一种氧化物载流子传输层的硅异质结太阳电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳电池的技术领域，特别涉及一种硅异质结太阳电池的制备方法。

背景技术：

太阳能光伏发电由于具有安全可靠、受地域限制因素较少、可方便与建筑物相结合等优势而得到快速发展。为使其能够大规模应用，关键在于提高太阳电池的光电转换效率、同时降低其生产成本。在众多光伏产品中，硅异质结太阳电池因其转换效率高，制备过程低耗能，生产成本较为廉价等优点受到广泛关注。

参见附图1，传统的硅异质结太阳电池采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法分别制备掺杂的a-Si:H薄膜作为电池的发射层，本征的a-Si:H薄膜作为电池的钝化层。但由于PECVD工艺对沉积设备的要求较高，其真空度、气源、交叉污染等问题的解决是基于高质量、高性能的昂贵设备，所以必然增加产品的价格。此外，由于硅异质结太阳电池的a-Si:H窗口层材料光学带隙较窄，仅为1.7～1.9eV，因此寄生吸收较大，直接导致电池光谱相应的降低。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述存在的问题，通过在太阳电池中引入了制备方法更为简单的宽带隙、高功函数的金属氧化物材料作为硅异质结太阳电池的HSL(Hole selective layer，空穴选择层)，低折射率、低功函数的金属氧化物材料作为电池的ESL(Electron selective layer，电子选择层)。不同于传统硅异质结太阳电池p-n结的构建方式，本发明所涉及的太阳电池内部载流子输运的根本动力为硅片衬底与金属氧化物之间功函数的差，进而造成的载流子迁移效应。相较于传统的PECVD制备工艺，由于金属氧化物制备方法可采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶等简单的制备方式获得，所以器件制备大幅度降低。且由于过渡金属氧化物材料光学带隙较宽，寄生吸收较小，折射率相对较低，从而可以在保证在HSL高透过、ESL高反射的基础上，实现提高电池输出特性与短波响应的目的。

本发明的技术方案：

一种氧化物载流子传输层的硅异质结太阳电池，由正面金属栅线电极M1、透明导电薄膜T、空穴选择层HSL、钝化层I、衬底S、电子选择层ESL、背电极M2组成，所述衬底S形貌为抛光形貌或制绒形貌；结晶情况为单晶或多晶；空穴选择层HSL为氧化钼或氧化钒或氧化钨金属氧化物材料中的一种或多种，HSL层的厚度控制在5～35nm，光学带隙宽度为3～4eV；电子选择层ESL的制备所需要的材料为氧化锌、氧化铟锡、氧化锡中的一种或多种组合，ESL厚度控制在10～200nm。

其具体制备方法包括以下步骤：

一种氧化物载流子传输层的硅异质结太阳电池的制备方法，该方法包括：

在N型硅片衬底S相对的两面沉积上钝化层I；

选择沉积了钝化层的I的N型硅片衬底S中的一面，在钝化层I上沉积电子选择层ESL；

在另一面的钝化层I上沉积空穴选择层HSL，在HSL上沉积透明导电薄膜T；

透明导电薄膜T和电子选择层ESL表面上分别设置电极M₁和M₂；

其中，所述的空穴选择层HSL和电子选择层ESL的材料均为金属氧化物材料。

进一步的，所述的钝化层I薄膜为非晶硅或非晶硅氧合金或非晶硅氮合金或二氧化硅或三氧化二铝中的一种或多种组合。

进一步的，所述的衬底S为单晶硅片或多晶硅片衬底。

进一步的，所述衬底S形貌为抛光形貌或制绒形貌。

进一步的，所述的空穴选择层HSL为氧化钼或氧化钒或氧化钨金属氧化物材料中的一种或多种。

进一步的，电子选择层ESL为下列材料中的一种或者多种材料的混合材料：掺杂氧化锌或掺杂氧化铟锡或掺杂氧化锡材料。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过引入光学特性可控且易于制备的金属氧化物材料作为硅异质结太阳电池的载流子选择层(HSL或ESL)，利用其与N型硅片衬底S之间的功函数差，在衬底S表面形成反型层，构建内建电场，有效降低了载流子在衬底S表面的复合速率，同时该方法相对于传统硅异质结太阳电池的制备工艺，降低了对设备真空度、交叉污染等方面的要求，有利于实现高效低成本硅异质结太阳电池的制备。

本发明的机理分析：

本发明所述一种硅异质结太阳电池的制备方法是在具有双面钝化层I和一面具有低功函数金属氧化物电子选择层ESL的待处理样品上，采用简单的沉积工艺制备一层具有较高功函数的金属氧化物材料作为空穴选择层HSL，之后在前面蒸发透明导电薄膜T、最后在电池正反面分别制备金属电极M1和M2，构成硅异质结太阳电池。本发明将金属氧化物应用于硅异质结太阳电池的载流子选择层中，从工作原理上与传统硅异质结太阳电池有本质差别，由于未掺杂的金属氧化物并未出现明显的p型或n型导电特性，所以它与n型硅片衬底S并未构建常规意义上的p-n结。这里主要是利用金属氧化物与硅片衬底S构建较大的功函数差，使得硅片衬底S中的载流子向金属氧化物迁移，导致晶体硅表面出现载流子耗尽，产生强反型层，从而与硅片衬底S内部构成电场。由于金属氧化物薄膜的制备方法简单，原料成本较低，光学带隙较宽，寄生吸收较小，本发明所述的硅异质结太阳电池的制备方法从而可以在获得高效硅异质结太阳电池的下，进一步降低器件的制备成本的目的。

附图说明

图1传统的硅异质结太阳电池结构示意图。

图2为本发明的硅异质结太阳电池的结构示意图。

图3为本发明的硅异质结太阳电池量子效率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例的一种硅异质结太阳电池的结构如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、空穴选择层HSL、钝化层I、晶体硅S、钝化层I、电子选择层ESL和金属背电极M2。

其中空穴选择层HSL为氧化钼薄膜，厚度为10nm。

电子选择层ESL为n型掺铝氧化锌(AZO)薄膜，厚度为20nm。

晶体硅层S为n型制绒单晶硅。

本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层I。

2.之后选定一面采用磁控溅射的方式沉积AZO薄膜，衬底温度100℃，工作气体为Ar，流量为30sccm，溅射功率50W，溅射时间5min。

3.将待处理样品移入热蒸发设备中，制备空穴选择层HSL。腔室本底真空度10^-3Pa，待处理样品表面温度为室温，采用电阻式加热方式对载有氧化钼原料的钨舟加热，电流为80A，蒸发时间为5min。

4.在空穴选择层上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料作为透明电极T。

5.在电子选择层ESL上面制备金属电极M2，ITO透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到硅异质结太阳电池。本实施例中采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M1和M2。

该种高功函数的氧化钼应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，并采用n型AZO薄膜作为电池的电子选择层ESL，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为75％。

实施例2：

本实施例的一种硅异质结太阳电池的结构如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、空穴选择层HSL、钝化层I、晶体硅S、钝化层I、电子选择层ESL和金属背电极M2。

其中空穴选择层HSL为氧化钒薄膜，厚度为15nm。

电子选择层ESL为掺硼氧化锌(BZO)薄膜，厚度为100nm。

晶体硅层S为n型制绒单晶硅。

本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于紫外臭氧处理机中，紫外灯光照强度35W的情况下处理2min，使硅片正反表面各形成一层二氧化硅钝化层I。

2.选定一面在金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中沉积BZO电子选择层ESL，反应气体为水蒸气、二乙基锌，掺杂气体乙硼烷，氩气为载气携带气体，衬底温度为155℃，腔室的反应压力为133Pa，硅片另一面预备沉积空穴选择层。

3.将待处理样品移入热蒸发设备中，制备空穴选择层HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待处理样品表面温度为室温，采用电阻式加热方式对载有氧化钒原料的钨舟加热，电流为70A，蒸发时间为10min。

4.在空穴选择层上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料作为透明电极T。

5.在电子选择层ESL上面制备金属电极M2，ITO透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到硅异质结太阳电池。本实施例中采用热蒸发制备600nm的Ag金属电极M1和M2。

该种高功函数的氧化钒应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，并采用BZO薄膜作为电池的电子选择层ESL，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为79％。

实施例3：

本实施例的一种硅异质结太阳电池的结构如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、空穴选择层HSL、钝化层I、晶体硅S、钝化层I、电子选择层ESL和金属背电极M2。

其中空穴选择层HSL为氧化钼薄膜，厚度为15nm。

电子选择层ESL为BZO薄膜，厚度为50nm。

晶体硅层S为n型制绒多晶硅。

本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

1.将N型多晶制绒硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层I。

2.选定一面在MOCVD设备中沉积BZO电子选择层ESL，反应气体为水蒸气、二乙基锌，掺杂气体乙硼烷，氩气为载气携带气体，衬底温度为155℃，腔室的反应压力为133Pa。另一面预备沉积空穴选择层。

3.将待处理样品移入热蒸发设备中，制备空穴选择层HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待处理样品表面温度为室温，采用电阻式加热方式对载有氧化钼原料的钨舟加热，电流为100A，蒸发时间为8min。

4.在空穴选择层上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料作为透明电极T。

5.在电子选择层ESL上面制备金属电极M2，ITO透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到硅异质结太阳电池。本实施例中采用热蒸发制备600nm的Ag金属电极M1和M2。

该种高功函数的氧化钼应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，并采用BZO薄膜作为电池的电子选择层ESL，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为82％。

实施例4：

本实施例的一种硅异质结太阳电池的结构如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、空穴选择层HSL、钝化层I、晶体硅S、钝化层I、电子选择层ESL和金属背电极M2。

其中空穴选择层HSL为氧化钼薄膜，厚度为20nm。

电子选择层ESL为BZO薄膜，厚度为150nm。

晶体硅层S为n型平面单晶硅。

本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

1.将N型<100>晶向的平面硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层I。

2.选定一面在MOCVD设备中沉积BZO电子选择层ESL，反应气体为水蒸气、二乙基锌，掺杂气体乙硼烷，氩气为载气携带气体，衬底温度为130℃，腔室的反应压力为100Pa。另一面预备沉积空穴选择层。

3.在空穴选择层上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料作为透明电极T。

4.在电子选择层ESL上面制备金属电极M2，ITO透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到硅异质结太阳电池。本实施例中采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M1和M2。

该种高功函数的氧化钼应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，并采用BZO薄膜作为电池的电子选择层ESL，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为73％。

实施例5：

本实施例的一种硅异质结太阳电池的结构如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、空穴选择层HSL、钝化层I、晶体硅S、钝化层I、电子选择层ESL和金属背电极M2。

其中空穴选择层HSL为氧化钼薄膜，厚度为30nm。

电子选择层ESL为BZO材料，厚度为100nm。

晶体硅层S为n型制绒单晶硅。

本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于硫酸与双氧水3:1配制的溶液中，浸泡时间为3min,使硅片正反表面形成二氧化硅钝化层I。

2.选定一面在MOCVD设备中沉积BZO电子选择层ESL，反应气体为水蒸气、二乙基锌，掺杂气体乙硼烷，氩气为载气携带气体，衬底温度为155℃，腔室的反应压力为150Pa。另一面预备沉积空穴选择层。

3.将待处理样品移入热蒸发设备中，制备空穴选择层HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待处理样品表面温度为室温，采用电阻式加热方式对载有氧化钼原料的钨舟加热，电流为80A，蒸发时间为5min。

4.在空穴选择层上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料作为透明电极T。

5.在电子选择层ESL上面制备金属电极M2，ITO透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到硅异质结太阳电池。本实施例中采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M1和M2。

该种高功函数的氧化钼应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，并采用BZO薄膜作为电池的电子选择层ESL，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为73％。

附图3给出了本发明的硅异质结太阳电池量子效率曲线，从附图可知：采用了氧化物空穴选择层的硅异质结太阳电池在400nm处的量子效率可以超过70％，在500-900nm的宽光谱范围量子效率超过90％。这是由于宽带隙空穴选择层材料的寄生吸收较小，有利于入射光被吸收层所利用，因而对电池的短波响应具有提升的作用，从而有利于提高太阳电池的转换效率。

综上，本发明提供了一种氧化物载流子传输层的硅异质结太阳电池的制备方法，该方法与硅异质结太阳电池制备工艺完全兼容，普遍适用于单晶硅、多晶硅基异质结太阳电池的制备，方法简单易于实现，便于工业化生产。当然，本发明的实施例中并未给出涵盖本发明所有实施方式，如衬底S形貌只以制绒形貌作为实施例进行了描述，但抛光形貌同样可适用于本发明中。另外，在实施例中空穴选择层HSL公开了氧化钼、氧化钒材料，而氧化钨同样可作为空穴选择层HSL，并且上述材料中可一种或多种组合使用。同样的，电子选择层ESL只给出了掺铝氧化锌、掺硼氧化锌的实施例，而本发明中同样可使用掺杂氧化铟锡或掺杂氧化锡，并可同样可一种或多种组合使用，并达到本发明相同的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。