CN203242640U - 一种具有透明电极的晶硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有透明电极的晶硅太阳能电池，其中透明电极由石墨烯构成；石墨烯通过化学气相沉积转移法或微机械剥离法制备，置于晶硅太阳能电池PN结与氮化硅层之间；调整透明电极栅线结构和厚度，在保证电池效率的同时提高单片太阳能电池有效受光面积从而提高输出功率，是一种理想的晶硅太阳能电池的透明电极。
Description
技术领域
本实用新型属于太阳能制造技术领域，具体涉及一种具有透明电极的晶硅太阳能电池。
背景技术
随着世界能源问题与环境问题的日益突出，太阳能电池技术成为新能源技术的重点发展方向之一。目前太阳能电池市场主导产品仍然是单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，其在大中型太阳能电站中已经得到广泛应用。当前晶硅电池单晶效率实验室最高可达25％，量产效率约18.0～18.5％。多晶硅电池效率实验室最高可达20.4％，量产效率约17.0～17.4％。
晶硅太阳能电池的电极起收集和传输光生载流子的作用，优化电池电极结构与工艺是提高晶硅太阳能电池效率的重要技术方向之一。目前大多采用丝网印刷导电浆料再烧结的办法制作晶硅太阳能电池表面电极。不透明的电极会阻挡入射光线从而减小太阳能电池的有效受光面积进而降低单片电池输出功率。通常情况下由电极栅线遮挡面积占电池有效受光面积的5%~15%，因此透明电极的研究成为太阳能电池技术领域热点之一。
目前常用的透明电极材料是ITO（氧化铟锡），已具备商业标准。而在实际应用中，ITO的热稳定性、光吸收等方面存在一定的问题。石墨烯自2004年被发现以来，迅速成为材料界研究热点之一。这种二维单原子层厚度的碳材料具有超高的导电性（室温下载流子迁移率为2×105cm2V-1s-1）和导热性（大于3000Wm-1K-1），极强的机械强度（杨氏模量1TPa，固有强度130GPa）和气密性（任何气体完全不能透过），能够维持极高的电流密度，在较宽波长范围内具有很高的光透过率（单层透光率97.7%）。上述突出性能使石墨烯在透明电极领域具备深刻应用前景。
传统的晶硅电池电极具有主副栅结构，其中副栅主要用于收集来自太阳能电池表面的光生载流子，将其输送至主栅；主栅主要用于将整个电池电流输送至外部，但是其光电性能还是有限。
传统的晶硅太阳电池的惯用电极制造工艺就是通过PECVD方法在P+PN+电池结构表面沉积氮化硅；然后印刷铝背面场，并将铝作为金属背电极；采用导电浆料，丝网印刷正电极；600~800℃烧结，导电浆料穿透氮化硅层并固化，与晶体硅形成良好电接触。这种工艺不适合于透明电极的做法。
实用新型内容
本实用新型以现有的晶硅太阳能电池为基础，提出了一种具有透明电极的晶硅太阳能电池，采用具有主副栅结构的石墨烯作为替代传统导电浆料的透明电极，提高了单片太阳能电池有效受光面积；针对透明栅线结构进行优化调整，可获得更好的电池输出功率。
本实用新型具体方案如下：
一种具有透明电极的晶硅太阳能电池，包括从上至下依次设置的氮化硅层、N+扩散层、P型硅衬底、P+背面场和背电极，其特征在于：在氮化硅层和晶硅PN结之间设置有透明电极，透明电极采用石墨烯制成；
所述透明电极包括主栅和副栅，通过覆盖掩模印刷或喷涂一次性制成。
所述主栅宽度为4~5mm，副栅宽度为0.15~0.2mm，副栅间距3~4mm。
所述主栅的两端设置有金属触点，通过金属触点焊接金属导线，实现电池片之间的串联或并联关系。
所述透明电极厚度的为1.5~5nm，透光率为70~90%。
所述石墨烯材料是通过化学气相沉积转移法，或微机械剥离法制成的多层石墨烯。
所述晶硅太阳能电池为单晶硅太阳能电池，或多晶硅太阳能电池。
制备上述太阳能电池的工艺为：
步骤1：硅片清洗后，对硅片表面进行碱性腐蚀制备绒面；
步骤2：采用液态源扩散对硅片表面进行磷扩散，扩散深度300~500nm，再切边并清洗去除PSG；
步骤3：印刷铝背面场，并将铝作为金属背电极；
步骤4：在氩气氛保护下，600~800℃烧结，激活掺杂元素形成P+PN+电池结构；
步骤5：在室温（25℃）环境下，采用覆盖掩模印刷或者喷涂的方法，将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的石墨烯置于N+层上。在掩模的作用下，制备的石墨稀透明电极具有主副栅结构（即在一片掩模上印刷，透过掩模附着在硅片上的的材料具有电极的主副栅线形）；
步骤6：在透明电极主栅的四端上，通过物理溅射制作金属触点；
步骤7：在SiH4与NH3流量比为1.5：1~2：1、2~10Pa工作气压、200~250℃生长环境下，通过PECVD方法（等离增强化学气相沉积）硅片表面沉积厚度为80~100nm的氮化硅；
步骤8：在200~300℃、氩气保护下快速热退火，时间30~120s；
步骤9：刻蚀掉金属触点上方的氮化硅，露出金属触点。
所述物理溅射制作金属触点的具体工艺为：掩模盖住电池表面，只露出透明电极主栅每一端16~25mm2的方形面，两条主栅一共露出四个端；然后在氩气氛保护，5×10-5Pa工作气压，40~60℃条件下溅射金属银，厚度为160~200nm。
本实用新型的有益效果如下：
由于氮化硅本身是不导电的，弱透明电极置于氮化硅层之上，则不能收集电流；另一方面，由于本实用新型所采用的透明电极厚度非常薄，因此将透明电极设置于氮化硅层和晶硅PN结之间，200~300℃快速热退火透明电极直接与晶硅形成良好电接触；
本实用新型中没有覆盖透明电极的区域与传统晶硅电池没有覆盖金属电极的区域在面积、结构上一致，保证了本实用新型中上述区域电池的性能不受透明电极影响；在此基础上，透明电极部分提供了额外的受光面积，从而提高电池输出功率。
本实用新型中主副栅形状与传统晶硅电池保持一致，一方面可以在传统晶硅电池产线基础上进行较少的设备工艺改造实现本实用新型；另一方面，维持电池栅线结构并在主栅两端设置金属触点，则可利用原有的自动化组件制作产线进行电池间的串并联，同时也兼容传统晶硅电池组件。
附图说明
图1为本实用新型的主栅侧的剖面结构示意图
图2为本实用新型的副栅侧的剖面结构示意图
图3为本实用新型透明电极的结构示意图
其中，附图标记为：1、石墨烯透明主栅；2、石墨烯透明副栅3、氮化硅；4、N+扩散层；5、P型硅衬底；6、P+背面场；7、背电极；8、金属触点；9、晶硅电池片。
具体实施方式
如图1-3所示，以P型单晶硅片作为电池衬底为例，结合如下方式实施本实用新型：
步骤1：硅片清洗后，对表面进行碱性腐蚀制备绒面。
步骤2：采用液态源扩散对硅片表面进行磷扩散，扩散深度300~500nm，再切边并清洗去除PSG。
步骤3：印刷铝背面场，并将铝作为金属背电极。
步骤4：氩气氛保护下，600~800℃烧结，激活掺杂元素形成P+PN+电池结构。
步骤5：在室温（25℃）环境下，采用覆盖掩模印刷或者喷涂的方法，将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的石墨烯置于N+层上。在掩模的作用下制备的石墨稀透明电极具有主副栅结构。主栅宽度为4~5mm，副栅宽度为0.15~0.2mm，副栅间距3~4mm，透明电极厚度为1.5~5nm。
步骤6：在透明电极主栅四端上，通过物理溅射制作金属触点。具体工艺为：掩模盖住电池表面，只露出透明电极主栅每一端16~25mm2的方形面，两条主栅一共露出四个端。在氩气氛保护，5×10-5Pa工作气压，40~60℃条件下溅射金属银，厚度为160~200nm。
步骤7：在SiH4与NH3流量比为1.5：1~2：1、2~10Pa工作气压、200~250℃生长环境下，通过PECVD方法硅片表面沉积厚度为80~100nm的氮化硅。
步骤8：在200~300℃、氩气保护下快速热退火，时间30~120s。
步骤9：刻蚀掉金属触点上方的氮化硅，露出金属触点。
Claims (6)
1.一种具有透明电极的晶硅太阳能电池，包括从上至下依次设置的氮化硅层、N+扩散层、P型硅衬底、P+背面场和背电极，其特征在于：在氮化硅层和晶硅PN结之间设置有透明电极，透明电极采用石墨烯材料；所述透明电极包括主栅和副栅，通过覆盖掩模印刷或喷涂一次性制成。
2.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于：所述主栅宽度为4~5mm，副栅宽度为0.15~0.2mm，副栅间距3~4mm。
3.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于：所述主栅的两端设置有金属触点，通过金属触点焊接金属导线。
4.根据权利要求1或2所述的晶硅太阳能电池，其特征在于：所述透明电极厚度的为1.5~5nm，透光率为70~90%。
5.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于：所述晶硅太阳能电池为单晶硅太阳能电池，或多晶硅太阳能电池。
6.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯是多层石墨烯。
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