CN207529942U - 一种太阳能异质结电池 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能异质结电池，所述太阳能异质结电池包括第一叠层ITO和第二叠层ITO，所述第一叠层ITO和所述第二叠层ITO分别设置在所述太阳能异质结电池的两面，所述第一叠层ITO包括第一不掺水ITO层、第一掺水ITO透明导电层和第三不掺水ITO层，所述第二叠层ITO包括第二不掺水ITO层、第二掺水ITO透明导电层和第四不掺水ITO层。本申请提供的太阳能异质结电池有效解决了掺水ITO透明导电层与掺杂非晶硅和丝网印刷银栅极接触不良的问题，从而能够展现出优异的光电性能。

Description

一种太阳能异质结电池
技术领域
本申请涉及但不限于太阳能电池技术领域，特别涉及但不限于一种太阳能异质结电池。
背景技术
在太阳能异质结电池领域，ITO薄膜发挥着重要作用，它不仅负责收集光生载流子，同时还要让多数的太阳光能顺利进入电池体内。这就要求ITO薄膜要同时满足三个条件：高的透过率；良好的导电性；良好的陷光效果。
因此，有必要研发一种能够更好的满足上述条件的包括ITO薄膜的太阳能异质结电池。
实用新型内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请的发明人在研究硅异质结太阳能电池的过程中，深入发现了现有的ITO薄膜及其制备方法存在一些问题，总结如下：
一般情况下，ITO薄膜的透过率和电导率是一对矛盾体，电导率的提高往往依赖于ITO材料体内载流子浓度的提升，但是一味地追求载流子浓度的提升会引起光透过率的下降。这是因为载流子浓度的提升会增加透明导电氧化物薄膜对长波段光子的吸收，造成电池短路电流的下降。ITO的导电性由材料的载流子浓度和材料的迁移率的乘积决定。若想保持ITO材料的透过率不受影响(简单的等价为不增加材料载流子浓度)，就只能靠提高材料迁移率来提高ITO材料的导电性。通过提升材料迁移率(载流子浓度不变)，ITO的导电性和透过率均能得到提升。但是，在实验过程中，本申请的发明人发现这样一种高迁移率(导电好，透过高)的ITO材料，与电池的非晶硅层和丝印银栅线之间存在比较严重的接触问题。
在ITO的制备方面，在非晶硅层沉积以后，过高温度或过长时间的高温退火过程均会对电池带来负面影响。所以，选择在低温条件下进行ITO沉积是一种不错的办法，异质结(SHJ)电池技术就是一种低温(＜240℃)条件下的电池制备技术。大量实验证明，低温条件下沉积的ITO薄膜是微晶态薄膜，这种微晶态薄膜的载流子浓度高，迁移率低，透过率不好，但它却能跟掺杂非晶硅和丝网印刷银栅极有很好的接触。若是单纯使用微晶态薄膜作为电池的透明导电层，电池的接触会保持良好；但是，受其透过率不高等因素的影响，电池的短路电流将普遍偏低。
另一种制备ITO的方法为掺水工艺：在制备ITO的工艺过程中，通入一定量的水汽来参与反应。本申请中，将掺水工艺制备的ITO透明导电层定义为掺水ITO透明导电层，不掺水工艺制备的ITO透明导电层定义为不掺水ITO透明导电层。本申请的发明人还发现，掺水ITO透明导电层的迁移率高，载流子浓度低，具有比较好的光透过性能，但与电池掺杂非晶硅层和丝网印刷银栅极存在功函数匹配、电极接触等诸多问题。若是全部使用掺水ITO透明导电层作为电池的透明导电层，电池的短路电流不错，但开路电压和填充因子偏低。
经过大量深入的研究，本申请的发明人创造性地提出了比较优化的设计是：在电池的正反面采用不同工艺制备的ITO导电层。目前，多数研发和生产机构都是采用一种工艺(比如，常规工艺、掺氢工艺、高温工艺等中的一种)制备的ITO来作为电池正反两面的ITO，这样虽然可以减少工艺的复杂性，却影响了电池的效率。
本申请提供了一种同时包括掺水ITO透明导电层和不掺水ITO透明导电层的太阳能异质结电池，从而有效解决了ITO导电层与掺杂非晶硅和丝网印刷银栅极接触不良、透过率不高等问题。
具体地，本申请提供了一种太阳能异质结电池，所述太阳能异质结电池包括第一叠层ITO和第二叠层ITO，所述第一叠层ITO和所述第二叠层ITO分别设置在所述太阳能异质结电池的两面，所述第一叠层ITO包括第一不掺水ITO层、第一掺水ITO透明导电层和第三不掺水ITO层，所述第二叠层ITO包括第二不掺水ITO层、第二掺水ITO透明导电层和第四不掺水ITO层。
在一些实施方式中，在所述第一叠层ITO中，可以沿远离所述太阳能异质结电池的方向，所述第一不掺水ITO层、所述第一掺水ITO透明导电层和所述第三不掺水ITO层依次叠加设置；在所述第二叠层ITO中，可以沿远离所述太阳能异质结电池的方向，所述第二不掺水ITO层、所述第二掺水ITO透明导电层和所述第四不掺水ITO层依次叠加设置。
在一些实施方式中，所述第一掺水ITO透明导电层和所述第二掺水ITO透明导电层的厚度可以均为50-110nm。
在一些实施方式中，所述第一不掺水ITO层和所述第二不掺水ITO层的厚度可以均为5-10nm。
在一些实施方式中，所述第一不掺水ITO层的方块电阻可以为20-80Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻可以为130-200Ω/□。
在一些实施方式中，所述第一不掺水ITO层的方块电阻可以为130-200Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻可以为20-80Ω/□。
在一些实施方式中，所述第三不掺水ITO层和所述第四不掺水ITO层的厚度可以均为5-10nm，方块电阻可以均为20-80Ω/□。
在一些实施方式中，所述太阳能异质结电池还可以包括单晶硅片、第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层、第一非晶硅掺杂层、第二非晶硅掺杂层、第一电极和第二电极。
在一些实施方式中，所述太阳能异质结电池从上至下可以依次包括第一电极、第一叠层ITO、第一非晶硅掺杂层、第一本征非晶硅钝化层、单晶硅片、第二本征非晶硅钝化层、第二非晶硅掺杂层、第二叠层ITO和第二电极。
在一些实施方式中，所述单晶硅片可以为n型单晶硅片，厚度可以为50-300μm。
在一些实施方式中，所述第一本征非晶硅钝化层和所述第二本征非晶硅钝化层的厚度可以均为1-20nm。
在一些实施方式中，所述第一非晶硅掺杂层和所述第二非晶硅掺杂层的厚度可以均为3-20nm。
在一些实施方式中，所述第一非晶硅掺杂层可以为P型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层可以为N型非晶硅掺杂层。
在一些实施方式中，所述第一非晶硅掺杂层可以为N型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层可以为P型非晶硅掺杂层。
在一些实施方式中，所述太阳能异质结电池从上至下可以依次包括第一电极、第一叠层ITO、第一非晶硅掺杂层、第一本征非晶硅钝化层、单晶硅片、第二本征非晶硅钝化层、第二非晶硅掺杂层、第二叠层ITO和第二电极，其中，
所述第一不掺水ITO层和所述第二不掺水ITO层的厚度均为5-10nm；
所述第一不掺水ITO层的方块电阻为20-80Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻为130-200Ω/□；
所述第一非晶硅掺杂层和所述第二非晶硅掺杂层的厚度均为3-20nm；
所述第一非晶硅掺杂层为N型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层为P型非晶硅掺杂层。
本申请提供的太阳能异质结电池，结合了普通不掺水ITO透明导电层和掺水ITO透明导电层的优势，同时从物理原理上考虑到了ITO与非晶硅层的功函数匹配问题，并且有效解决了掺水ITO透明导电层与掺杂非晶硅和丝网印刷银栅极接触不良的问题，从而能够展现出优异的光电性能。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例1或2的太阳能异质结电池的结构示意图。
图2(a)为普通不掺水ITO，掺水ITO和本申请实施例1的叠层ITO的透过谱的对比图(300-1200nm波长范围)。
图2(b)为图2(a)的透过谱的局部放大图(900-1200nm波长范围)。
图2(c)为图2(a)的透过谱的另一局部放大图(300-400nm波长范围)。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
本实施例的太阳能异质结电池为SHJ异质结电池，参见图1，所述SHJ异质结电池从上至下依次包括第一电极(10)、第三不掺水ITO层(9)、第一掺水ITO透明导电层(8)、第一不掺水ITO层(6)、磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)、第一本征非晶硅钝化层(2)、n型单晶硅片(1)、第二本征非晶硅钝化层(4)、硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)、第二不掺水ITO层(7)、第二掺水ITO透明导电层(8’)、第四不掺水ITO层(9’)和第二电极(10’)。
所述n型单晶硅片(1)的厚度为200μm；
所述第一本征非晶硅钝化层(2)的厚度为10nm；
所述第二本征非晶硅钝化层(4)的厚度为10nm；
所述磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)的厚度为15nm；
所述硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)的厚度为15nm；
所述第一掺水ITO透明导电层(8)的厚度为50nm；
所述第二掺水ITO透明导电层(8’)的厚度为50nm；
所述第一不掺水ITO层(6)的厚度为8nm，方块电阻为70Ω/□；
所述第二不掺水ITO层(7)的厚度为7nm，方块电阻为180Ω/□；
所述第三不掺水ITO层(9)的厚度为7nm，方块电阻为80Ω/□；
所述第四不掺水ITO层(9’)的厚度为7nm，方块电阻为80Ω/□。
其中，第一不掺水ITO层(6)、第一掺水ITO透明导电层(8)和第三不掺水ITO层(9)的组合，或第二不掺水ITO层(7)、第二掺水ITO透明导电层(8’)和第四不掺水ITO层(9’)的组合称之为叠层ITO。
本实施例的SHJ异质结电池采用下述方法制备：
a)采用化学气相沉积法在n型单晶硅片(1)的第一表面上依次沉积第一本征非晶硅钝化层(2)、磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)，在所述n型单晶硅片(1)的第二表面上依次沉积第二本征非晶硅钝化层(4)、硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)；
其中，第一本征非晶硅钝化层(2)或第二本征非晶硅钝化层(4)的沉积条件为：电源功率为350W，氢气与硅烷的气体流量比(氢稀释比)为12：1，压强0.7pa，沉积时衬底温度240℃；磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)的沉积条件为：电源功率为400W，氢气与硅烷气体流量比(氢稀释比)为4:1，磷烷与硅烷的气体流量比(磷硅比)为1:100，压强为0.4pa，沉积时衬底的温度为230℃；其中硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)的沉积条件为：电源功率为500W，氢气与硅烷的气体流量比(氢稀释比)为5:1，磷烷与硅烷的气体流量比(磷硅比)为2:98，压强为0.3pa，沉积时衬底的温度为200℃；
b)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在50:1，腔体压强保持为1.2Pa，打开溅射电源，电源功率密度为2W/cm2，采用磁控溅射法在所述磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)上沉积第一不掺水ITO层(6)；
c)在室温条件下，同时通入氩气、氧气和水蒸汽，氩气、氧气与水蒸汽的气体流量比设定在300:10:1，腔体压强保持为0.8Pa，保持水蒸汽的流量稳定在3sccm，打开溅射电源，电源功率密度为2.5W/cm2，采用磁控溅射法在所述第一不掺水ITO层(6)上沉积第一掺水ITO透明导电层(8)；
d)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在50:1，腔体压强保持为1.2Pa，打开溅射电源，电源功率密度为2.5W/cm2，采用磁控溅射法在所述第一掺水ITO透明导电层(8)上沉积第三不掺水ITO层(9)；
e)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在25:1，腔体压强保持为1.3Pa，打开溅射电源，电源功率密度为2.2W/cm2，采用磁控溅射法在所述硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)上沉积第二不掺水ITO层(7)；
f)在室温条件下，同时通入氩气、氧气和水蒸汽，氩气、氧气与水蒸汽的气体流量比设定在300:10:1，腔体压强保持为1Pa，保持水蒸汽的流量稳定在3sccm，打开溅射电源，电源功率密度为2.5W/cm2，采用磁控溅射法在所述第二不掺水ITO层(7)上沉积第二掺水ITO透明导电层(8’)；
g)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在45:1，腔体压强保持为1.7Pa，打开溅射电源，电源功率密度为2.5W/cm2，采用磁控溅射法在所述第二掺水ITO透明导电层(8’)上沉积第四不掺水ITO层(9’)；
h)分别在所述第三不掺水ITO层(9)和所述第四不掺水ITO层(9’)上丝网印刷第一电极(10)和第二电极(10’)。
本领域的普通技术人员应当理解，虽然实施例1的制备过程用步骤a)-f)示出，但是并非限定一定要按a)-f)的顺序去制备本实施例的太阳能异质结电池，例如，按照a)、b)、e)、c)、f)、d)、g)、h)的顺序也可以制备出本实施例的太阳能异质结电池。
实施例2
本实施例的太阳能异质结电池为SHJ异质结电池，参见图1，所述SHJ异质结电池从上至下依次包括第一电极(10)、第三不掺水ITO层(9)、第一掺水ITO透明导电层(8)、第一不掺水ITO层(6)、磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)、第一本征非晶硅钝化层(2)、n型单晶硅片(1)、第二本征非晶硅钝化层(4)、硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)、第二不掺水ITO层(7)、第二掺水ITO透明导电层(8’)、第四不掺水ITO层(9’)和第二电极(10’)。
所述n型单晶硅片(1)的厚度为150μm；
所述第一本征非晶硅钝化层(2)的厚度为5nm；
所述第二本征非晶硅钝化层(4)的厚度为5nm；
所述磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)的厚度为12nm；
所述硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)的厚度为12nm；
所述第一掺水ITO透明导电层(8)的厚度为110nm；
所述第二掺水ITO透明导电层(8’)的厚度为80nm；
所述第一不掺水ITO层(6)的厚度为6nm，方块电阻为50Ω/□；
所述第二不掺水ITO层(7)的厚度为5nm，方块电阻为150Ω/□；
所述第三不掺水ITO层(9)的厚度为7nm，方块电阻为40Ω/□；
所述第四不掺水ITO层(9’)的厚度为7nm，方块电阻为40Ω/□。
本实施例的SHJ异质结电池采用下述方法制备：
a)采用化学气相沉积法在n型单晶硅片(1)的第一表面上依次沉积第一本征非晶硅钝化层(2)、磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)，在所述n型单晶硅片(1)的第二表面上依次沉积第二本征非晶硅钝化层(4)、硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)；
其中，第一本征非晶硅钝化层(2)或第二本征非晶硅钝化层(4)的沉积条件为：电源功率为380W，氢气与硅烷气体流量比(氢稀释比)为14：1，压强0.7pa，沉积时衬底温度220℃；磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)的沉积条件为：电源功率为400W，氢气与硅烷气体流量比(氢稀释比)为4:1，磷烷与硅烷气体流量比(磷硅比)1:100压强0.6pa，沉积时衬底温度220℃；其中硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)的沉积条件为：电源功率为450W，氢气与硅烷气体流量比(氢稀释比)为5:1，磷烷与硅烷气体流量比(磷硅比)1:100，压强0.3pa，沉积时衬底温度200℃；
b)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在30:1，腔体压强保持为0.2Pa，打开溅射电源，电源功率密度为0.8W/cm2，采用磁控溅射法在所述磷掺杂的a-Si:H(n)层(3)上沉积第一不掺水ITO层(6)；
c)在室温条件下，同时通入氩气、氧气和水蒸汽，氩气、氧气与水蒸汽的气体流量比设定在250:10:1，腔体压强保持为0.5Pa，保持水蒸汽的流量稳定在1sccm，打开溅射电源，电源功率密度为0.8W/cm2，采用磁控溅射法在所述第一不掺水ITO层(6)上沉积第一掺水ITO透明导电层(8)；
d)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在30:1，腔体压强保持为0.5Pa，打开溅射电源，电源功率密度为1.1W/cm2，采用磁控溅射法在所述第一掺水ITO透明导电层(8)上沉积第三不掺水ITO层(9)；
e)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在12:1，腔体压强保持为0.4Pa，打开溅射电源，电源功率密度为0.6W/cm2，采用磁控溅射法在所述硼掺杂的a-Si:H(p)层(5)上沉积第二不掺水ITO层(7)；
f)在室温条件下，同时通入氩气、氧气和水蒸汽，氩气、氧气与水蒸汽的气体流量比设定在250:10:1，腔体压强保持为0.5Pa，保持水蒸汽的流量稳定在1sccm，打开溅射电源，电源功率密度为0.8W/cm2，采用磁控溅射法在所述第二不掺水ITO层(7)上沉积第二掺水ITO透明导电层(8’)；
g)在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在25:1，腔体压强保持为0.3Pa，打开溅射电源，电源功率密度为1.5W/cm2，采用磁控溅射法在所述第二掺水ITO透明导电层(8’)上沉积第四不掺水ITO层(9’)；
h)分别在所述第三不掺水ITO层(9)和所述第四不掺水ITO层(9’)上丝网印刷第一电极(10)和第二电极(10’)。
性能测试
1、测试普通ITO，掺水ITO和实施例1制备的叠层ITO的透过谱，测试结果请见图2(a)，(b),(c)。第一叠层ITO和第二叠层ITO的透过率几乎相同，所以此处的实施例1制备的叠层ITO指上述任意一种叠层ITO。
从图2(a)，(b),(c)可以看出，实施例1的叠层ITO薄膜的光透过率显著高于相同厚度的普通ITO材料的光透过率(数值越大，代表透过越好)，基本与相同厚度的单纯的掺水ITO透过率相当。而且与非晶硅和银栅极均不存在接触不良等问题。
2、测试本申请实施例1的异质结电池与采用其他单一结构ITO制备的电池的效率，结果请见表1(参数已经归一化处理)。
表1
从表1可以看出，本申请实施例1的异质结电池的效率明显优于采用普通不掺水ITO薄膜和掺水ITO薄膜制备的电池的效率，将效率提高了5个百分点以上。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种太阳能异质结电池，其特征在于，所述太阳能异质结电池包括第一叠层ITO和第二叠层ITO，所述第一叠层ITO和所述第二叠层ITO分别设置在所述太阳能异质结电池的两面，所述第一叠层ITO包括第一不掺水ITO层、第一掺水ITO透明导电层和第三不掺水ITO层，所述第二叠层ITO包括第二不掺水ITO层、第二掺水ITO透明导电层和第四不掺水ITO层。
2.根据权利要求1所述的太阳能异质结电池，其特征在于，在所述第一叠层ITO中，沿远离所述太阳能异质结电池的方向，所述第一不掺水ITO层、所述第一掺水ITO透明导电层和所述第三不掺水ITO层依次叠加设置；在所述第二叠层ITO中，沿远离所述太阳能异质结电池的方向，所述第二不掺水ITO层、所述第二掺水ITO透明导电层和所述第四不掺水ITO层依次叠加设置。
3.根据权利要求1所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述第一掺水ITO透明导电层和所述第二掺水ITO透明导电层的厚度均为50-110nm。
4.根据权利要求2所述的太阳能异质结电池，其特征在于，
所述第一不掺水ITO层和所述第二不掺水ITO层的厚度均为5-10nm；
所述第一不掺水ITO层的方块电阻为20-80Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻为130-200Ω/□；或者，
所述第一不掺水ITO层的方块电阻为130-200Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻为20-80Ω/□。
5.根据权利要求2所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述第三不掺水ITO层和所述第四不掺水ITO层的厚度均为5-10nm，方块电阻均为20-80Ω/□。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述太阳能异质结电池还包括单晶硅片、第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层、第一非晶硅掺杂层、第二非晶硅掺杂层、第一电极和第二电极。
7.根据权利要求6所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述太阳能异质结电池从上至下依次包括第一电极、第一叠层ITO、第一非晶硅掺杂层、第一本征非晶硅钝化层、单晶硅片、第二本征非晶硅钝化层、第二非晶硅掺杂层、第二叠层ITO和第二电极。
8.根据权利要求7所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述单晶硅片为n型单晶硅片，厚度为50-300μm。
9.根据权利要求7所述的太阳能异质结电池，其特征在于，所述第一本征非晶硅钝化层和所述第二本征非晶硅钝化层的厚度均为1-20nm。
10.根据权利要求7所述的太阳能异质结电池，其特征在于，
所述第一非晶硅掺杂层和所述第二非晶硅掺杂层的厚度均为3-20nm；
所述第一非晶硅掺杂层为P型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层为N型非晶硅掺杂层；或者
所述第一非晶硅掺杂层为N型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层为P型非晶硅掺杂层。
11.根据权利要求7所述的太阳能异质结电池，其特征在于，
所述第一不掺水ITO层和所述第二不掺水ITO层的厚度均为5-10nm；
所述第一不掺水ITO层的方块电阻为20-80Ω/□，所述第二不掺水ITO层的方块电阻为130-200Ω/□；
所述第一非晶硅掺杂层和所述第二非晶硅掺杂层的厚度均为3-20nm；
所述第一非晶硅掺杂层为N型非晶硅掺杂层，所述第二非晶硅掺杂层为P型非晶硅掺杂层。
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