晶硅柔性电池及其制备方法与流程

本发明属于光伏领域，具体涉及一种晶硅柔性电池及其制备方法。

背景技术：

目前市面上的太阳能电池很难将柔性、高效以及高电池寿命结合起来。传统晶硅电池拥有较高的电池效率和稳定性以及电池寿命，但做成柔性电池后，在反复弯折的过程中容易出现裂纹和碎片，反复弯折性不好。而新型的太阳能电池如染料敏化太阳能电池、铜铟锡太阳能电池等，可以做成具有反复弯折的柔性电池，但是这些电池的寿命和稳定性都较差。因此，寻求一种不仅稳定性和寿命高，而且反复弯折性能好的太阳能电池成为当务之急。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有良好陷光结构和大光吸收角、光生载流子吸收长度短、光吸收效率高、光电转化效率高和弯折性能优异的晶硅柔性电池及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种晶硅柔性电池，所述晶硅柔性电池包括封装膜和设于封装膜内的电池组件，所述电池组件由下至上依次由铝背电极层、单晶硅基底层、圆柱形硅阵列结构层、PN结层、SiNx钝化层和ITO薄膜层组成。

上述的晶硅柔性电池中，优选的，所述圆柱形硅阵列结构层的阵列单元的直径为1μm～2μm，阵列单元的高为2μm～4μm，相邻阵列单元之间的中心间距为3μm～8μm；和/或，所述PN结层的结深为0.2μm～0.42μm；和/或，所述SiNx钝化层中，Si与N的原子比(即1/x)在0.743与1.014之间，所述SiNx钝化层的厚度为50nm～80nm。

上述的晶硅柔性电池中，优选的，所述单晶硅基底层的厚度为20μm～100μm；和/或，所述ITO薄膜层的光透过率T＞90％，电阻率ρ＜4×10^-4Ω·cm，折射率n为2.1～2.5。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的晶硅柔性电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)化学刻蚀：在单晶硅上进行化学刻蚀，刻蚀出圆柱形硅阵列结构，得到圆柱形硅阵列结构层；

(2)扩散：在圆柱形硅阵列结构层上采用扩散工艺制备PN结，得到PN结层；

(3)制备SiNx钝化层：在PN结层上采用PECVD工艺制备SiNx钝化层；

(4)镀ITO薄膜层：在SiNx钝化层上采用PECVD工艺镀ITO薄膜，得到ITO薄膜层(即Sn掺杂In₂O₃薄膜)；

(5)刻蚀硅背面：在步骤(1)保留的单晶硅背面进行刻蚀剪薄，得到单晶硅基底层；

(6)镀铝背电极：在单晶硅基底层的背面丝网印刷铝浆，经烧结后，得到铝背电极层；

(7)封装：将步骤(1)～(6)分别制备的各结构层组成的电池组件进行封装，得到晶硅柔性电池。

上述的晶硅柔性电池的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述扩散工艺包括如下过程：先在O₂和N₂气氛中于600℃～800℃下氧化3min～5min，然后通POCl₃、O₂和N₂，在扩散温度为800℃～825℃下扩散3min～5min，再升高温度至810℃～835℃，在POCl₃、O₂和N₂气氛中深扩散3min～5min，进一步推深PN结。

上述的晶硅柔性电池的制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，所述PECVD工艺的条件为：真空压力为180Pa～230Pa，镀膜温度为430℃～450℃，通入SiH₄和NH₃，SiH₄与NH₃的气体流量比为4200∶500，射频功率为3500W～4000W。

上述的晶硅柔性电池的制备方法中，优选的，所述步骤(6)中，所述烧结过程如下：先将铝浆烘干，烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为10min～20min，然后在400℃～450℃下烧结30min～60min，再于600℃～900℃下烧结10min～25min，形成欧姆接触。

上述的晶硅柔性电池的制备方法中，优选的，所述步骤(7)中，所述封装的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本发明中，铝背电极层的厚度一般为20μm～30μm。

本发明中，SiNx充当钝化层、光吸收层的作用，当折射率最小时，三层折射率之间符合以下关系：

其中，n₁为SiNx的折射率，n₀为单晶硅的折射率，n₀＝2.39，n₂为封装材料PDMS的折射率，n₂＝1.40，根据公式(1)可知SiNx的折射率，n₁＝1.83薄膜的效果光学性质最优，为了提高少子寿命，n₁取1.9-2.1之间；

根据SiNx的折射率与Si与N元素含量比(原子比)的经验公式：

Si与N比(即1/x)在0.743与1.014之间。

本发明的创新点在于：

本发明在传统晶硅电池的基础上，设计出一种全新的晶硅电池结构，可以反复弯折，是一种高效的柔性电池。本发明是一种3D结构的太阳能电池，在圆柱形硅阵列结构上形成PN结，具有良好的陷光性能，短的光生载流子吸收长度，电池效率高，特殊的3-D微米棒结构可使晶硅柔性电池弯折或者重复弯折，很难产生裂纹，弯曲对电池性能的影响非常小，电池寿命更高。考虑到晶硅具有较长的少子扩散长度，且硅表面有较高的激子复合率，因此圆柱状硅阵列结构进行了优化，将纳米棒的尺度定在微米数量级，这样在保证这种新型电池在具有较的光吸收效率、光电转化效率的同时，降低由于表面复合而造成的损耗。本发明在镀透明导电层ITO之后，拥有刻蚀剪薄的过程，使其更适合于柔性电池。本发明不需要焊接光栅，减少了增光面积，简化了制备步骤，有益于提高产能，降低成本。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明制备的晶硅柔性电池具有与现有技术完全不同的结构设计，特别是具有特殊的3-D微米棒结构(即圆柱形阵列结构)，这种特殊的3-D微米棒结构在弯折或者重复弯折时很难产生裂纹，弯曲对电池性能的影响非常小，电池寿命更高。

2、本发明制备的晶硅柔性电池的光吸收效率更高：(1)拥有良好的陷光结构，大光吸收角；(2)短的光子吸收长度；(3)不需要光栅，可减少遮光面积。

3、本发明制备的晶硅柔性电池的光电转化效率更高：(1)短的光生载流子吸收长度；(2)更大的PN结面积，可及时进行光电转化；(3)硅具有较长的少子扩散长度，且硅表面有较高的激子复合率，因此圆柱状硅阵列结构的尺度在微米数量级，这样在保证这种新型电池在具有较高的光吸收效率、光电转化效率的同时，降低由于表面复合而造成的损耗。

附图说明

图1为本发明的晶硅柔性电池的结构示意图。

图例说明：

1、铝背电极层；2、单晶硅基底层；3、圆柱形硅阵列结构层；4、PN结层；5、SiNx钝化层；6、ITO薄膜层；7、封装膜。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例：

一种本发明的晶硅柔性电池，如图1所示，该晶硅柔性电池包括封装膜7和设于封装膜7内的电池组件，电池组件由下至上依次由铝背电极层1、单晶硅基底层2、圆柱形硅阵列结构层3、PN结层4、SiNx钝化层5和ITO薄膜层6组成。

本实施例中，圆柱形硅阵列结构层3的阵列单元的直径为1.511μm，阵列单元的高为3.24μm，相邻阵列单元之间的中心间距为5.32μm。PN结层4的结深为0.252μm；SiNx钝化层5中，Si与N的原子比为0.875，SiNx钝化层5的厚度为68nm。

本实施例中，单晶硅基底层2的厚度为55μm；ITO薄膜层6的光透过率T＞90％，电阻率ρ＜4×10^-4Ω·cm，折射率n为2.1，铝背电极层1的厚度为27μm。

一种上述本实施例的晶硅柔性电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)化学刻蚀：在单晶硅上进行化学刻蚀，刻蚀出圆柱形硅阵列结构，得到圆柱形硅阵列结构层3；

(2)扩散：在圆柱形硅阵列结构层3上采用扩散工艺制备PN结，得到PN结层4；

(3)制备SiNx钝化层5：在PN结层4上采用PECVD工艺制备SiNx钝化层5，其中，Si与N的原子比为0.875；

(4)镀ITO薄膜层6：在SiNx钝化层5上采用PECVD工艺镀ITO薄膜，得到ITO薄膜层6；

(5)刻蚀硅背面：在步骤(1)保留的单晶硅背面进行刻蚀剪薄，使单晶硅的厚度为55μm，得到单晶硅基底层2；

(6)镀铝背电极：在单晶硅基底层2的背面采用丝网印刷刷涂铝浆，经烧结后，得到铝背电极层1；此时也得到了电池组件，即步骤(1)～步骤(6)制备的各结构层共同组成了电池组件；

(7)封装：采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对电池组件进行封装，形成封装膜7，最终得到晶硅柔性电池。

本实施例的步骤(2)中，扩散工艺条件为：先将带圆柱形硅阵列结构层3的单晶硅在O₂和N₂气氛中于800℃下氧化3min，然后通POCl₃、O₂和N₂，在扩散温度为825℃下扩散5min，再升高温度至835℃，在POCl₃、O₂和N₂气氛中深扩散5min，进一步推深PN结。

本实施例的步骤(3)中，制备SiNx钝化层的PECVD工艺条件为：将步骤(2)得到的中间产品放入PECVD管中进行钝化膜的生长，抽真空至真空度为226.65Pa，并将炉管温度升至430℃，通入SiH₄和NH₃，SiH₄与NH₃的气体流量比为4200sccm∶500sccm(单位为每分钟标准立方厘米)，射频功率为3800W。

本实施例的步骤(6)中，先将铝浆烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为10min，然后在400℃下烧结45min，再于800℃下烧结10min，形成欧姆接触。

经检测，本发明制备的晶硅柔性电池(3-D微米棒结构)在入射角0～60°时，电池效率没有变化，而普通晶硅电池当入射角到60°时电池效率下降12％。可见本发明的晶硅柔性电池具有良好的陷光结构和大光吸收角。

普通晶硅电池光生载流子扩散长度为产生光生载流子的位置到细栅线的距离，这取决于细栅的距离，为厘米的量级。而本发明的光生载流子扩散长度为圆柱形硅阵列结构上PN结到ITO的距离(即PN结的深度加上SiNx钝化层的厚度)，PN结深H可在.2μm～0.42μm，一般为0.252μm，可见本发明大大降低了光生载流子吸收长度，可大大提高电池的电学性能。

本发明的晶硅柔性电池在200次反复弯折试验后，没有出现裂纹、气泡或者破损，其电池为初始效率的93％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。