一种晶体硅太阳电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种晶体硅太阳电池及其制备方法。

背景技术：
随着人类对能源需求量的增加，常规能源储量有限并且不可再生，因此开发可再生能源特别是太阳能越来越受到关注，太阳电池的研究开发也越来越广泛。目前，太阳电池可以分为晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和新型太阳电池。其中，晶体硅太阳电池相比其他类型的电池，有着优异的电学性能和机械性能，因此，晶体硅太阳电池在光伏领域占据着重要的地位。常规晶体硅太阳电池采用丝网印刷金属浆料，再进行高温烧结制备硅片正面的金属前电极，在高温烧结过程中，浆料会穿透硅片表面的SiNx:H钝化减反射层，与发射区形成欧姆接触。由于在高温烧结过程中，浆料中的金属离子会不可避免地扩散进入发射区，这就造成正面金属前电极下面的发射区较高的载流子复合速率，从而导致较高的发射区饱和暗电流密度；并且，常规晶体硅太阳电池背面采用铝背场钝化硅片背面收集多数载流子，由于铝背场具有高缺陷密度的特征，这就限制了硅片背面的钝化效果，造成较高的背场区饱和暗电流密度。目前被产业界广泛研究的背面钝化电池技术采用背面介质钝化和局部铝背场接触电极，虽然可以在一定程度上改善全铝背场造成的背面载流子高复合速率，但由于局部仍然存在金属电极与硅片基区的直接接触，所以在背面接触区不可避免会存在较高的载流子复合速率。现有技术存在的缺陷在于，采用高温烧结形成金属前电极与发射区欧姆接触或金属背电极与硅片直接接触，晶体硅太阳电池中都存在较高的载流子复合速率，导致较高的饱和暗电流密度，最终导致产品缺陷。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种晶体硅太阳电池及其制备方法，用以降低载流子复合速率，进而降低饱和暗电流密度，提高产品性能。本发明晶体硅太阳电池，包括：第一导电类型晶体硅层；覆盖所述第一导电类型晶体硅层正面的第二导电类型晶体硅层；覆盖所述第二导电类型晶体硅层的遂穿介质膜层；位于遂穿介质膜层上的至少一个金属前电极和减反射膜层；其中，所述遂穿介质膜层的厚度范围为0.1nm～10nm。优选的，所述遂穿介质膜层的厚度范围为1.5nm～3nm。优选的，所述遂穿介质膜层的材质为非掺杂的或掺杂的a-Si:H、a-SiCx:H、a-SiOx:H、a-SiNx:H、uc-Si:H、uc-SiC:H、uc-SiO:H、a-AlOx:H、SiO2、Al2O3、In2O3、SnO2、TiO2或ZnO中的任意一种或几种的组合。优选的，所述第一导电类型晶体硅层的材质为p型单晶硅、p型多晶硅、n型单晶硅或n型多晶硅，电阻率范围为0.5～50Ω/cm，厚度范围为25um～250um。优选的，所述第二导电类型晶体硅层的方块电阻的范围为30～150Ω/sq，厚度范围为0.15um～1.5um。对于上述任一种晶体硅太阳电池，还包括：覆盖所述第一导电类型晶体硅层背面的第一导电类型非晶硅层、透明导电膜层和金属背电极。通过在所述第一导电类型晶体硅层背面覆盖第一导电类型非晶硅层、透明导电膜层和金属背电极形成的异质结背电场也可以在第一导电类型晶体硅层背面形成良好的表面钝化，降低了背电场的饱和暗电流密度。优选的，所述第一导电类型晶体硅层和第二导电类型晶体硅层的导电类型相反，所述第一导电类型非晶硅层和第二导电类型晶体硅层的导电类型相反。优选的，所述第一导电类型的非晶硅层为掺杂非晶硅层的单层结构，或缓冲过渡层与掺杂非晶硅层形成的双层结构。较佳的，所述缓冲过渡层材质为a-Si:H、a-SiC:H、a-SiO:H、uc-Si:H、uc-SiC:H、uc-SiO:H、a-AlOx:H、SiO2或Al2O3，所述掺杂非晶硅层的材质为掺杂第一导电类型离子的a-Si:H、a-SiC:H、a-SiO:H、uc-Si:H、uc-SiC:H、uc-SiO:H中的任意一种或几种组合。优选的，所述透明导电膜层的材质为掺杂锡的氧化铟、掺杂铝的氧化锌、掺杂氟的氧化锡中的任意一种或几种的组合，厚度范围为50nm～500nm。优选的，所述金属前电极的材质为Al、Ag、Au、Ni、Cu/Ni、Al/Ni或Ti/Pd/Ag，厚度范围为100nm～100um；所述金属背电极的材质为Al、Ag、Au、Ni、Cu/Ni、Al/Ni或Ti/Pd/Ag，厚度范围为100nm～100um。本发明晶体硅太阳电池的制备方法，包括：对硅片表面进行制绒清洗，所述硅片为第一导电类型晶体硅；在所述硅片正面依次形成第二导电类型晶体硅层、遂穿介质膜层、金属前电极以及覆盖金属前电极和遂穿介质膜层的减反射膜层；刻蚀掉金属前电极表面的减反射膜层。优选的，所述的晶体硅太阳电池的制备方法，在所述刻蚀掉金属前电极表面的减反射膜层之前，还包括：在所述硅片背面依次形成第一导电类型非晶硅层、透明导电膜层和金属背电极。在优选的晶体硅太阳电池的制备方法中，能够将同质发射结和异质结背电场结合在同一个太阳能电池中，减少了载流子复合速率，降低了暗电流密度，得到了高效的晶体硅太阳电池。优选的，所述在所述硅片正面形成第二导电类型晶体硅层，具体为：在所述硅片正面和背面掺杂分别形成第二导电类型晶体硅层；去除所述硅片背面的第二导电类型晶体硅层。在本发明晶体硅太阳电池中，由于隧穿介质膜层既可以传递载流子，又可以对第二导电类型晶体硅层起到钝化作用，因此，减少了发射区载流子复合速率，降低了饱和暗电流密度，因此，大大提高了太阳电池的性能。附图说明图1为本发明晶体硅太阳电池结构示意图；图2为本发明晶体硅太阳电池制备方法流程示意图；图3a～图3j为本发明晶体硅太阳电池制备流程结构示意图。附图标记：1-第一导电类型晶体硅层2-第二导电类型晶体硅层3-隧穿介质层4-金属前电极5-减反射膜层6-第一导电类型非晶硅层7-透明导电膜层8-金属背电极具体实施方式为了解决现有技术中存在的太阳电池较高的载流子复合速率，造成饱和暗电流增大，最终导致产品缺陷的技术问题，本发明提供了一种晶体硅太阳电池及其制备方法。在该技术方案中，采用0.1～10nm的遂穿介质膜层连接金属前电极和第二导电类型晶体硅层，该遂穿介质膜层不仅对金属前电极下的发射区起到良好的表面钝化作用，而且能够有效地传输发射区的载流子到金属前电极，因此，采用本发明技术方案，降低了载流子复合速率，进而降低了发射区饱和暗电流密度，提高了太阳能电池的性能。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。本发明实施例的晶体硅太阳电池，如图1所示，包括：第一导电类型晶体硅层1；覆盖所述第一导电类型晶体硅层1正面的第二导电类型晶体硅层2；覆盖所述第二导电类型晶体硅层2的遂穿介质膜层3；位于遂穿介质膜层3上的至少一个金属前电极4和减反射膜层5；其中，所述遂穿介质膜层3的厚度范围为0.1nm～10nm。在本发明技术方案中，第一导电类型和第二导电类型的导电类型不同，如第一导电类型为p型，则第二导电类型为n型，如第一导电类型为n型，则第二导电类型为p型，本发明并不限制第一导电类型为p型或n型，仅是对导电类型做一个区分；位于遂穿介质膜层3上至少有一个金属前电极4，图1中所示为位于遂穿介质膜层3上有两个金属前电极4；金属前电极4、减反射膜层5及遂穿介质膜层3的关系可以为：至少一个金属前电极4位于遂穿介质膜层3上，减反射膜层5覆盖在遂穿介质膜层3其它表面；或，至少一个金属前电极4位于遂穿介质膜层3上，覆盖在遂穿介质膜层3其它表面的不仅有减反射膜层5还有太阳电池的其他部件。在本发明技术方案中，采用0.1～10纳米（nm）厚度的遂穿介质膜层，例如遂穿介质膜层的厚度为0.1nm、0.5nm、1.2nm、3.5nm、5.5nm、8.0nm或10nm，该遂穿介质膜层的厚度较薄，不仅对金属前电极下的发射区起到良好的表面钝化作用，而且能够有效地传输发射区的载流子到金属前电极，因此采用遂穿介质膜层避免了现有技术高温烧结工艺形成欧姆接触时带来的高的载流子复合速率，降低了发射区饱和暗电流密度，进而提高了晶体硅太阳电池的性能。请继续参照图1所示，本发明实施例的晶体硅太阳电池，还包括：覆盖所述第一导电类型晶体硅层1背面的第一导电类型非晶硅层6、透明导电膜层7和金属背电极8。采用第一导电类型类型的非晶硅层形成异质结背电场，可以在第一导电类型晶体硅层的背面形成良好的表面钝化，又能形成有效的背电场收集多数载流子，并且可以与金属背电极形成良好的欧姆接触，避免了现有晶体硅电池采用的铝背场或局部铝背场带来的较高的载流子复合速率，降低了背电场的饱和暗电流密度；因此，提高了太阳电池的效率，确保了太阳电池的性能。优选的，所述遂穿介质膜层3的厚度范围为1.5nm～3nm。遂穿介质膜层的厚度不易太厚，选为0.1nm～10nm，若该层太厚就会使该层只起到钝化作用，难以传输发射区的载流子到金属前电极，若该层太薄，就会使该层不能起到钝化作用，使得发射区和金属前电极类似于直接欧姆接触，造成较高的载流子复合速率，因此，遂穿介质膜层优选厚度为1.5nm～3nm，例如遂穿介质膜层的厚度为1.5nm、2.0nm、2.5nm或3nm。优选的，所述遂穿介质膜层3的材质为非掺杂的或掺杂的氢化非晶硅（a-Si:H）、氢化非晶碳化硅（a-SiCx:H）、氢化非晶氧化硅（a-SiOx:H）、氢化非晶氮化硅（a-SiNx:H）、氢化微晶硅（uc-Si:H）、氢化微晶碳化硅（uc-SiC:H）、氢化微晶氧化硅（uc-SiO:H）、氢化非晶氧化铝（a-AlOx:H）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）、氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）中的任意一种或几种的组合。优选的，所述第一导电类型晶体硅层1的材质为p型单晶硅、p型多晶硅、n型单晶硅或n型多晶硅，电阻率范围为0.5～50Ω/cm，厚度范围为25～250微米（um），例如第一导电类型晶体硅层1的厚度为25um、50um、70um、100um、130um、180um或250um。第一导电类型晶体硅层主要用于吸收光子，产生载流子。优选的，所述第二导电类型晶体硅层2的方块电阻的范围为30～150Ω/sq，厚度范围为0.15um～1.5um，例如第二导电类型晶体硅层2的厚度为0.15um、0.2um、0.5um、0.75um、1.2um或1.5um。第二导电类型与第一导电类型相反，第二导电类型晶体硅层与第一导电类型晶体硅层形成同质结，主要用于分离载流子。优选的，所述第一导电类型的非晶硅层6为掺杂非晶硅层的单层结构，或缓冲过渡层与掺杂非晶硅层形成的双层结构。较佳的，所述缓冲过渡层材质为氢化非晶硅（a-Si:H）、氢化非晶碳化硅（a-SiC:H）、氢化非晶氧化硅（a-SiO:H）、氢化微晶硅（uc-Si:H）、氢化微晶碳化硅（uc-SiC:H）、氢化微晶氧化硅（uc-SiO:H）、氢化非晶氧化铝（a-AlOx:H）、二氧化硅（SiO2）或氧化铝（Al2O3），所述掺杂非晶硅层的材质为与掺杂第一导电类型离子的a-Si:H、a-SiC:H、a-SiO:H、uc-Si:H、uc-SiC:H、uc-SiO:H中的任意一种或几种组合。第一导电类型的非晶硅层与第一导电类型晶体硅层形成异质结，第一导电类型的非晶硅层既能在硅片背面形成良好的表面钝化，又能形成有效的背电场收集多数载流子，同时与金属背电极形成良好的欧姆接触，避免了现有技术中金属背电极与硅片背面直接形成欧姆接触造成接触区高的载流子复合速率。优选的，所述透明导电膜层7的材质为掺杂锡的氧化铟、掺杂氟的二氧化锡或掺杂铝的氧化锌的任意一种或几种的组合，也可以为其它元素掺杂的氧化铟（In2O3）、氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）中的任意一种或几种的组合，例如其它元素可以为镓等，形成的掺杂氧化物可以为铟镓锌氧化物（IGZO），厚度范围为50nm～500nm，例如透明导电膜层7的厚度为50nm、80nm、100nm、150nm、300um或500nm。透明导电膜层用于收集载流子。优选的，金属前电极4的材质为铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）、铜镍合金（Cu/Ni）、铝镍合金（Al/Ni）或钛钯银合金（Ti/Pd/Ag），厚度范围为100nm～100um，例如金属前电极4的厚度可以为100nm、160nm、300nm、800nm、1um、10um、50um或100um；金属背电极8的材质为铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）、铜镍合金（Cu/Ni）、铝镍合金（Al/Ni）或钛钯银合金（Ti/Pd/Ag），厚度范围为100nm～100um，例如金属背电极8的厚度可以为100nm、160nm、300nm、800nm、1um、10um、50um或100um。金属前电极主要起收集光生电流的作用；金属背电极与透明导电膜层主要用来收集太阳电池背面的载流子，同时形成背面反射层，增加太阳电池的长波光响应。本发明实施例提供一种晶体硅太阳电池的制备方法，如图2所示，包括：步骤101、对硅片表面进行制绒清洗，所述硅片为第一导电类型晶体硅；步骤102、在所述硅片正面依次形成第二导电类型晶体硅层、遂穿介质膜层、金属前电极以及覆盖金属前电极和遂穿介质膜层的减反射膜层；步骤103、刻蚀掉金属前电极表面的减反射膜层。在本发明技术方案中，采用遂穿介质膜层连接金属前电极和第一导电类型晶体硅有效避免了常规的高温烧结电极造成的电极区高复合现象，降低了发射结饱和暗电流密度，进而提高了晶体硅太阳电池的性能。所述晶体硅太阳电池的制备方法，在步骤102和步骤103之间还包括：在所述硅片背面依次形成第一导电类型非晶硅层、透明导电膜层和金属背电极。在本发明技术方案中，在步骤102和步骤103基础上增加上述步骤，采用异质结背电场在硅片背面形成良好的表面钝化和多数载流子收集，避免了现有晶体硅电池采用铝背场和局部铝背场带来的较高复合，降低了背场饱和暗电流密度；同时，太阳电池的正面和背面均采用低温电极，能有效的将同质发射结与异质结背电场结合在同一电池结构中，从而获得具有较高应用价值的高效晶体硅太阳电池。优选的，步骤102中所述在所述硅片正面形成第二导电类型晶体硅层，具体为：在所述硅片正面和背面掺杂分别形成第二导电类型晶体硅层；去除所述硅片背面的第二导电类型晶体硅层。如图3a～图3j所示为本发明一个具体实施例，该实施例描述了晶体硅太阳电池的制备方法及制备的晶体硅太阳电池的结构，该实施例仅以优选的材质和工艺来解释本发明，但本发明不受该实施例的限制，其主要制备工艺流程如下：如图3a所示，对硅片表面进行制绒清洗，具体为采用厚度为200um，电阻率为1Ω/cm的p型单晶硅片1为衬底，该p型单晶硅作为第一导电类型晶体硅层1，即第一导电类型离子为硼、铝等第三主族的元素，采用碱性腐蚀液对硅片表面制绒，形成均匀分布的金字塔结构，然后用RCA标准清洗流程对硅片表面进行清洗；如图3b所示，对清洗完的硅片掺杂第二导电类型晶体硅层2，第一导电类型晶体硅层1与硅片正面的第二导电类型晶体硅层2形成发射结，具体为采用高温磷扩散法对硅片进行磷掺杂，磷、砷等第五主族的元素作为本发明的第二导电类型离子，扩散温度为850℃，方块电阻控制在80-100Ω/sq，优选的方块电阻为100Ω/sq，厚度为0.15um，在硅片正面和背面同时形成第二导电类型晶体硅层，在第二导电类型晶体硅层的外侧形成了磷硅玻璃；如图3c所示，去除硅片背面的第二导电类型晶体硅层2，具体为采用常规的湿法腐蚀方法去除扩散后形成的磷硅玻璃和硅片背面的第二导电类型晶体硅层2；如图3d所示，在硅片正面的第二导电类型晶体硅层2上形成遂穿介质膜层3，具体为采用原子层沉积法（ALD）在第二导电类型晶体硅层2上沉积AlOx遂穿介质膜层，沉积温度为200℃，厚度控制在1.5nm，或者厚度为2nm；如图3e所示，在遂穿介质膜层3上形成金属前电极4，具体为采用电子束蒸发方法，通过掩膜板在AlOx遂穿介质膜层上沉积金属前电极Al，沉积温度为200℃，厚度控制在5um；如图3f所示，在形成金属前电极4的遂穿介质膜层3上形成减反射膜层5，具体为采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法，在遂穿介质膜层3和金属前电极4上沉积SiNx减反射膜层5，沉积温度为300℃，折射率控制在2.05，厚度控制在80nm；如图3g所示，在硅片背面形成第一导电类型非晶硅层6，第一导电类型非晶硅层6与第一导电类型晶体硅层1形成异质结，其中，第一导电类型非晶硅层6由缓冲过渡层和掺杂非晶硅层组成，具体为采用PECVD方法，在硅片背面依次沉积厚度为5nm的缓冲过渡层和厚度为10nm的掺杂非晶硅层，缓冲过渡层可以为未掺杂的非晶硅层，掺杂非晶硅层可以为硼掺杂p型微晶硅层，沉积温度为200℃；如图3h所示，在第一导电类型非晶硅层6上形成透明导电膜层7，具体为采用直流磁控溅射方法，沉积厚度为80nm的AZO薄膜作为透明导电膜层7；如图3i所示，在透明导电膜层7上形成金属背电极8，具体为采用直流磁控溅射方法，沉积厚度为2um的金属Al膜形成金属背电极；如图3j所示，刻蚀掉金属前电极主栅线表面的减反射膜层，具体为采用激光烧蚀方法，去除主栅线上的SiNx减反射膜层。在本发明技术方案中，不采用高温烧结形成金属前电极和发射结的欧姆接触，而是采用遂穿介质膜层连接金属前电极和第二导电类型晶体硅层，遂穿介质膜层的厚度限制在0.1nm～10nm，既能对第二导电类型晶体硅层的表面形成很好的钝化，又能传递载流子，降低了发射区饱和暗电流密度；采用异质结背电场，既能形成良好的表面钝化，又利于收集多数载流子，降低了背电场的饱和暗电流密度；本发明晶体硅太阳电池及其制备方法中，除了高温磷扩散形成第二导电类型晶体硅这一步外，均采用低温工艺，即不高于300摄氏度的温度操作，将具有遂穿介质膜层的金属前电极和异质结背电场统一在一个太阳电池制作工艺中，并将具有遂穿介质膜层的金属前电极和异质结背电场统一在一个太阳电池结构中，降低了饱和暗电流密度，提高了太阳电池的性能，得到了高效的晶体硅太阳电池。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。