能光谱波段较窄，通常可以利用叠层太阳能电池的方式，结合数种吸收层材料以实现光谱分解，提升开路电压，并实现太阳能电池效率的突破。但现有硅基叠层太阳能电池主要受限于短路电流的进一步提升，这与不同子电池之间的电流匹配以及非吸收层材料的寄生吸收有关。为进一步实现现有效率突破并使生产技术安全高效，高透过窗口层材料的制备和子电池之间的内连问题尤为重要，大规模、高效的生产技术的选择也是推向产业化的重要因素。多晶碳化硅凭借其缺陷少、宽带隙、高电导的优势，可作为硅基薄膜太阳能电池掺杂半导体层，用于子电池的PN结和子电池串联的隧穿结，重掺杂多晶碳化硅可作为电池的透明导电电极。此外，多晶碳化硅具有制备工艺简单高效、价格低廉、安全环保等优点，比起现有基于非晶硅制备的硅基薄膜太阳能电池，大大缩短的生产时间和成本。
鉴于硅基叠层薄膜电池现有结构，利用掺杂多晶碳化硅取代掺杂层与TCO，并将重掺杂多晶碳化硅直接与点状金属电极接触，可以有效地解决现有TCO和非晶硅材料带来的寄生吸收、串联电阻大的问题，提升子电池间欧姆接触性能，简化工艺流程并大大降低生产成本，实现安全高效低成本的叠层薄膜太阳能电池制备。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池。
在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“N型重掺杂层”是指：掺杂类型为N型且用于电极接触的半导体材料。
术语“P型重掺杂层”是指：掺杂类型为P型且用于电极接触的半导体材料。
术语“P型掺杂层”是指：掺杂类型为P型且用于空穴传输的半导体材料。
术语“N型掺杂层”是指：掺杂类型为N型且用于电子传输的半导体材料。
术语“隧穿结”是指:通过形成隧穿电流以实现器件内部低阻导通的重掺杂N-P结。
术语“TCO”是指：透明导电氧化物材料。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括：基板、N型重掺杂层、光电转换层、P型重掺杂层和金属电极；其中：
所述光电转换层由子电池和隧穿结串联而成，所述子电池的结构优选包括：N型掺杂层、本征吸收层和P型掺杂层。
根据本发明第一方面的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其中，
所述子电池的结数为n结，且所述隧穿结的个数为n-1个；其中，所述n为2或3；
所述基板的材料包括选自以下一种或多种：石墨、陶瓷、玻璃、塑料、不锈钢，优选包括选自以下一种或多种：石墨、玻璃、不锈钢，更优选为玻璃或不锈钢；
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的材料为重掺杂多晶碳化硅或重掺杂多晶碳化硅和TCO组合的复合膜层，最优选为重掺杂多晶碳化硅；和/或
所述金属电极选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W、In，优选选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W，更优选选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu；
优选地，所述TCO的材料包括以下一种或多种：氧化铟锡、氧化锡、氢化氧化铟、掺钨的氧化铟、掺镓掺锌氧化铟、掺锌氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、掺钛氧化铟。
根据本发明第一方面的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其中，
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的厚度为1～100μm，优选为10～50μm，更优选为10～40μm；
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的掺杂浓度为5×1018～1×1021cm-3，优选为1×1019～1×1021cm-3，更优选为5×1019～1×1021cm-3；
所述隧穿结的掺杂浓度大于1×1017cm-3，优选为大于1×1018cm-3，更优选为大于5×1018cm-3；
所述隧穿结至少一侧是重掺杂微晶硅或多晶碳化硅；和/或
所述金属电极为点状金属电极。
根据本发明第一方面的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其中，所述子电池中：
所述P型掺杂层和N型掺杂层的厚度均为5～50nm，优选为5～40nm，更优选为5～30nm；
所述P型掺杂层和N型掺杂层为复合膜层，所述P型掺杂层和N型掺杂层的材料优选选自以下一种或多种：非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧，更优选选自以下一种或多种：非晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧，进一步优选选自以下一种或多种：非晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅；并且：所述非晶碳化硅、所述多晶碳化硅和所述微晶碳化硅中的碳化硅的组成为SiCx，其中，0＜x≤1；和/或所述非晶硅氧和所述微晶硅氧中的硅氧的组成为SiOy，其中，0＜y≤1；
所述P型掺杂层和N型掺杂层的复合膜层的掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，优选为3×1017～5×1018cm-3，更优选为5×1017～5×1018cm-3；
所述本征吸收层厚度为5～200nm，优选为5～100nm，更优选为5～50nm；和/或
所述本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅、非晶锗硅、微晶硅、微晶硅锗，优选为非晶硅或非晶锗硅，更优选为非晶硅；
优选地，所述非晶硅锗的带隙为1.40～1.60eV，更优选为1.45～1.60eV，进一步优选为1.45～1.55eV；
优选地，所述微晶硅的带隙为1.05～1.15eV，更优选为1.10～1.15eV，进一步优选为1.1eV；
优选地，所述非晶硅的带隙为1.65～1.80eV，更优选为1.70～1.80eV，进一步优选为1.70～1.75eV；和/或
优选地，所述微晶硅锗的带隙为0.70～1.12eV，更优选为0.80～1.12eV，进一步优选为0.90～1.12eV。
根据本发明第一方面的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其中，当所述子电池的结数为双结时，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括自上而下依次设置的：基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层、第一本征吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层、第二P型掺杂层、P型重掺杂层和金属电极；
优选地，所述第一N型掺杂层、所述第一本征吸收层和所述第一P型掺杂层组成底电池，所述第二N型掺杂层、所述第二本征吸收层和所述第二P型掺杂层组成顶电池；
更优选地，所述第一本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗，所述第二本征吸收层的材料为非晶硅。
根据本发明第一方面的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其中，当所述子电池的结数为三结时，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括自上而下依次设置的：基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层、第一本征吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层、第二P型掺杂层、第二隧穿结、第三N型掺杂层、第三本征吸收层、第三P型掺杂层和金属电极；
优选地，所述第一N型掺杂层、所述第一本征吸收层和所述第一P型掺杂层组成底电池，所述第二N型掺杂层、所述第二本征吸收层和所述第二P型掺杂层组成中电池，第三N型掺杂层、第三本征吸收层、第三P型掺杂层组成顶电池；
更优选地，所述第一本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅5锗、微晶硅、微晶硅锗，所述第二本征吸收层的材料为非晶硅锗，所述第
三本征吸收层的材料为非晶硅。
本发明的第二方面提供了制备第一方面所述的硅基叠层薄膜太阳能电
池结构的方法，所述方法包括以下步骤：
0(1)清洗基板，在基板上沉积N型重掺杂层；
(2)在步骤(1)制备的N型重掺杂层上沉积子电池；和
(3)在步骤(2)的基础上依次沉积P型重掺杂层和金属电极，即得所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构；
优选地，当所述子电池的结数为双结时，步骤(2)中还包括以下步骤：5在步骤(1)制备的N型重掺杂层上依次沉积第一N型掺杂层、所述第一
本征吸收层、所述第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层和第二P型掺杂层；和/或
优选地，当所述子电池的结数为三结时，步骤(2)中还包括以下步骤：
在步骤(1)制备的N型重掺杂层上依次沉积第一N型掺杂层、第一本征0吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收
层、第二P型掺杂层、第二隧穿结、第三N型掺杂层、第三本征吸收层和第三P型掺杂层。
根据本发明第二方面的方法，其中，
5所述步骤(1)中，所述N型重掺杂层的沉积方法选自以下一种或多种：
电子束蒸发、反应等离子体沉积、磁控溅射；当N型重掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积的方法优选为磁控溅射；和/或
所述步骤(3)中，在沉积金属电极后还包括退火；所述退火的方法优
选为快速退火炉退火或激光退火炉退火；所述P型重掺杂层的沉积方法优0选选自以下一种或多种：电子束蒸发、反应等离子体沉积、磁控溅射；当P型重掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积的方法优选为磁控溅射；和/
或所述金属电极的沉积方法优选选自以下一种或多种：丝网印刷、热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射，更优选为电子束蒸发或磁控溅射。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(2)中：
所述N型掺杂层和所述P型掺杂层的沉积方法选自以下一种或多种：等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射、低压化学气相沉积、原子层沉积；当所述N型掺杂层和所述P型掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积方法优选为磁控溅射；
所述隧穿结的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积或磁控溅射；当所述隧穿结的材料为重掺杂微晶硅时，所述沉积方法优选为等离子体增强化学气相沉积；和/或当所述隧穿结的材料为多晶碳化硅时，所述沉积方法优选为磁控溅射；
所述本征吸收层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积；和/或
所述本征吸收层的沉积温度为100℃～300℃，优选为150℃～250℃，更优选为200℃～250℃。
本发明的第三方面提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括第一方面所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构或按照第二方面所述的方法制备的硅基叠层薄膜太阳能电池结构。
根据本发明的一个具体实施方案，本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构实现方案之一如下：
一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其结构为双结结构，从下到上依次连接的基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层(N1)3、第一本征吸收层(I1)4、第一P型掺杂层(P1)5、隧穿结、第二N型掺杂层(N2)7、第二本征吸收层(I2)8、第二P型掺杂层(P2)9、P型重掺杂层、金属电极。其中N1-I1-P1为叠层电池中的底电池，N2-I2-P2为叠层电池中的顶电池；
对于底电池，所述第一N型掺杂层(N1)3为厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；所述第一本征吸收层(I1)4为非晶硅锗或微晶硅，厚度为50～400nm，非晶硅锗带隙为1.45～1.55eV，微晶硅带隙为1.1eV；所述第一P型掺杂层(P1)5厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；
对于顶电池，所述第二N型掺杂层(N2)7厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；所述第二本征吸收层(I2)8为非晶硅，厚度为50～400nm，非晶硅带隙为1.65～1.80eV；所述第二P型掺杂层(P2)9厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；并且：
所述非晶碳化硅、所述多晶碳化硅和所述微晶碳化硅中碳化硅的组成为SiCx，其中，0＜x≤1；和/或
所述非晶硅氧和所述微晶硅氧中的硅氧的组成为SiOy，其中，0＜y≤1。
根据本发明的另一个具体实施方案，本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构实现方案之二如下：
一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其结构为三结结构：从下到上依次连接的基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层(N1)3、第一本征吸收层(I1)4、第一P型掺杂层(P1)5、第一隧穿结、第二N型掺杂层(N2)7、第二本征吸收层(I2)8、第二P型掺杂层(P2)9、第二隧穿结、第三N型掺杂层(N3)11、第三本征吸收层(I3)12、第三P型掺杂层(P3)13、金属电极。其中N1-I1-P1为叠层电池中的底电池，N2-I2-P2为叠层电池中的中电池，N3-I3-P3为叠层电池中的顶电池；
对于底电池，所述第一N型掺杂层(N1)3为厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；所述第一本征吸收层(I1)4为非晶硅锗或微晶硅，厚度为50～400nm，非晶硅锗带隙为1.45～1.55eV，微晶硅带隙为1.1eV；所述第一P型掺杂层(P1)5厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；
对于中电池，所述第二N型掺杂层(N2)7厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；所述第二本征吸收层(I2)8为非晶硅锗，厚度为50～400nm，非晶硅锗带隙为1.55～1.65eV；所述第二P型掺杂层(P2)9厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3。
对于顶电池，所述第三N型掺杂层(N3)11厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；所述第三本征吸收层(I3)12为非晶硅，厚度为50～400nm，非晶硅带隙为1.65～1.80eV；所述第三P型掺杂层(P3)13厚度均为5～40nm，为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3；并且：
所述非晶碳化硅、所述多晶碳化硅和所述微晶碳化硅中的碳化硅的组成为SiCx，其中，0＜x≤1；和/或
所述非晶硅氧和所述微晶硅氧中的硅氧的组成为SiOy，其中，0＜y≤1。
进一步地，上述两种电池结构所述基板所用的材料可以为石墨、陶瓷、玻璃、塑料或不锈钢等。
进一步地，上述两种电池结构所述N型重掺杂层和P型重掺杂层为重掺杂多晶碳化硅，厚度均为1～100μm，掺杂浓度范围为5×1018～1×1021cm-3。
进一步地，上述两种电池结构所述隧穿结的至少一侧材料为重掺杂微晶硅或多晶碳化硅一种，掺杂浓度在5×1018cm-3以上，以实现子电池间良好的欧姆接触。
进一步地，上述两种电池结构所述金属电极选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W、In，金属电极为点状金属或金属栅线，更优选为点状金属，。
本发明涉及的一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其结构为双结或者三结，包括基板，所述基板上设置N型重掺杂层、光电转换层、P型重掺杂层、金属电极，所述光电转换层由双结或三结子电池串联组成，子电池之间通过隧穿结连接。其中，结构中的P型掺杂层和N型掺杂层采用高质量、高电导、宽带隙的多晶碳化硅材料，P型重掺杂层和N型重掺杂层采用重掺杂多晶碳化硅材料作为透明导电电极，大幅度降低TCO靶材与金属浆料的使用导致的高生产成本，克服非晶硅材料引起的寄生吸收和串联电阻大的问题，为双结和多结薄膜太阳能电池在产业利用提供有效的结构。
本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构可以具有但不限于以下有益效果：
1、本发明将多晶碳化硅材料引入到硅基叠层薄膜太阳能电池的结构中，在材料性能的角度，多晶碳化硅具备缺陷少、高电导、宽带隙且掺杂浓度易调控等优点，掺杂型多晶碳化硅用于双结、三结的各个子电池界面作为隧穿复合结以及子电池的PN结中，提升隧穿结的欧姆接触性能，减少窗口层寄生吸收，降低电池串联电阻。重掺杂多晶碳化硅作为电池的透明导电电极层与点状金属电极直接接触，减少了ITO靶材和金属浆料的使用，为叠层太阳能电池提供一种低成本高效率的结构。
2、在生产制造的角度，多晶碳化硅利用磁控溅射法可以安全、大面积、低成本生产，在产业化实现具有优势。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明实施例1中硅基双结叠层薄膜太阳能电池结构的结构示意图。
图2示出了本发明实施例2中硅基三结叠层薄膜太阳能电池结构的结构示意图。
附图标记说明：
1.基板；2.N型重掺杂层；3.第一N型掺杂层(N1)；4.第一本征吸收层(I1)；5.第一P型掺杂层(P1)；6.第一隧穿结；7.第二N型掺杂层(N2)；8.第二本征吸收层(I2)；9.第二P型掺杂层(P2)；10.第二隧穿结；11.第三N型掺杂层(N3)；12.第三本征吸收层(I3)；13.第三P型掺杂层(P3)；14.P型重掺杂层；15.金属电极。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例1
本实施例用来说明本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构。
图1示出了本发明实施例1中硅基双结叠层薄膜太阳能电池结构的结构示意图。如图1所示，本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括：基板1、N型重掺杂层2、第一N型掺杂层(N1)3、第一本征吸收层(I1)4、第一P型掺杂层(P1)5、第一隧穿结6、第二N型掺杂层(N2)7、第二本征吸收层(I2)8、第二P型掺杂层(P2)9、P型重掺杂层14、金属电极15。
步骤一、基板1能够使用石墨、陶瓷、玻璃、塑料或不锈钢等材料，在沉积薄膜材料前，需用丙酮、乙醇、水各超声清洗30min，使用氮气吹干，之后利用磁控溅射技术，在基板1上表面沉积N型多晶碳化硅作为N型重掺杂层2，厚度为1～100μm，掺杂浓度范围为5×1018～1×1021cm-3。本实施例基板1的材料为不锈钢，N型重掺杂层2的厚度为100μm，掺杂浓度为5×1019cm-3。
步骤二、在N型重掺杂层2上表面沉积第一N型掺杂层(N1)3，第一N型掺杂层(N1)3为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第一N型掺杂层(N1)3的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤三、利用等离子体增强化学气相沉积工艺，在第一N型掺杂层(N1)3上表面，制备出第一本征吸收层(I1)4，沉积温度为180℃～250℃，沉积薄膜厚度为50～400nm；本实施例第一本征吸收层(I1)4的材料为非晶硅锗，沉积温度为200℃±10℃，沉积厚度为150±10nm。
步骤四、在第一本征吸收层(I1)4上表面沉积第一P型掺杂层(P1)5，
第一P型掺杂层(P1)5为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化5硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为
5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积；本实施例第一P
型掺杂层(P1)5的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
0步骤五、在子电池N1-I1-P1上沉积第一隧穿结6，第一隧穿结6为重掺
杂微晶硅或多晶碳化硅一种，掺杂浓度在5×1018cm-3以上，其中微晶硅利用等离子体增强化学气相沉积沉积，多晶碳化硅利用磁控溅射沉积；本实施例第一隧穿结6的材料为多晶碳化硅，掺杂浓度为5×1019cm-3，沉积方法为磁控溅射。
5步骤六、在隧穿结6上表面沉积第二N型掺杂层(N2)7，第二N型掺
杂层(N2)7为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，
其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第二N型掺杂层0(N2)7的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，
沉积方法为磁控溅射。
步骤七、利用等离子体增强化学气相沉积工艺，在第二N型掺杂层(N2)
7上表面，制备出第二本征吸收层(I2)8，沉积温度为180℃～250℃，沉积
薄膜厚度为50～350nm；本实施例第二本征吸收层(I2)8的材料为非晶硅，5沉积温度为200℃±10℃，厚度为120±10nm，。
步骤八、在第二本征吸收层(I2)8上表面沉积第二P型掺杂层(P2)9，第二P型掺杂层(P2)9为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为
5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控0溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第
二P型掺杂层(P2)9的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤九、在子电池N2-I2-P2上表面沉积P型多晶碳化硅作为P型重掺杂层14，厚度为1～100μm，掺杂浓度范围为5×1018～5×1020cm-3。本实施例P型重掺杂层14的材料均为多晶碳化硅，掺杂浓度为5×1019cm-3。
步骤十、利用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在P型重掺杂层14上表面制备金属电极15，金属电极为点状金属，所用的金属靶材选自为以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W、In，利用快速退火炉或激光退火炉进行退火，以形成欧姆接触。本实施例金属电极15沉积的为Ti和Al，退火选用激光退火炉进行退火。
实施例2
本实施例用来说明本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构。
图2示出了本发明实施例2中硅基三结叠层薄膜太阳能电池结构的结构示意图。如图2所示，本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括：基板1、N型重掺杂层2、第一N型掺杂层(N1)3、第一本征吸收层(I1)4、第一P型掺杂层(P1)5、第一隧穿结6、第二N型掺杂层(N2)7、第二本征吸收层(I2)8、第二P型掺杂层(P2)9、第二隧穿结10、第三N型掺杂层(N3)11、第三本征吸收层(I3)12、第三P型掺杂层(P3)13、P型重掺杂层14、金属电极15。
步骤一、基板1采用石墨、陶瓷、玻璃、塑料或不锈钢等材料，在沉积薄膜材料前，需用丙酮、乙醇、水各超声清洗30min，使用氮气吹干，之后利用磁控溅射技术，在基板1上表面沉积N型多晶碳化硅作为N型重掺杂层2，厚度为1～30μm，掺杂浓度范围为5×1018～5×1020cm-3。本实施例基板1的材料为不锈钢，N型重掺杂层2的厚度为100μm，掺杂浓度为5×1019cm-3。
步骤二、在N型重掺杂层2上表面沉积第一N型掺杂层(N1)3，第一N型掺杂层(N1)3为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第一N型掺杂层(N1)3的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤三、利用等离子体增强化学气相沉积工艺，在第一N型掺杂层(N1)3上表面，制备出第一本征吸收层(I1)4，沉积温度为180℃～250℃，沉积薄膜厚度为50～400nm；本实施例第一本征吸收层(I1)4材料为非晶硅，沉积温度为200℃±10℃，沉积厚度为150±10nm。
步骤四、在第一本征吸收层(I1)4上表面沉积第一P型掺杂层(P1)5，
第一P型掺杂层(P1)5为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化5硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为
5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第一P型掺杂层(P1)5的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
0步骤五、在子电池N1-I1-P1上沉积第一隧穿结6，第一隧穿结6为重掺
杂微晶硅或多晶碳化硅一种，掺杂浓度在5×1018cm-3以上，其中微晶硅利用等离子体增强化学气相沉积沉积，多晶碳化硅利用磁控溅射沉积；本实施例第一隧穿结6的材料为多晶碳化硅，掺杂浓度为5×1019cm-3，沉积方法为磁控溅射。
5步骤六、在第一隧穿结6上表面沉积第二N型掺杂层(N2)7，第二N型掺杂层(N2)7为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术
沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第二N型掺0杂层(N2)7的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，
沉积方法为磁控溅射。
步骤七、利用等离子体增强化学气相沉积工艺，在第二N型掺杂层(N2)
7上表面，制备出第二本征吸收层(I2)8，沉积温度为180℃～250℃，沉积
薄膜厚度为50～350nm；本实施例第二本征吸收层(I2)8的材料为非晶硅锗，5沉积温度为200℃±10℃，沉积厚度为150±10nm，沉积方法为。
步骤八、在第二本征吸收层(I2)8上表面沉积第二P型掺杂层(P2)9，第二P型掺杂层(P2)9为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为
5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控0溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第
二P型掺杂层(P2)9的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤九、在子电池N2-I2-P2上沉积第二隧穿结10，第二隧穿结10为重掺杂微晶硅或多晶碳化硅一种，掺杂浓度在5×1018cm-3以上，其中微晶硅利用等离子体增强化学气相沉积沉积，多晶碳化硅利用磁控溅射沉积；本实施例第二隧穿结10的材料为多晶碳化硅，掺杂浓度为5×1019cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤十、在第二隧穿结10上表面沉积第三N型掺杂层(N3)11，第三N型掺杂层(N3)11为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第三N型掺杂层(N3)11的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤十一、利用等离子体增强化学气相沉积工艺，在第三N型掺杂层(N3)11上表面，制备出第三本征吸收层(I3)12，沉积温度为180℃～250℃，沉积薄膜厚度为50～350nm；本实施例第三本征吸收层(I3)12的材料为非晶硅锗，沉积温度为200℃±10℃，沉积厚度为150±10nm。
步骤十二、在第三本征吸收层(I3)12上表面沉积第三P型掺杂层(P3)13，第三P型掺杂层(P3)13为非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶/微晶/多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧材料中一种或者至少两种的复合膜层，厚度均为5～40nm，掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，其中掺杂多晶碳化硅利用磁控溅射技术沉积，其他材料利用等离子体增强化学气相沉积沉积；本实施例第三P型掺杂层(P3)13的材料为多晶碳化硅，厚度为20nm±3nm，掺杂浓度为1×1018cm-3，沉积方法为磁控溅射。
步骤十三、在子电池N3-I3-P3上表面沉积P型多晶碳化硅作为P型重掺杂层14，厚度为1～30μm，掺杂浓度范围为5×1018～5×1020cm-3；本实施例P型重掺杂层14的厚度为100μm，掺杂浓度为5×1019cm-3。
步骤十四、利用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在P型重掺杂层14上表面制备金属电极15，金属电极为点状金属，所用的金属靶材选自为以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W、In，利用快速退火炉或激光退火炉进行退火，以形成欧姆接触。本实施例金属电极15沉积的为Ti和Al，退火选用激光退火炉进行退火。
实施例3
本实施例用来说明本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构的效果。
传统的硅基叠层薄膜太阳能电池分为双结电池和三结电池，双结电池是指有两个PIN结的堆积电池，三结电池是指有三个PIN结的堆积电池，叠层电池可以提高光谱吸收范围和开路电压，同时改善非晶硅薄膜太阳能电池的稳定性。但传统结构中利用非晶硅作为掺杂层，增大载流子复合的概率并吸收掉一定的太阳光。本发明在硅基叠层薄膜太阳能电池结构中利用高质量、高电导、宽带隙的多晶碳化硅材料，，掺杂型多晶碳化硅用于双结、三结的各个子电池界面作为隧穿复合结以及子电池的PN结中，减少窗口层寄生吸收，降低电池串联电阻，实现各元件电池之间内部串联较低的电损失和光损失。利用重掺杂多晶碳化硅材料替代TCO材料，作为电池的透明导电电极层与金属电极直接接触，为叠层太阳能电池提供一种低成本高效率的结构。
实施例4
本实施例用来说明本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构的效果。
在制备硅基叠层薄膜太阳能电池的过程中，非晶硅材料通常利用等离子体增强化学气相沉积方法进行制备，而叠层电池利用该沉积各掺杂层需要耗费一定的时间和成本。而磁控溅射方法相比等离子体增强化学气相沉积方法具有沉积速率快、安全环保、成本较低等优点，本发明利用多晶碳化硅实现掺杂层、隧穿层、透明导电层的多层替代，更有利于产业化的应用。
对比例1
本对比例用来对比本发明的硅基叠层薄膜太阳能电池结构与传统的硅基叠层薄膜太阳能电池结构。
传统硅基薄膜叠层太阳能电池在结构上使用2～3个PIN结进行串联，其中非晶硅或微晶硅作为隧穿结，其中掺杂非晶硅作为各子电池的PN结，电池上层采用TCO材料作为非晶硅和金属之间的前接触以实现载流子的输运。
现有技术保留了传统硅基薄膜叠层太阳能电池的吸收层材料，在结构上同样使用2～3个PIN结进行串联，对隧穿结、各子电池的PN结、载流子传输层的材料进行优化替代。
而本发明的多晶碳化硅材料一方面具有高透过、高电导的特点，以减少各元件电池之间内部串联较低的电损失和光损失另一方面可利用磁控溅射技术实现高效率低成本的制备，在材料性能和制备方法上均具有一定的优势效果。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (10)
1.一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括：基板、N型重掺杂层、光电转换层、P型重掺杂层和金属电极；其中：
所述光电转换层由子电池和隧穿结串联而成，所述子电池的结构优选包括：N型掺杂层、本征吸收层和P型掺杂层。
2.根据权利要求1所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于：
所述子电池的结数为n结，且所述隧穿结的个数为n-1个；其中，所述n为2或3；
所述基板的材料包括选自以下一种或多种：石墨、陶瓷、玻璃、塑料、不锈钢，优选包括选自以下一种或多种：石墨、玻璃、不锈钢，更优选为玻璃或不锈钢；
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的材料为重掺杂多晶碳化硅或重掺杂多晶碳化硅和TCO组合的复合膜层，最优选为重掺杂多晶碳化硅；和/或
所述金属电极选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W、In，优选选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu、W，更优选选自以下一种或多种：Ni、Cr、Ti、Al、Ag、Cu；
优选地，所述TCO的材料包括以下一种或多种：氧化铟锡、氧化锡、氢化氧化铟、掺钨的氧化铟、掺镓掺锌氧化铟、掺锌氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、掺钛氧化铟。
3.根据权利要求1或2所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于：
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的厚度为1～100μm，优选为10～50μm，更优选为10～40μm；
所述N型重掺杂层和所述P型重掺杂层的掺杂浓度为5×1018～1×1021cm-3，优选为1×1019～1×1021cm-3，更优选为5×1019～1×1021cm-3；
所述隧穿结的掺杂浓度大于1×1017cm-3，优选为大于1×1018cm-3，更优选为大于5×1018cm-3；
所述隧穿结至少一侧是重掺杂微晶硅或多晶碳化硅；和/或
所述金属电极为点状金属电极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述子电池中：
所述P型掺杂层和N型掺杂层的厚度均为5～50nm，优选为5～40nm，更优选为5～30nm；
所述P型掺杂层和N型掺杂层为复合膜层，所述P型掺杂层和N型掺杂层的材料优选选自以下一种或多种：非晶硅、微晶硅、纳米晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧，更优选选自以下一种或多种：非晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅、非晶硅氧、微晶硅氧，进一步优选选自以下一种或多种：非晶硅、非晶碳化硅、微晶碳化硅、多晶碳化硅；并且：所述非晶碳化硅、所述多晶碳化硅和所述微晶碳化硅中的碳化硅的组成为SiCx，其中，0＜x≤1；和/或所述非晶硅氧和所述微晶硅氧中的硅氧的组成为SiOy，其中，0＜y≤1；
所述P型掺杂层和N型掺杂层的复合膜层的掺杂浓度范围为1×1017～5×1018cm-3，优选为3×1017～5×1018cm-3，更优选为5×1017～5×1018cm-3；
所述本征吸收层厚度为5～200nm，优选为5～100nm，更优选为5～50nm；和/或
所述本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅、非晶锗硅、微晶硅、微晶硅锗，优选为非晶硅或非晶锗硅，更优选为非晶硅；
优选地，所述非晶硅锗的带隙为1.40～1.60eV，更优选为1.45～1.60eV，进一步优选为1.45～1.55eV；
优选地，所述微晶硅的带隙为1.05～1.15eV，更优选为1.10～1.15eV，进一步优选为1.1eV；
优选地，所述非晶硅的带隙为1.65～1.80eV，更优选为1.70～1.80eV，进一步优选为1.70～1.75eV；和/或
优选地，所述微晶硅锗的带隙为0.70～1.12eV，更优选为0.80～1.12eV，进一步优选为0.90～1.12eV。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于，当所述子电池的结数为双结时，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括自上而下依次设置的：基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层、第一本征吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层、第二P型掺杂层、P型重掺杂层和金属电极；
优选地，所述第一N型掺杂层、所述第一本征吸收层和所述第一P型掺杂层组成底电池，所述第二N型掺杂层、所述第二本征吸收层和所述第二P型掺杂层组成顶电池；
更优选地，所述第一本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗，所述第二本征吸收层的材料为非晶硅。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构，其特征在于，当所述子电池的结数为三结时，所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构包括自上而下依次设置的：基板、N型重掺杂层、第一N型掺杂层、第一本征吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层、第二P型掺杂层、第二隧穿结、第三N型掺杂层、第三本征吸收层、第三P型掺杂层和金属电极；
优选地，所述第一N型掺杂层、所述第一本征吸收层和所述第一P型掺杂层组成底电池，所述第二N型掺杂层、所述第二本征吸收层和所述第二P型掺杂层组成中电池，第三N型掺杂层、第三本征吸收层、第三P型掺杂层组成顶电池；
更优选地，所述第一本征吸收层的材料选自以下一种或多种：非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗，所述第二本征吸收层的材料为非晶硅锗，所述第三本征吸收层的材料为非晶硅。
7.制备权利要求1至6中任一项所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)清洗基板，在基板上沉积N型重掺杂层；
(2)在步骤(1)制备的N型重掺杂层上沉积子电池；和
(3)在步骤(2)的基础上依次沉积P型重掺杂层和金属电极，即得所述硅基叠层薄膜太阳能电池结构；
优选地，当所述子电池的结数为双结时，步骤(2)中还包括以下步骤：在步骤(1)制备的N型重掺杂层上依次沉积第一N型掺杂层、所述第一本征吸收层、所述第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层和第二P型掺杂层；和/或
优选地，当所述子电池的结数为三结时，步骤(2)中还包括以下步骤：在步骤(1)制备的N型重掺杂层上依次沉积第一N型掺杂层、第一本征吸收层、第一P型掺杂层、第一隧穿结、第二N型掺杂层、第二本征吸收层、第二P型掺杂层、第二隧穿结、第三N型掺杂层、第三本征吸收层和第三P型掺杂层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述N型重掺杂层的沉积方法选自以下一种或多种：电子束蒸发、反应等离子体沉积、磁控溅射；当N型重掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积的方法优选为磁控溅射；和/或
所述步骤(3)中，在沉积金属电极后还包括退火；所述退火的方法优选为快速退火炉退火或激光退火炉退火；所述P型重掺杂层的沉积方法优选选自以下一种或多种：电子束蒸发、反应等离子体沉积、磁控溅射；当P型重掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积的方法优选为磁控溅射；和/或所述金属电极的沉积方法优选选自以下一种或多种：丝网印刷、热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射，更优选为电子束蒸发或磁控溅射。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中：
所述N型掺杂层和所述P型掺杂层的沉积方法选自以下一种或多种：等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射、低压化学气相沉积、原子层沉积；当所述N型掺杂层和所述P型掺杂层的材料为多晶碳化硅时，所述沉积方法优选为磁控溅射；
所述隧穿结的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积或磁控溅射；当所述隧穿结的材料为重掺杂微晶硅时，所述沉积方法优选为等离子体增强化学气相沉积；和/或当所述隧穿结的材料为多晶碳化硅时，所述沉积方法优选为磁控溅射；
所述本征吸收层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积；和/或
所述本征吸收层的沉积温度为100℃～300℃，优选为150℃～250℃，更优选为200℃～250℃。
10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括权利要求1至6中任一项所述的硅基叠层薄膜太阳能电池结构或按照权利要求7至9中任一项所述的方法制备的硅基叠层薄膜太阳能电池结构。
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| CN202211711668.8A CN118281103A (zh) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | 一种硅基叠层薄膜太阳能电池结构、其制备方法及太阳能电池 |
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