一种可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池及其制法 |
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| 申请号 | CN202311478687.5 | 申请日 | 2023-11-08 | 公开(公告)号 | CN117766640A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 江苏科技大学; | 发明人 | 李阳; 郑雨荷; 吴佳婷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种可弯曲且具有高光电转换效率的 硅 异质结 太阳能 电池 ，包括硅基底层；在硅基底层 正面 依次沉积有氢化非晶硅 氧 层、氢化非晶硅层、n型氢化 纳米晶 硅氧层和 透明导电氧化物 层；在硅基底层背面依次沉积有氢化非晶硅氧层、氢化非晶硅层、p型氢化纳米晶硅层和透明导电氧化物层；在透明导电氧化物层上印刷有金属 电极 。本发明还公开了上述硅异质结 太阳能电池 的制备方法，具体为：对硅基底层进行减薄、制绒处理；在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层，形成 钝化 层；利用二氧化 碳 和氢气混合气体在两侧 钝化层 上进行 等离子体 预处理，实现钝化层浅表面的纳米晶 播种 ；在经过纳米晶播种的正面钝化层上垂直生长掺磷的n型纳米晶硅氧层；在经过纳米晶播种的背面钝化层上垂直生长掺 硼 的p型纳米晶硅层；沉积铈掺杂氧化铟作为透明导电氧化物层，再在透明导电氧化物层上印刷金属电极。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池，其特征在于：包括硅基底层(1)；在硅基底层(1)正面依次沉积有氢化非晶硅氧层(2)、氢化非晶硅层(3)、n型氢化纳米晶硅氧层(4)和透明导电氧化物层(6)；在硅基底层(1)背面依次沉积有氢化非晶硅氧层(2)、氢化非晶硅层(3)、p型氢化纳米晶硅层(5)和透明导电氧化物层(6)；在透明导电氧化物层(6)上印刷有金属电极(7)。 |
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| 说明书全文 | 一种可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池及其制法 技术领域背景技术[0003] 为了提高太阳能电池的效率和降低成本，研究者开始关注晶硅异质结太阳能电池的潜力。此类太阳能电池采用了晶体硅(c‑Si)作为基底材料，并通过在其表面或界面引入非晶硅，形成异质结，从而改善电池的光吸收和载流子分离效率。 [0004] 现有c‑Si太阳能电池占太阳能电池市场95％以上，其晶圆厚度通常为150～180μm，该厚度下使其在一些极端使用环境(如卫星、航天器和无人机)中无法适用，因此对太阳能电池的减重和灵活性提出了更高的要求。目前将c‑Si晶片厚度降低到比典型c‑Si太阳能电池薄得多，并将“薄膜太阳能电池”的优点融入c‑Si太阳能电池中是一个热点方向。然而，薄c‑Si太阳能电池(55～130μm)的功率转换效率几十年来一直维持在23.27～24.70％的范围内。 发明内容[0005] 发明目的：本发明目的旨在提供一种可弯曲(厚度低于130μm)同时还具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池；本发明另一目的提供上述硅异质结太阳能电池的制备方法。 [0006] 技术方案：本发明所述的可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池，包括硅基底层；在硅基底层正面依次沉积有氢化非晶硅氧层、氢化非晶硅层、n型氢化纳米晶硅氧层和透明导电氧化物层；在硅基底层背面依次沉积有氢化非晶硅氧层、氢化非晶硅层、p型氢化纳米晶硅层和透明导电氧化物层；在透明导电氧化物层上印刷有金属电极。 [0007] 其中，硅基底层正面和背面的透明导电氧化物层上丝印的金属电极均为栅线形式；或者硅基底层正面透明导电氧化物层上丝印的金属电极为栅线形式，硅基底层背面透明导电氧化物层上的金属电极为整个面全覆盖金属电极。 [0008] 其中，硅基底层为n型单晶硅，表面采用制绒结构，硅基底层的厚度小于130μm。 [0009] 其中，氢化非晶硅氧层的厚度小于0.5nm，其中氧原子含量为8～12at.％，氢含量为22～30at.％；氢化非晶硅层的厚度为4～5nm，其中氢含量为18～25at.％。 [0010] 其中，n型氢化纳米晶硅氧层的厚度为12～18nm，晶体的体积分数为40～46％；p型氢化纳米晶硅层的厚度为20～25nm，晶体体积分数为60～66％。 [0011] 其中，透明导电氧化物层为铈掺杂氧化铟，厚度为70nm；金属电极为银电极，对于双面电池，正背面均采用栅线形式，宽度为16～18μm。对于单面电池，正面采用栅线形式，电池背面采用金属电极全覆盖，即背面刷满银浆。 [0012] 上述硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤： [0013] (1)对硅基底层进行减薄、制绒处理； [0014] (2)在硅基底层上连续等离子体增强化学气相沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层，形成钝化层；本发明通过采用超薄的氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层复合，一方面能够有效降低钝化层对电池电导率带来的不利影响，一方面通过工艺控制能够有效保护钝化层的完整和平整，从而使其具有良好的钝化效果； [0015] (3)利用CO2和H2混合气体在钝化层上进行等离子体预处理，实现在钝化层浅表面的纳米晶播种；采用混合气体进行等离子体预处理，一方面能够使纳米晶播种在钝化层表面，且后续的掺杂接触层能够垂直生长，提高电池的电导率；另一方面能够抑制种子层的反向外延，保证钝化层的完整性，避免破坏钝化效果； [0016] (4)在高氢硅烷的气流比下，在钝化层的纳米晶种上垂直生长掺磷的n型纳米晶硅氧层，晶体的体积分数为40～46％(即特定比例的非晶硅转化为纳米晶硅)；进一步提高氢硅烷的气流比，在背面钝化层的纳米晶种上垂直生长掺硼的p型纳米晶硅层，晶体的体积分数为60～66％； [0017] (5)沉积铈掺杂氧化铟作为透明导电氧化物层，再在透明导电氧化物层上采用无接触激光转移印刷金属电极。 [0018] 其中，步骤(2)中，在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层过程中，通过气体电阻传感器实时监测工作腔体内的气体电阻，在样品台表面设置密度为18～2 19个/cm的二极管(作为电压传感器，反馈电池表面等离子体的轰击强度)用于检测电池表面的轰击电压。电阻传感器将采集到的气体电阻值和二极管检测到的电池表面各点的电压值传输给系统的智能终端；智能终端通过控制不同种类气体进气阀门的开度来进行气体的切换以及气体流速的调节，使电池表面轰击电压的波动值小于初始电池表面电压值的± 0.5％。即使在气体切换或气体流速调节过程中，也能够维持工作腔体内气体电阻恒定，从而实现钝化层表面的低损伤，避免破坏钝化效果。 [0019] 其中，连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层的具体工艺过程为：在190℃下，以硅烷(SiH4)和CO2作为原料气在硅基底层两侧(正面和背面)生长出2～3个原子层厚度且能够抗外延生长的超薄(<0.5nm)氢化非晶硅氧层；CO2:SiH4的气流量比为0.1～0.2:1；当从氢化非晶硅氧层过渡至氢化非晶硅层沉积时，CO2切换为H2进气，调节H2:SiH4的气流量比为18～20:1，从而使等离子体波动电压<±0.5％，在氢化非晶硅氧亚单层上进行另一个无外延氢化非晶硅层的沉积；本发明能够实现在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层，即能够实现第一钝化层到第二钝化层的自然界面过渡，并且整个钝化过程保护了精细的非晶层受等离子体的损伤，尤其是超薄氢化非晶硅氧层的损伤，从而有效提高了其防外延生长的能力；本发明方法得到的钝化层表面完整，如图3所示，而大幅提高本发明电池的光电转换效率。 [0020] 其中，步骤(4)中，在H2:SiH4:PH3气流比为720～780:5:0.1，CO2:SiH4气流比为0.5±0.2下，在钝化层(氢化非晶硅层)纳米晶种上垂直生长掺磷的n型纳米晶硅氧层；断开CO2的进气，进一步提高氢硅烷的气流比至H2:SiH4:B2H6的气流比为2500～2900:5:0.1，在背面钝化层的纳米晶种上垂直生长掺硼的p型纳米晶硅层。 [0021] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本发明能够制得55～130μm厚度下光电转换效率均高于26％的硅异质结太阳能电池，分别在57、74、84、106、125μm厚度上获得了26.06％、26.19％、26.50％、26.56％和26.79％的光电转换效率；其中，57μm厚度电池的开路电压达到了761mV，是目前c‑Si太阳能电池中最高值；57μm厚度电池的功率‑1 重量比达到1.9W·g ，是c‑Si太阳能电池的最高水平；同时，电池减薄也带来了柔性的显著提高，使电池曲率半径可达到19.6mm(57μm)，这为无人机、航天器和其他需要极高重量和灵活性的应用开辟了新的可能性。 附图说明 [0022] 图1为本发明双面硅异质结太阳能电池的结构示意图； [0023] 图2为本发明单面硅异质结太阳能电池的结构示意图； [0026] 图5为本发明硅异质结太阳能电池的主要性能随厚度的变化关系； [0027] 图6为本发明硅异质结太阳能电池的抗电位诱导衰减性能与抗光致衰减性能。 具体实施方式[0028] 实施例1 [0029] 如图1所示，本发明可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池，包括硅基底层1；在硅基底层1正面依次沉积有氢化非晶硅氧层2、氢化非晶硅层3、n型氢化纳米晶硅氧层4和透明导电氧化物层6；在硅基底层1背面依次沉积有氢化非晶硅氧层2、氢化非晶硅层3、p型氢化纳米晶硅层5和透明导电氧化物层6；在透明导电氧化物层6上印刷有金属电极7；其中，硅基底层1正面和背面的透明导电氧化物层6上印刷的金属电极7均为栅线形式。 [0030] 其中，硅基底层1为n型单晶硅，表面采用制绒结构，硅基底层1的厚度为57μm；氢化非晶硅氧层2的厚度小于0.5nm，其中氧原子含量为10at.％，氢含量为26.3at.％；氢化非晶硅层3的厚度为4.5nm，其中氢含量为19.2at.％；n型氢化纳米晶硅氧层4的厚度为15nm，晶体的体积分数为43.7％；p型氢化纳米晶硅层5的厚度为22nm，晶体体积分数为63.4％；透明导电氧化物层6为铈掺杂氧化铟，厚度为70nm；金属电极7为银电极，栅线形式的银电极的宽度为18μm。 [0031] 上述硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤： [0032] (1)对硅基底层进行减薄、制绒处理，具体为：硅片选用150μm厚度M6尺寸(166×166mm±0.25)的n型Czochralski c‑Si单晶硅，呈(100)取向，电阻率为1～3Ω·cm；将硅片浸泡在质量分数为10％的KOH溶液中进行各向同性化学蚀刻，蚀刻时间约为1200s，以减薄晶圆厚度；硅片在添加助剂的KOH溶液中进行制绒，在晶圆表面形成3～9μm尺寸的暴露(111)晶面的四棱锥体，然后用质量分数为1～2％HF溶液进行化学刻蚀，去除晶圆表面的天然SiOx膜，每组晶圆的平均厚度采用称重法测定，精度为±0.5μm； [0033] (2)在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层，形成钝化层，具体为：采用射频增强等离子体化学气相沉积(RF‑PECVD)(13.56MHz)系统，在190℃下，以SiH4和CO2作为原料气在硅基底层两侧(正面和背面)生长出2～3个原子层厚度且能够抗外延生长的超薄(<0.5nm)氢化非晶硅氧层；CO2:SiH4的气流量比为0.15:1；当从氢化非晶硅氧层过渡至氢化非晶硅层沉积时，CO2切换为H2进气，调节H2:SiH4的气流量比为19:1，从而使等离子体波动电压<±0.5％，在氢化非晶硅氧亚单层上进行另一个无外延氢化非晶硅层的沉积； [0034] 在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层过程中，通过气体电阻传2 感器实时监测工作腔体内的气体电阻，在电池表面设置密度为18～19个/cm的二极管(电压传感器，用于反馈电池表面等离子体的轰击强度(轰击电压))用于检测电池表面的轰击电压；电阻传感器将采集到的气体电阻值和二极管检测到的电池表面各个点的轰击电压值传输给系统的智能终端；智能终端通过控制各个气体进气管阀门的开度来进行气体的切换以及调节各个气体的进气流速，使电池表面轰击电压的波动值小于初始电池表面电压值的±0.5％； [0035] (3)利用CO2和H2混合气体在钝化层上进行等离子体预处理，实现将纳米晶播种在钝化层表面，具体为：通过自恢复纳米晶播种和垂直生长诱导(NSVGI)法制备掺杂接触层，通过甚高频等离子体化学气相沉积(VHF‑PECVD)法(40.68MHz)对氢化非晶硅层表面进行CO2和H2混合气体等离子体预处理(CO2:H2的流量比为1:20，处理时间20～50s)；播种纳米晶种子并保留钝化层中的氢含量，从而使钝化层保持最佳钝化效果，同时能够将纳米晶播种限制在钝化层表面，一方面实现诱导后续掺杂纳米晶结的垂直生长，另一方面不会破坏钝化层的钝化效果； [0036] (4)在H2:SiH4:PH3气流比为750:5:0.1，CO2:SiH4气流比为0.5±0.2下，在钝化层纳+米晶种上垂直生长15nm厚的掺磷的n型纳米晶硅氧层(n :nc‑SiOx:H)，作为电子收集层，晶体的体积分数为43.7％，该结晶度下的光学带隙最优；对于背结，断开CO2的进气，进一步提高氢硅烷的气流比至H2:SiH4:B2H6的气流比为2700:5:0.1，在背面钝化层的纳米晶种上垂+ + 直生长22nm厚的掺硼的p型纳米晶硅层(p :nc‑Si:H)，晶体的体积分数为63.4％；n :nc‑+ SiOx:H和p:nc‑Si:H触点在同一腔室中生长，衬底温度为170℃；掺杂接触层的晶体体积分数优化可以提升电池的填充因子与转换效率； [0037] (5)采用掺杂2.8wt.％Ce的氧化铟(In2O3)靶材，在低损伤的反应等离子体沉积(RPD)溅射工具上，以高纯氩气(Ar)为溅射气体，在100℃衬底温度下，在两侧沉积70nm的铈掺杂氧化铟层，RPD过程中离子轰击电压小于30eV，避免损伤纳米晶结和钝化层；在无接触激光转移印刷线宽为18μm的银栅线，并将纵横比优化为0.7； [0040] 仅调整刻蚀时间，其余工艺参数不变，采用实施例1的制备工艺还能够得到74、84、106、125μm厚度的电池，74、84、106、125μm厚度的电池在AM 1.5光谱下进行J‑V曲线测试，其光电转换效率分别为26.19％、26.50％、26.56％和26.79％。 [0041] 图3为电池横截面的高分辨透射电子显微镜照片，可以观察到钝化层无外延生长，并且掺杂接触层纳米晶垂直生长；图4a为采用非连续等离子，钝化层多穿孔，高损伤；图4b采用连续等离子，钝化层完整平滑，低损伤；图5为采用本发明方法制备的不同厚度(57～125μm)电池的性能参数，可以看出本发明方法获得的电池具有良好的转换效率、填充因子、开路电压，及短路电流。 [0042] 图6为采用本发明方法制备的不同厚度(57～125μm)电池均具有可靠的耐候性。 [0043] 实施例2 [0044] 如图2所示，本发明可弯曲且具有高光电转换效率的硅异质结太阳能电池，包括硅基底层1；在硅基底层1正面依次沉积有氢化非晶硅氧层2、氢化非晶硅层3、n型氢化纳米晶硅氧层4和透明导电氧化物层6；在硅基底层1背面依次沉积有氢化非晶硅氧层2、氢化非晶硅层3、p型氢化纳米晶硅层5和透明导电氧化物层6；在透明导电氧化物层6上印刷有金属电极7；其中，硅基底层1正面透明导电氧化物层6上印刷的金属电极7为栅线形式，硅基底层1背面透明导电氧化物层6整面覆盖金属电极。 [0045] 其中，硅基底层1为n型单晶硅，表面采用制绒结构，硅基底层1的厚度为57μm；氢化非晶硅氧层2的厚度小于0.5nm，其中氧原子含量为10at.％，氢含量为26.3at.％；氢化非晶硅层3的厚度为4.5nm，其中氢含量为19.2at.％；n型氢化纳米晶硅氧层4的厚度为15nm，晶体的体积分数为43.7％；p型氢化纳米晶硅层5的厚度为22nm，晶体体积分数为63.4％；透明导电氧化物层6为铈掺杂氧化铟，厚度为70nm；金属电极7为银电极，电池正面栅线形式的银电极的宽度为18μm，电池背面采用全覆盖，即背面银浆刷满。 [0046] 上述硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤： [0047] (1)对硅基底层进行减薄、制绒处理，具体为：硅片选用150μm厚度M6尺寸(166×166mm±0.25)的n型Czochralski c‑Si单晶硅，呈(100)取向，电阻率为1～3Ω·cm；将硅片浸泡在质量分数为10％的KOH溶液中进行各向同性化学蚀刻，蚀刻时间约为1200s，以减薄晶圆厚度；硅片在添加助剂的KOH溶液中进行制绒，在晶圆表面形成3～9μm尺寸的暴露(111)晶面的四棱锥体，然后用质量分数为1～2％HF溶液进行化学刻蚀，去除晶圆表面的天然SiOx膜，每组晶圆的平均厚度采用称重法测定，精度为±0.5μm； [0048] (2)在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层，形成钝化层，具体为：采用RF‑PECVD(13.56MHz)系统，在190℃下，以SiH4和CO2作为原料气在硅基底层两侧(正面和背面)生长出2～3个原子层厚度且能够抗外延生长的超薄(<0.5nm)氢化非晶硅氧层；CO2:SiH4的气流量比为0.15:1；当从氢化非晶硅氧层过渡至氢化非晶硅层沉积时，CO2切换为H2进气，调节H2:SiH4的气流量比为19:1，从而使等离子体波动电压<±0.5％，在氢化非晶硅氧亚单层上进行另一个无外延氢化非晶硅层的沉积； [0049] 在硅基底层上连续沉积氢化非晶硅氧层和氢化非晶硅层过程中，通过气体电阻传2 感器实时监测工作腔体内的气体电阻，在电池表面设置密度为18～19个/cm的二极管(电压传感器，用于反馈电池表面等离子体的轰击强度(轰击电压))用于检测电池表面的轰击电压；电阻传感器将采集到的气体电阻值和二极管检测到的电池表面各个点的轰击电压值传输给系统的智能终端；智能终端通过控制各个气体进气管阀门的开度来进行气体的切换以及调节各个气体的进气流速，使电池表面轰击电压的波动值小于初始电池表面电压值的±0.5％； [0050] (3)利用CO2和H2混合气体在钝化层上进行等离子体预处理，实现将纳米晶播种在钝化层表面，具体为：通过NSVGI法制备掺杂接触层，通过VHF‑PECVD法(40.68MHz)对氢化非晶硅层表面进行CO2和H2混合气体等离子体预处理(CO2:H2的流量比为1:20，处理时间20～50s)；播种纳米晶种子并保留钝化层中的氢含量，从而使钝化层保持最佳钝化效果，同时能够将纳米晶播种限制在钝化层表面，一方面实现诱导后续掺杂纳米晶结的垂直生长，另一方面不会破坏钝化层的钝化效果； [0051] (4)在H2:SiH4:PH3气流比为750:5:0.1，CO2:SiH4气流比为0.5±0.2下，在钝化层纳+米晶种上垂直生长15nm厚的掺磷的n :nc‑SiOx:H层，作为电子收集层，晶体的体积分数为 43.7％，该结晶度下的光学带隙最优；对于背结，断开CO2的进气，进一步提高氢硅烷的气流比至H2:SiH4:B2H6的气流比为2700:5:0.1，在背面钝化层的纳米晶种上垂直生长22nm厚的+ + + 掺硼的p:nc‑Si:H层，晶体的体积分数为63.4％；n:nc‑SiOx:H和p :nc‑Si:H触点在同一腔室中生长，衬底温度为170℃；掺杂接触层的晶体体积分数优化可以提升电池的填充因子与转换效率； [0052] (5)采用掺杂2.8wt.％Ce的In2O3靶材，在低损伤的RPD溅射工具上，以高纯Ar为溅射气体，在100℃衬底温度下，在两侧沉积70nm的铈掺杂氧化铟层，RPD过程中离子轰击电压小于30eV，避免损伤纳米晶结和钝化层；在电池正面无接触激光转移印刷线宽为18μm的银栅线，并将纵横比优化为0.7；在电池背面刷满银浆； [0053] (6)采用热蒸发设备在电池正面覆盖80nm厚的MgF2层；或者采用热蒸发设备在电池正面和背面同时覆盖80nm厚的MgF2层，两者均可； [0054] (7)在AM 1.5光谱下进行J‑V曲线测试，光电转换效率为26.11％。 |
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