一种基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能光伏电池技术领域，具体涉及一种基于普通硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前硅太阳电池的发展趋势是朝电池更薄、效率更高的方向发展，但是当电池厚度小于少子扩散长度时，电池上下表面的缺陷对电池效率的影响更加显著，这部分的电学损失非常严重。另一方面，由于硅是间接带隙半导体材料，厚度的减小导致对入射光尤其是长波光的吸收减少，而且占入射光的很大一部分的大于娃截止波长的太阳光完全不能被娃电池吸收，这种光学损失很大。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提出一种新的基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池及其制备方法，其优点在于对设备要求较低，制造成本低廉而且安全无毒，同时能够用于制作有较高转换效率的太阳电池。
[0004]本发明提出的基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池的制备方法，具体步骤如下:
(1)制备p-n结，对P型或η型娃片进行掺杂形成ρ-η结；
(2)η型表面钝化，蒸镀一层带正电的二氧化硅钝化层；
(3)P型表面钝化加场效应，蒸镀一层带负电的三氧化二铝；
(4)下表面掺杂上转换材料；
(5)上表面蒸镀二氧化硅和二氧化钛的双层膜作为减反射膜；
(6)制作上下电极。
[0005]本发明中，所述的掺杂形成ρ-η结的方法，包含如下主要步骤:磷胶的旋涂施胶、热扩散烧结。
[0006]本发明中，所述上转换材料，选用含有Yb3+或Er 3+等离子的稀土元素材料。
[0007]本发明中，场效应增强方法，是利用金属氧化物场效应层，增加载流子传输和分离效率。其中，场效应层，其上表面选用带正电的二氧化硅；场效应层，其下表面选用带负电的三氧化二铝。
[0008]本发明中，所述制作上下电极，包括:在背面，丝网印刷铝电极浆料(或蒸镀铝电极)；在上表面，丝网印刷银电极浆料，或蒸镀TiAg或TiPaAg，或者制备透明导电膜TCO。
[0009]本发明在旋涂磷胶烧结法制备ρ-η结的基础上，通过加入上转换材料和场效应钝化，提高了太阳电池的转换效率。同时经过蒸镀减反射膜以及背部铝背场效应，最后加上一些常规的电池电极制作工艺，得到一种基于硅电池的新型结构的太阳电池。
[0010]本发明方法，(I)是在电池Ρ-η结上下表面加入带电的钝化层，η型表面选用带正电的二氧化硅，P型表面选用带负电的三氧化二铝，一方面能够钝化表面的缺陷，另一方面增加载流子传输和分离效率，降低复合速率，从而提高电池效率。(2)是在电池下表面增加上转换材料，可以将硅不能吸收的红外光转换成硅可以吸收的光，从而增加光的利用率。稀土离子掺杂作为上转换材料，将透过Ρ-η结的红外光转换成可见光，再通过电池背部的作为反射镜的铝电极反射进入Ρ-η结内部进行二次吸收，同时通过加入场效应层使其产生更多的电子空穴对，从而提高太阳电池转换效率。提高太阳电池效率的方法之一是增强硅电池对红外波段的吸收以及增加载流子传输，降低复合速率。上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，是能将红外光转换成可见光。稀土上转换发光材料在功能材料方面展示出了强劲的发展趋势，应用领域包括照明、建筑装饰以及工农业、军事、生物医疗方面，同时也可应用在光伏新材料等行业。
[0011]本发明对设备要求较低、成本低廉、安全无毒，是一种新型的制备硅太阳电池的方法，可用于大规模生产。
【附图说明】
[0012]图1为电池结构示意图。
[0013]图2为普通标准硅电池和上转换加场效应新型结构硅太阳电池的测量结果，包括IV曲线、效率等，由太阳光模拟光源AMl.5仪器测试完成，其中Voc为开路电压，Jsc为短路电流密度，FF为填充因子，Eff为电池效率。
[0014]图3为上述两种电池的内量子转换效率。
【具体实施方式】
[0015]以下实施例用以说明本发明，但不用于限制本发明。
[0016]1、原料
硅片:lcmX lcmX0.15mm P型单晶硅双面抛光硅片(100)，电阻率1_3欧姆；磷胶、氨水(浓度25%)、双氧水(浓度30%)、高纯氮气、氢氟酸(浓度20%)、去离子水、高纯氩气、二氧化硅颗粒、三氧化二铝颗粒、铝丝、银颗粒，稀土元素。
[0017]2、设备
台式匀胶机、管式电阻炉、高真空腔、钨丝热电子加热、高真空镀膜机。
[0018]3、工艺参数设定
硅片在混合溶液中蒸煮时间:20分钟磷胶旋涂时间:20秒磷胶旋涂转速:2000转/分钟磷掺杂煅烧:高纯氮气860°C，20分钟
表面钝化加场效应:二氧化硅膜厚度20nm，三氧化二铝膜厚度20nm，高纯氮气425°C退火I小时。
[0019]4、工艺过程
(O将原料P型硅片放在氨水和双氧水体积比为一比一的混合溶液中蒸煮20分钟，之后通过匀胶机将磷胶均匀旋涂在硅片表面上进行磷掺杂，旋涂时间为20秒，转速为2000转每分钟；接下来将硅片放入管式电阻炉中，通入高纯氮气860°C煅烧20分钟进行磷掺杂；待冷却到室温后用氢氟酸和去离子水洗去硅片表面残留的磷胶；
(2)在样品上表面蒸镀20nm厚度的二氧化硅，下表面蒸镀20nm厚度的三氧化二铝；之后在高纯氮气中425°C退火一个小时；
(3)在下表面三氧化二铝上掺杂上转换材料，如含有Yb3+或Er3+等离子的稀土元素材料；
(4)在样品上表面依次蒸镀60nm的二氧化钛膜和90nm的二氧化娃膜；
(5)在样品下表面蒸镀铝电极，之后在高纯氮气中480°C退火5分钟；上表面进行丝网印刷银电极。
[0020]5、结果和分析
在通过磷扩散制作Ρ-η结的基础上，根据本发明方法，加入上转换材料以及表面钝化和场效应，再加上表面减反射膜处理，可得到一种基于硅电池的全新结构太阳电池，得到如图2的电池测量结果，结果表明:相比于普通标准硅太阳电池，开路电压Voc从525mV提高到552mV，短路电流Jsc由达到27.44mA/cm2提高到34.74 mA/cm 2，填充因子从0.693提升至0.786，转换效率Eff由9.81%提高到15.04%。
【主权项】
1.一种基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池的制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)制备p-n结，对P型或η型娃片进行掺杂形成ρ-η结； (2)η型表面钝化，蒸镀一层带正电的二氧化硅钝化层； (3)P型表面钝化加场效应，蒸镀一层带负电的三氧化二铝； (4)下表面掺杂上转换材料； (5)上表面蒸镀二氧化硅和二氧化钛的双层膜作为减反射膜； (6)制作上下电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述掺杂形成Ρ-η结的步骤包括:旋涂磷胶、热扩散烧结。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的上转换材料选用含有Yb3+、Er3+离子的稀土元素材料。
4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的制作上下电极，包括:在背面，丝网印刷铝电极浆料，或蒸镀铝电极；在上表面，丝网印刷银电极浆料，或蒸镀TiAg或TiPaAg，或者制备透明导电膜TCO。
5.一种由权利要求1-4之一制备方法制备得到的基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池。
【专利摘要】本发明属于太阳能光伏电池技术领域，具体为一种基于硅电池的上转换加场效应结构的太阳电池及其制备方法。本发明制备方法的具体步骤包括：制备p-n结，对p型或n型硅片进行掺杂形成p-n结；n型表面钝化，蒸镀一层带正电的二氧化硅钝化层；p型表面钝化加场效应，蒸镀一层带负电的三氧化二铝；下表面掺杂一层稀土离子上转换材料；上表面镀减反射膜；蒸镀上下电极。本发明方法对设备要求较低，成本低廉，安全无毒，且得到一种新型结构的硅太阳电池，可用于大规模生产。
【IPC分类】H01L31-0216, H01L31-18, H01L31-055
【公开号】CN104779305
【申请号】CN201510157384
【发明人】邱迎, 王亮兴, 沈杰, 陆明
【申请人】复旦大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月4日