WO2024103818A1 - 异质结太阳能电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种异质结太阳能电池和制备方法。该异质结太阳能电池包括：n型或p型硅片，n型或p型硅片经n型或p型掺杂处理，且具有相对的正面和背面；第一钝化层和第二钝化层，依次设置于n型或p型硅片的正面；第三钝化层和第四钝化层，依次设置于n型或p型硅片的背面，微晶或纳米晶碳氧化硅层，设置于第四钝化层远离n型或p型硅片的一面，其中，微晶或纳米晶碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与n型或p型硅片组成PN结，碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。本申请的异质结太阳能电池提高了太阳能电池的性能，碳元素和氧元素对碳氧化硅层中的氢元素具有固定作用，有利于减少氢元素的流失。

Description

异质结太阳能电池及制备方法 技术领域
本申请主要涉及光伏领域，具体地涉及一种异质结太阳能电池及制备方法。
背景技术
硅基异质结电池是目前主流的几种高效太阳能电池技术之一，其具有结构简单、转化效率高和温度系数低的优势，是太阳能电池发展的重要方向之一。硅基异质结电池的结构和工艺流程均较为简单，其以n型或p型掺杂处理的硅衬底作为基层，在硅衬底的一侧形成本征非晶硅层、p或n型非晶硅层，在硅衬底的另一侧形成本征非晶硅层、n型非晶硅层。其中，p或n型非晶硅层与n型或p型掺杂处理的硅衬底形成PN结。
现有技术中的硅基异质结电池中，p型掺杂层为掺硼元素的非晶硅，但是受掺杂量上限的限制，使得p型掺杂层的掺杂效率较低，导致电池背面PN结的电场减弱，导致光生载流子的复合增加，最终导致电池效率较低。
所以，如何提高掺杂剂的掺杂上限，并提高电池效率是亟待解决的问题。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种异质结太阳能电池和制备方法，该太阳能电池具有掺杂上限高及电池效率高的优势。
本申请为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种异质结太阳能电池，包括：硅衬底，所述硅衬底经n型或p型掺杂处理，且具有相对的正面和背面；第一钝化层和第二钝化层，依次设置于所述硅衬底的正面；第三钝化层和第四钝化层，依次设置于所述硅衬底的背面；以及碳氧化硅层，设置于所述第四钝化层远离所述硅衬底的一面，其中，所述碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与所述硅衬底组成PN结，所述碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。
在本申请一实施例中，所述第一钝化层为氢化非晶氧化硅，所述第二钝化层为 氢化纳米晶硅。
在本申请一实施例中，所述第三钝化层为氢化非晶硅，所述第四钝化层为氢化纳米晶硅。
在本申请一实施例中，所述硅衬底为n型掺杂，所述碳氧化硅层为p型掺杂。
在本申请一实施例中，还包括第五钝化层，设置于所述第二钝化层远离所述硅衬底的一面，其中，所述第五钝化层的材料为氢化n型微晶或纳米晶碳氧化硅。
在本申请一实施例中，还包括第一透明导电氧化物薄膜和第二透明导电氧化物薄膜，所述第一透明氧化物薄膜设置于所述第五钝化层远离所述硅衬底的一面，所述第二透明氧化物薄膜设置于所述第四钝化层远离所述硅衬底的一面。
在本申请一实施例中，还包括减反射薄膜，设置于所述第一透明氧化物薄膜远离所述硅衬底的一面。
在本申请一实施例中，还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一透明氧化物薄膜和所述第二透明氧化物薄膜接触，其中，所述第一电极和/或所述第二电极采用电镀或化学镀的方法制造而成。
在本申请一实施例中，所述碳氧化硅层中所述碳元素的原子百分比等于或大于7倍的所述氧元素的原子百分比。
本申请为解决上述技术问题还提出一种异质结太阳能电池的制备方法，包括步骤：提供n型或p型硅片，所述n型或p型硅片具有相对的正面和背面；在所述n型或p型硅片的正面依次形成第一钝化层和第二钝化层；在所述n型或p型硅片的背面依次形成第三钝化层和第四钝化层；以及在所述第四钝化层远离所述n型或p型硅片的一面上形成碳氧化硅层，其中，所述碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与所述n型或p型硅片组成PN结，所述碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。
本申请的异质结太阳能电池采用经掺杂处理的碳氧化硅层与n型或p型硅片组成PN结，增加了碳氧化硅层中掺杂剂的掺杂上限，从而提高了太阳能电池的性能，碳元素和氧元素对碳氧化硅层中的氢元素具有固定作用，有利于减少氢元素的流失。
附图概述
为让本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本申请的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是本申请一实施例的一种异质结太阳能电池的截面示意图；
图2是本申请一实施例的一种异质结太阳能电池的制备方法的示例性流程图。
本发明的较佳实施方式
为让本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本申请的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
异质结太阳能电池中的PN结由经掺杂处理的硅衬底和位于硅衬底一侧的经与硅衬底中的掺杂剂的极性相反的掺杂剂掺杂处理的材料层一起组成。常规技术中，该材料层中的掺杂上限较低。本申请的异质结太阳能电池具有掺杂上限高的优势。
接下来通过具体的实施例对本申请的异质结太阳能电池进行说明。
图1是本申请一实施例的异质结太阳能电池的截面示意图。参考图1所示，异质结太阳能电池100包括硅衬底110、第一钝化层120、第二钝化层130、第三钝化层140、第四钝化层150和碳氧化硅层160。
具体地，如图1所示，硅衬底110经n型或p型掺杂处理。硅衬底110的材料包括单晶硅或多晶硅中的一种或多种。可通过掺杂工艺在单晶硅中掺入磷元素(P)以形成n型的硅衬底110，或掺入硼元素(B)以形成p型硅衬底110。可以理解，硅衬底110中的掺杂元素不限于上述的磷元素和硼元素，其也可以是其它能够形成n和p型硅衬底的元素。
此外，硅衬底110不限于任何特定的尺寸和形状。硅衬底110可以是具有200mm直径、300mm直径或其他直径(诸如450mm)等的圆形衬底。根据需要，硅衬底110也可以是任何多边形、正方形、矩形、弯曲或其他非圆形工件，例如多边形的硅衬底。
参考图1所示，硅衬底110沿厚度方向D1具有相对的正面110a和背面110b，正面110a指的是硅衬底110在图1中朝上的一面。
在一实施例中，硅衬底110为n型掺杂硅衬底。为叙述方便，除特别说明外，后文中的硅衬底110均为n型掺杂硅衬底。
继续参考图1所示，第一钝化层120设置于硅衬底110的正面111a，第二钝化层130设置于第一钝化层120沿厚度方向D1远离硅衬底110的一面，即第一钝化层120和第二钝化层130依次设置于硅衬底110的正面110a。在硅衬底110的正面110a依次形成第一钝化层120和第二钝化层130的方法包括：采用高频化学气相沉积(VHF-PECVD)在硅衬底110的正面110a依次第一钝化层120和第二钝化层130，其中，第一钝化层120的厚度为0.8-1.5nm，第二钝化层130的厚度为3-4nm。在一些实施例中，在形成第一钝化层120之前还包括对硅衬底110进行去损清洗和制绒处理，去损清洗能够除去硅衬底110正面110a和背面110b的损伤，制绒处理能够形成金字塔绒面，从而降低硅衬底110对光线的反射率。
在一实施例中，第一钝化层为氢化非晶氧化硅，第二钝化层为氢化纳米晶硅。相比与单晶氧化硅和非晶氧化硅，第一钝化层采用非晶有利于提高第一钝化层中氢元素的含量，如此可以提高第一钝化层的钝化性能，以及降低界面外延晶的生长概率，从而提高电池的光生电流密度。此外，第一钝化层中的氧元素可以与氢元素组 成氢键，从而阻止氢元素扩散出第一钝化层。采用纳米晶硅的第二钝化层的导电性要优于采用非晶硅的第二钝化层，如此可以降低第二钝化层的电阻率，提高电池的填充因子(FF)。第一钝化层和第二钝化层相结合可以在获得优良钝化效果的同时保证钝化层的导电性满足要求。在一些实施例中，第二钝化层中的纳米晶硅的尺寸为2-5nm，第二钝化层的晶化率为10％-70％。其中，“氢化”指的是在材料层(例如第一钝化层、第二钝化层)中引入氢原子(H)，这些氢原子能够中和材料层中的悬挂键以及缺陷，从而减少载流子的复合，进而提高电池的效率。除特别说明外，上述对“氢化”的解释说明，同样适用于后文，后文将不在赘述。
在另一实施例中，参考图1所示，太阳能电池100还包括设置于第二钝化层130远离硅衬底110的一面的第五钝化层170，第五钝化层170的材料为氢化n型微晶或纳米晶碳氧化硅，当第五钝化层170中的碳氧化硅为微晶碳氧化硅时，其晶粒尺寸为10-100nm。第五钝化层中的氧元素的原子百分比可大于、等于或小于碳元素的原子百分比。第五钝化层170具有传输电子和场钝化的作用，从而有利于提高电池的性能。
在一些实施例中，制造第五钝化层170的方法包括采用高频化学气相沉积(VHF-PECVD)在第二钝化层130远离硅衬底110的一面沉积第五钝化层170，第五钝化层170的厚度为10-20nm。在前一实施例中，第二钝化层130采用的材料为氢化纳米晶硅，第二钝化层130与第五钝化层170相接触的一面处的氢化纳米晶硅可以作为第五钝化层中的n型微晶或纳米晶碳氧化硅的种子层，有利于提高第五钝化层的晶化率。
回到图1所示，第三钝化层140位于硅衬底110的背面110b，第四钝化层150位于第三钝化层140远离硅衬底110的一面，即第三钝化层140和第四钝化层150依次形成于硅衬底110的背面110b。在一些实施例中，制造第三钝化层140和四钝化层150的方法可与第一钝化层120和第二钝化层130相同，其中，第三钝化层140的厚度为5-10nm，第四钝化层150的厚度为3-4nm。
在一实施例中，第三钝化层为氢化非晶硅，第四钝化层为氢化纳米晶硅。与采用氢化纳米晶硅作为第三钝化层的材料相比，采用非晶硅有助于提高第三钝化层中氢元素的含量，从而提高钝化效果。因工艺过程中高浓度氢等离子体对非晶硅具有刻蚀作用，从而导致第三钝化层的厚度可能小于设计厚度，因此采用纳米晶硅作为 第四钝化层的材料，如此起到辅助钝化的作用，从而保证钝化效果。在一些实施例中，第四钝化层的纳米晶硅的尺寸为2-5nm，第四钝化层的晶化率为10％-70％。
继续参考图1所示，碳氧化硅层160设置于第四钝化层150远离硅衬底110的一面。其中，碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与硅衬底110组成PN结，碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。如前文所述，硅衬底110可以是n型硅衬底，也可以是p型硅衬底，当硅衬底110为n型硅衬底时，则碳氧化硅层160为p型掺杂碳氧化硅层，以与硅衬底110组成PN结，反之，则碳氧化硅层160为n型掺杂碳氧化硅层。为叙述方便，后文中的碳氧化硅层160为p型掺杂。在一些实施例中，形成碳氧化硅层160的方法与第四钝化层相同，其中，碳氧化硅层160的厚度为5-10nm，碳氧化硅可以是微晶碳氧化硅或纳米晶碳氧化硅，当碳氧化硅为微晶碳氧化硅时，其晶粒尺寸为10-100nm，当碳氧化硅为纳米晶碳氧化硅时，其晶粒尺寸为2-5nm。
在常规技术中，通常使用硼元素对非晶硅进行掺杂处理以获得p型掺杂层，但掺杂激活率较低，因此需要提高掺杂量来提高掺杂激活量，但这可能会导致过量掺杂，从而产生死层。此外，当使用硼元素对微晶硅进行掺杂处理来获得p型掺杂层时，微晶硅中的硼元素的掺杂上限较低。本申请对碳氧化硅进行掺杂可有效地解决上述问题。由于碳与硅是同族化学元素，因此在制备过程中可高效地掺入硅薄膜结构中，形成稳定的碳硅化合物，如此，可以提高太阳能电池的光学带隙。此外，氧元素的加入可以进一步提高光学带隙，并且氧元素和碳元素均有固氢的作用，从而可以减少氢元素的流失而导致碳氧化硅层160内部缺陷密度上升。同时，碳氧化硅的掺杂上限高，不易形成死层，并且微晶化也可以提高掺杂激活浓度，因此p型氢化掺杂微晶碳氧化硅的使用可以提高硅基异质结电池的性能。在采用碳氧化硅作为p型层的基础上，本申请进一步限定了碳氧化硅层中的碳元素含量大于氧元素含量，如此可在碳氧化硅层形成较多的碳硅键，一方面，相比与氧化硅，碳化硅具有更宽的带隙和更高的掺杂上限，从而提高掺杂量和太阳能电池的性能，另一方面，当碳氧化硅层中的掺杂元素为硼元素时，碳氧化硅层中氧元素会与硼元素结合生成硼氧对，导致太阳能电池产生衰减，因此降低氧元素的含量有利于减少硼元素与氧元素的结合。在另外一些实施例中，碳氧化硅层中碳元素的原子百分比等于或大于7倍的氧元素的原子百分比，如此，可保证碳氧化硅层中的掺杂量满足要求。
在一实施例中，太阳能电池还包括第一透明导电氧化物薄膜和第二透明导电氧化物薄膜。如图1所示，第一透明导电氧化物薄膜180设置于第五钝化层170远离硅衬底110的一面，第二透明导电氧化物薄膜190设置于第四钝化层160远离硅衬底110的一面。在一些实施例中，制备透明导电氧化物薄膜的方法包括采用物理气相沉积(PVD)和反应等离子沉积(RPD)，其中，第一透明导电氧化物薄膜180和第二透明导电氧化物薄膜190的厚度为60-80nm，需要说明的是，第一透明导电氧化物薄膜180和第二透明导电氧化物薄膜190的厚度可以相等也可以不相等。
参考图1所示，在另一实施例中，太阳能电池100还包括第一电极211和第二电极212。其中，第一电极211和第二电极212分别与第一透明氧化物薄膜180和第二透明氧化物薄膜190接触。第一透明导电氧化物薄膜180可防止第一电极212与第五钝化层170直接接触，第二透明导电氧化物薄膜190可防止第二电极212与碳氧化硅层160直接接触，从而避免导致电阻大幅上升。
在一些实施例中，制造第一电极和第二电极的方法包括电镀或化学镀的方，第一电极和第二电极的材料包括金属铜、金属铝、金属镍、金属锡中的一种或多种。相比与采用丝网印刷银电极，通过电镀或化学镀的方法制造非银电极具有成本低的优势。
如图1所示，在一实施例中，太阳能电池100还包括设置于第一透明氧化物薄膜180远离硅衬底110的一面减反射薄膜220。在一些实施例中，减反射薄膜的数量不限于图1中的1层，例如还可以是2层、或3层等任意数量。减反射薄膜的材料包括但不限于氮化硅、氧化硅、氟化镁、氧化钛中的一种或多种。减反射薄膜220太阳能电池对入射光线的反射，从而提高电池光线的利用率。
上述实施例中的太阳能电池采用经掺杂处理的碳氧化硅层与硅衬底组成PN结，并限定碳氧化硅层中的碳元素的原子百分比大于氧原子的百分比，增加了碳氧化硅层中掺杂剂的掺杂上限，从而提高了太阳能电池的性能，碳元素和氧元素对碳氧化硅层中的氢元素具有固定作用，有利于减少氢元素的流失。
本申请另一方面还提出一种异质结太阳能电池的制备方法。参考图2所示的本申请一实施例中异质结太阳能电池的制备方法的示例性流程图，结合图1所示，该制备方法包括如下步骤：
步骤S110：提供n型或p型硅片110，所述n型或p型硅片具有相对的正面 110a和背面110b；
步骤S120：在n型或p型硅片110的正面110a依次形成第一钝化层120和第二钝化层130；
步骤S130：在n型或p型硅片110的背面110b依次形成第三钝化层140和第四钝化层150；
步骤S140：在第四钝化层150远离n型或p型硅片110的一面上形成碳氧化硅层160，其中，碳氧化硅层160经n型或p型掺杂处理，以与n型或p型硅片110组成PN结，碳氧化硅层160中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。
有关本申请的异质结太阳能电池的制备方法其他细节可以参考前文相关的描述，再次不再展开赘述。
上述实施例中的制备方法采用经掺杂处理的碳氧化硅层与n型或p型硅片组成PN结，并限定碳氧化硅层中的碳元素的原子百分比大于氧原子的百分比，增加了碳氧化硅层中掺杂剂的掺杂上限，从而提高了太阳能电池的性能，碳元素和氧元素对碳氧化硅层中的氢元素具有固定作用，有利于减少氢元素的流失。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述申请披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于 确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

Claims (10)

  1. 一种异质结太阳能电池，其特征在于，包括：
    硅衬底，所述硅衬底经n型或p型掺杂处理，且具有相对的正面和背面；第一钝化层和第二钝化层，依次设置于所述硅衬底的正面；第三钝化层和第四钝化层，依次设置于所述硅衬底的背面；
    碳氧化硅层，设置于所述第四钝化层远离所述硅衬底的一面，其中，所述碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与所述硅衬底组成PN结，所述碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。
  2. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一钝化层为氢化非晶氧化硅，所述第二钝化层为氢化纳米晶硅。
  3. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第三钝化层为氢化非晶硅，所述第四钝化层为氢化纳米晶硅。
  4. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅衬底为n型掺杂，所述碳氧化硅层为p型掺杂。
  5. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，还包括第五钝化层，设置于所述第二钝化层远离所述硅衬底的一面，其中，所述第五钝化层的材料为氢化n型微晶或纳米晶碳氧化硅。
  6. 如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，还包括第一透明导电氧化物薄膜和第二透明导电氧化物薄膜，所述第一透明氧化物薄膜设置于所述第五钝化层远离所述硅衬底的一面，所述第二透明氧化物薄膜设置于所述第四钝化层远离所述硅衬底的一面。
  7. 如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，还包括减反射薄膜，设置于所述第一透明氧化物薄膜远离所述硅衬底的一面。
  8. 如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一透明氧化物薄膜和所述第二透明氧化物薄膜接触，其中，所述第一电极和/或所述第二电极采用电镀或化学镀的方法制造而成。
  9. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳氧化硅层中所述碳 元素的原子百分比等于或大于7倍的所述氧元素的原子百分比。
  10. 一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
    提供n型或p型硅片，所述n型或p型硅片具有相对的正面和背面；
    在所述n型或p型硅片的正面依次形成第一钝化层和第二钝化层；
    在所述n型或p型硅片的背面依次形成第三钝化层和第四钝化层；以及
    在所述第四钝化层远离所述n型或p型硅片的一面上形成碳氧化硅层，其中，所述碳氧化硅层经n型或p型掺杂处理，以与所述n型或p型硅片组成PN结，所述碳氧化硅层中碳元素的原子百分比大于氧元素的原子百分比。
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