CN214043691U - 一种硅基异质结太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅基异质结太阳能电池，包括：晶硅衬底；晶硅衬底的上表面依次设置有第一本征非晶硅层、第一掺杂层、第一TCO层和第一金属电极；晶硅衬底的下表面依次设置有第二本征非晶硅层、第二掺杂层、第二TCO层和第二金属电极。本实用新型实用、易于实现，可优化TCO和掺杂非晶硅的功能性界面接触，显著提高异质结太阳能电池的转换效率。

Description

一种硅基异质结太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池制造技术领域，更具体的说是涉及一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

硅基异质结太阳能电池(HJT，heterojunction solar cell with intrinsicthin layer)结构对称，不仅提供了良好的表面钝化，而且其工艺温度低于250℃，制备工艺简单，因其超高的转换效率和发展潜力而备受关注。 HJT太阳能电池主要涉及的工艺步骤为：在织构化的晶硅衬底两侧沉积纳米级厚度的本征非晶硅，在本征非晶硅层上沉积掺杂型的非晶硅或者微晶硅层，为了有效的导出电子，需要在掺杂层外侧制备透明导电氧化物导电膜 (Transparent conducting oxide films，TCO)，最后在TCO外侧制备金属电极。

TCO材料是液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)以及太阳能电池等大型电子器件的重要原料之一，其光电性质被广泛研究。TCO材料种类众多，优点各异，例如，ZnO基材料具有成本低和填充性能好等优点，在薄膜晶体管 (TFT)行业被用作像素驱动元件；而氧化铟基材料因具有高导电性(高迁移率、低电阻率)和在可见范围内良好的透明性(T>90％)而成为太阳能电池技术中应用最广泛的TCOs材料之一。

对于标准的高效硅基异质结太阳能电池(SHJ)，通常采用掺杂的氢化非晶硅(a-Si:H)作为电子和空穴的选择性发射极，TCO置于掺杂的a-Si:H层上作为接触层，起着导出电子和空穴的电学作用。由于TCO和掺杂型a-Si:H层 (n型或p型a-Si)的功函数差异，TCO/a-Si:H接触界面上就会存在明显的能带弯曲，当半导体和TCO之间的能带偏移较大时，电子或空穴克服的势垒较大，得不到有效的传输，当半导体和TCO之间的能带偏移最小时，可以实现欧姆接触，掺杂类型不同时，对TCO膜层功函数的要求也会发生变化，也就是说，TCO薄膜的功函数会影响TCO/a-Si(p或n)界面的注入效率，在开路电压、填充因子等关键参数中起着至关重要的作用。在异质结电池中，与a-Si (p)接触的TCO材料通常需要较高的功函数，与a-Si(n)接触的TCO材料通常需要具有较低的功函数。

微晶硅薄膜、微晶硅硅氧薄膜以及微晶硅碳薄膜因其宽带隙、弱吸光等优点成为近几年的研究热点，这些材料也需要匹配不同功函数的TCO薄膜，而对于成型的TCO材料(或者靶材)而言，功函数基本固定，在已有报道中，可以通过调整工艺通氧量、沉积成膜的压力或功率等条件做微小调节，但总体来说，其功函数的可变范围较小。

因此，若要通过有效的方法来调整TCO功函数，使TCO匹配不同的非晶硅、微晶硅膜层，如何修饰TCO功函数的问题在追求高效转换效率的技术路线上十分重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足和局限性，提供了一种硅基异质结太阳能电池，本实用新型方法快速、实用、易于实现，可优化TCO和掺杂非晶硅的功能性界面接触，显著提高异质结太阳能电池的转换效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种硅基异质结太阳能电池，包括：晶硅衬底；晶硅衬底的上表面依次设置有第一本征非晶硅层、第一掺杂层、第一TCO层和第一金属电极；晶硅衬底的下表面依次设置有第二本征非晶硅层、第二掺杂层、第二TCO层和第二金属电极；第一TCO层和第二TCO层均包含若干层TCO薄膜。

本发明的有益效果在于：

本发明硅基异质结太阳能电池具有转换效率高、制作步骤少、工艺温度低等优点。取得异质结太阳能电池高效性的关键技术在于界面处的钝化效果和能带匹配，在此结构中，本征非晶硅层对异质结界面处优良的表面钝化技术可以降低界面处的缺陷密度，进一步使用TCO膜层将光生电子和空穴有效导出；TCO膜层的功函数与掺杂层带隙的匹配会影响电池性能，因此，将TCO膜层做多层TCO结构设计，一方面便于合理控制TCO多层膜间的功函数渐变梯度，改善电性能和透光率，从而提高电池转换效率；另外，可同时调节TCO薄膜与掺杂层界面、TCO薄膜与金属电极界面的匹配，降低电池的内电阻，提高硅基异质结太阳电池的转换效率。

进一步，第一掺杂层和第二掺杂层均为非晶硅掺杂层、微晶硅掺杂层、微晶硅氧掺杂层、微晶硅碳掺杂层中的至少一种；且，第一掺杂层为n或p 型掺杂，则对应的第二掺杂层为p或n型掺杂。

采用上述进一步的有益效果在于，以N型晶硅衬底为例，p型掺杂层作为该电池结构的发射极，n型掺杂层与晶硅衬底形成高低结，从而形成良好的多数载流子选择性接触层，并且抑制衬底少数载流子复合。

进一步，本实用新型TCO薄膜为广义的既具有高透光性又具有高导电性的一类材料，包括氧化铟基薄膜(如ITO、IWO、IO:H、ITiO等)、氧化锌基薄膜(如AZO、IZO、ITiO、IGZO等)、氧化锡基薄膜(如ATO、FTO等)等，包含但又不限于上述材料制得的薄膜；而且本实用新型TCO薄膜可以为单一TCO 材料制得的薄膜，也可以为多种TCO材料组合制得的薄膜。

采用上述进一步的有益效果在于，TCO薄膜具有光学透明和导电双重功能，对于异质结太阳能电池的性能极其重要。在光学上，TCO薄膜作为减反射涂层，可以使更多的光到达电池内部，从而增加短路电流密度(JSC)；在电学方面，TCO薄膜可以改善前非晶硅层的载流子传输，促进电荷的横向移动，增加填充系数(FF)。因此，TCO的光学特性、电学特性以及与相邻层间的兼容性是提高异质结电池转换效率的关键因素。

进一步，第一TCO层包括依次设置于第一掺杂层上表面的第一TCO薄膜、第二TCO薄膜和第三TCO薄膜。优选的，第一TCO层的厚度为70-110nm，其中，第一TCO薄膜的厚度为10-50nm，优选为10-20nm，第二TCO薄膜的厚度为 5-40nm。

采用上述进一步的有益效果在于，第一TCO薄膜作为与第一掺杂层直接接触的缓冲层，也是后续第二TCO薄膜和第三TCO薄膜的保护层。

第二TCO层包括依次设置于第二掺杂层下表面的第四TCO薄膜、第五TCO薄膜和第六TCO薄膜。优选的，第二TCO层的厚度为90-120nm，其中，第四TCO薄膜的厚度为10-50nm，第五TCO薄膜的厚度为5-40nm。

采用上述进一步的有益效果在于，第四TCO薄膜作为与第二掺杂层直接接触的缓冲层，也是后续第五TCO薄膜和第六TCO薄膜的保护层。

进一步，第一TCO层和第二TCO层中至少有一层薄膜经过等离子体处理；优选的，第一TCO薄膜和第四TCO薄膜经过等离子体处理；更优选的，第一TCO 薄膜、第二TCO薄膜、第四TCO薄膜和第五TCO薄膜经过等离子体处理。

采用上述进一步的有益效果在于，通过等离子体处理TCO薄膜，可以调节对应膜层的费米能级，改变膜层的功函数，从而降低TCO薄膜与掺杂层之间的势垒高度，提高载流子的收集效率，最终提高太阳能电池的转换效率。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种硅基异质结太阳能电池，有益效果如下：

经过简单的等离子体处理，就可以达到改变TCO材料功函数的目的，对既定的TCO材料进行修饰，不会对硅基异质结太阳能电池造成不利影响，并在硅基异质结太阳能电池结构中有效匹配非晶硅膜层，从而提升硅基异质结太阳能电池的开路电压和填充因子，进而提升转换效率。

附图说明

附图1为本实用新型实施例提供的硅基异质结太阳电池的结构示意图；

附图2为本实用新型实施例提供的第一TCO层的结构示意图；

附图3为本实用新型实施例提供的第二TCO层的结构示意图。

其中，00-晶硅衬底，11-第一本征非晶硅层，21-第一掺杂层，31-第一 TCO层，41-第一金属电极，12-第二本征非晶硅层，22-第二掺杂层，32-第二 TCO层，42-第二金属电极；311-第一TCO薄膜，312-第二TCO薄膜，313-第三TCO薄膜，321-第四TCO薄膜，322-第五TCO薄膜，323-第六TCO薄膜。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下实施例中，离子体化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、反应等离子体沉积、丝网印刷等处理方式均为现有技术。

本实用新型实施例提供了一种硅基异质结太阳能电池，如附图1所示，包括：晶硅衬底00；晶硅衬底00的上表面依次设置有第一本征非晶硅层11、第一掺杂层21、第一TCO层31和第一金属电极41；晶硅衬底00的下表面依次设置有第二本征非晶硅层12、第二掺杂层22、第二TCO层32和第二金属电极42；第一TCO层31和第二TCO层32均包含若干层TCO薄膜。

在一个实施例中，第一本征非晶硅层的厚度为8nm，第一掺杂层21为n 型非晶硅掺杂层，厚度为15nm；第二本征非晶硅层厚度为12nm，第二掺杂层 22为p型非晶硅掺杂层，厚度为15nm。在另一个实施例中，第一本征非晶硅层的厚度为12nm，第一掺杂层21为p型非晶硅掺杂层，厚度为15nm；第二本征非晶硅层厚度为8nm，第二掺杂层22为n型非晶硅掺杂层，厚度为15nm。在其他实施例中，第一掺杂层21还可为n型微晶硅掺杂层，第二掺杂层22 为p型微晶硅掺杂层；第一掺杂层21还可为n型微晶硅掺杂层，第二掺杂层 22为p型微晶硅掺杂层；第一掺杂层21还可为n型微晶硅氧掺杂层，第二掺杂层22为p型微晶硅氧掺杂层；第一掺杂层21还可为n型微晶硅碳掺杂层，第二掺杂层22为p型微晶硅碳掺杂层。

在一个实施例中，TCO薄膜薄膜为氧化铟基；在另一个实施例中，TCO薄膜为氧化锌基薄膜；在其他实施例中，TCO薄膜还可为氧化锡基薄膜。

如附图2所示，第一TCO层31包括依次设置于第一掺杂层21上表面的第一 TCO薄膜311、第二TCO薄膜312和第三TCO薄膜313。在一个实施例中，第一TCO 薄膜311的厚度为10nm，第二TCO薄膜312的厚度为5nm，第三TCO薄膜313的厚度为55nm；在另一个实施例中，第一TCO薄膜311的厚度为50nm，第二TCO薄膜 312的厚度为40nm，第三TCO薄膜313的厚度为20nm。

如附图3所示，第二TCO层32包括依次设置于第二掺杂层22下表面的第四 TCO薄膜321、第五TCO薄膜322和第六TCO薄膜323。在一个实施例中，第四TCO 薄膜321的厚度为10nm，第五TCO薄膜322的厚度为5nm，第六TCO薄膜323的厚度为75nm；在另一个实施例中，第四TCO薄膜321的厚度为50nm，第五TCO薄膜 322的厚度为40nm，第六TCO薄膜323的厚度为30nm。

第一TCO层31和第二TCO层32中至少有一层薄膜经过等离子体处理。在一个实施例中，第一TCO薄膜311和第四TCO薄膜321经过等离子体处理；在另一个实施例中，第一TCO薄膜311、第二TCO薄膜312、第四TCO薄膜321和第五TCO 薄膜322经过等离子体处理。

本实用新型硅基异质结太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将晶体硅片经过制绒、清洗，得到晶硅衬底00；

(2)利用离子体化学气相沉积，在晶硅衬底00的上表面依次沉积第一本征非晶硅层11和第一掺杂层21，在晶硅衬底00的下表面依次沉积第二本征非晶硅层12和第二掺杂层22；

(4)利用磁控溅射方式，在第一掺杂层21的上表面依次沉积第一TCO薄膜311、第二TCO薄膜312和第三TCO薄膜313，同时，在处理与第一掺杂层21(n 型非晶硅)接触的第一TCO薄膜311时，采用等离子体化学气相沉积设备 (PECVD)为等离子体发生装置，使用氩气来产生等离子体，对第一TCO薄膜 311表面进行等离子体处理，功率为300w，处理时间为200s，温度为200℃，形成第一TCO层31；

利用磁控溅射方式，在第二掺杂层22的上表面依次沉积第四TCO薄膜321、第五TCO薄膜322和第六TCO薄膜323，同时，在处理与第二掺杂层22(p型非晶硅)接触的第四TCO薄膜321时，采用等离子体化学气相沉积设备(PECVD)为等离子体发生装置，使用氧气来产生等离子体，对第四TCO薄膜321表面进行等离子体处理，功率为150w，处理时间为300s，温度为200℃，形成第二TCO 层32；

(5)通过丝网印刷的方式，在第一TCO层31的上表面形成第一金属电极 41，在第二TCO层32的下表面形成第二金属电极42，即得硅基异质结太阳能电池。

性能测试

各取本实用新型实施例制备方法和未经过等离子体处理制得的硅基异质结太阳能电池，分别检测电池的转换效率(Eta)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)、短路电流(Isc)、串联电阻(Rs)、并联电阻(Rsh)，并比较其相对值增益，结果如表1所示。

表1实施例1和对比例1制得的硅基异质结太阳能电池相对值增益

项目	Eta(％)	Voc(V)	Isc(A)	FF(％)	Rs(Ω)	Rsh(Ω)
							对比例1	0.00	0.000	0.000	0.00	0.000	0
实施例1	0.09	0.002	0.000	0.08	0.000	-253

由表1可知，与未经过等离子体处得到的硅基异质结太阳能电池相比，本实用新型实施例制得的硅基异质结太阳能电池表现出了更高的Voc和FF，分别高出0.002V和0.08％，最终转换效率高出0.09％。这可以通过等离子对TCO膜层功函数的调整来解释，经过氩气等离子体处理后，TCO薄膜具有更低得功函数，TCO/n型掺杂层的界面能带通过费米能级向上移动，较低的界面势垒高度提高了电子收集效率。同理，使用氧气等离子体可以拉高TCO薄膜的功函数，降低TCO/p型掺杂层的势垒高度，因此，提高了Voc和FF，最终电池转换效率得到提升。

综上所述，本实用新型经过等离子体处理TCO膜层可以有效改善TCO与掺杂非晶硅的匹配性，有效提升硅基异质结电池的转换效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于，包括：

晶硅衬底；

所述晶硅衬底的上表面依次设置有第一本征非晶硅层、第一掺杂层、第一TCO层和第一金属电极；

所述晶硅衬底的下表面依次设置有第二本征非晶硅层、第二掺杂层、第二TCO层和第二金属电极；

所述第一TCO层和所述第二TCO层均包含若干层TCO薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一TCO层包括依次设置于所述第一掺杂层上表面的第一TCO薄膜、第二TCO薄膜和第三TCO薄膜；

所述第二TCO层包括依次设置于所述第二掺杂层下表面的第四TCO薄膜、第五TCO薄膜和第六TCO薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一TCO层的厚度为70-110nm，其中，所述第一TCO薄膜的厚度为10-50nm，所述第二TCO薄膜的厚度为5-40nm。

4.根据权利要求2所述的一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述第二TCO层的厚度为90-120nm，其中，所述第四TCO薄膜的厚度为10-50nm，所述第五TCO薄膜的厚度为5-40nm。

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