一种异质结太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种异质结太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池包括衬底(1)、n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、本征非晶SiOX层(0<x<2)(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)、电极(7)，所述衬底(1)的背面依次生长n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)，所述衬底(1)的正面依次生长本征非晶SiOX(0<x<2)层(4)、P型非晶SiOX(0<x<2)层(5)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)。本发明提供的异质结太阳能电池，相比传统晶硅电池和HIT电池，具有更高的转换效率和更高的工作稳定性。所述制备方法具有节能、方便实施的特点。
【专利说明】一种异质结太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光伏太阳能电池【技术领域】，具体涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]能源危机和环境污染问题促进了清洁能源的广泛研究与应用开发。太阳能光伏发电具有资源充足、清洁、安全、寿命长等优点，已成为可再生能源技术中发展最快、最具活力的研究领域。日前市场上的光伏太阳能电池主要有晶体硅(包括单晶硅、多晶硅)、非晶硅薄膜、碲化镉薄膜及铜铟硒薄膜太阳电池等。
[0003]其中，晶体硅太阳能电池仍占主流，技术也最为成熟，其光电转化效率已达19.5%，但受到制备工艺限制，其转化效率的提高已经达到极限；而非晶硅太阳能电池虽然生产环节原料及能源消耗比较小，但其转换效率比较低，并且稳定性差。
[0004]近年来HIT电池得到了迅速的发展，这种异质结结构的电池综合了晶硅电池和非晶硅电池两者的优点，是一种非常有应用前景的技术。在HIT电池研究及其大规模产业化的过程中，日本的Sanyo公司做出了重要贡献，1991年其在Icm2面积上制备出转化效率为20.0%的HIT电池，2003年，Sanyo公司10cm2电池转化效率达到19.5 %，到2006年，其HIT电池的最高转化效率达到21.8%。2009年5月，Sanyo公司又将HIT池的转化效率提高到23%。被Panasonic收购后的2013年，Sanyo HIT太阳能电池实现了 24.7%的实验室转化效率。
[0005]为了进一步提高异质结太阳能电池的转化效率及其长时间工作的稳定性，有必要对其结构及制备方法进行进一步的优化。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种异质结太阳能电池及其制备方法，所述异质结太阳能电池具有更高的实际功率输出和良好的温度稳定性。所述制备方法具有低温节能、方便实施的优点。
[0007]—种异质结太阳能电池，包括衬底、n+型扩散层、n++型非晶硅薄膜层、本征非晶510)(层(0〈x〈2)、P型非晶Si0x(0〈x〈2)层、TCO薄膜层、电极，其中，所述衬底的背面依次生长n+型扩散层、n++型非晶硅薄膜层、TCO薄膜层，TCO薄膜层上设置电极，所述衬底的正面依次生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层、P型非晶Si0x(0〈x〈2)层、TCO薄膜层，TCO薄膜层上设置电极。
[0008]上述异质结太阳能电池，所述衬底的材料为η型单晶硅，所述η+型扩散层通过热扩散POCl3形成，所述TCO薄膜层的材料为ΙΤ0，所述电极通过丝网印刷银浆烧结而成。
[0009]上述异质结太阳能电池，所述银浆的成份包括银粉80?90wt %、玻璃粉2?5wt%、有机载体10?20wt%。经烧结后电阻率低于2 μ Ω.cm。
[0010]上述异质结太阳能电池，所述电极的宽度为30μηι?60μηι,高度为30μηι?50 μ m。具有低的遮光面积和低的电阻。
[0011]上述异质结太阳能电池,所述衬底的厚度为100 μ m?150 μ m。检测其电阻率为2Ω.αιι?18Ω.ο?，晶格方向为100，此条件下得到的电池具有高的开路电压、高的短路电流、良好的绒面结构。
[0012]上述异质结太阳能电池，所述η+型扩散层的厚度为Inm?1nm, η++型非晶娃薄膜层的厚度为20nm?30nm,本征非晶Si0x(0〈x〈2)层的厚度为Inm?3nm, P型非晶S1x(0<x<2)层的厚度为3nm?8nm, TCO薄膜层的厚度为10nm?150nm。厚度的选择使电池在表面充分钝化的基础上，具有比较高的短路电流和开路电压性能。
[0013]所述TCO薄膜层的方阻为10Ω/ □?30Ω/ □，可以尽量降低对电池串联电阻的影响。
[0014]本发明同时还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法，操作步骤依次包括:
[0015]a.对衬底进行制绒和清洗；
[0016]b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成n+型扩散层；
[0017]c.利用PECVD在n+型扩散层上生长n++型非晶硅薄膜层；
[0018]d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层；
[0019]e.利用PECVD在本征非晶Si0x(0〈x〈2)层上生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层；
[0020]f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜表面和P型非晶Si0x(0〈x〈2)层表面溅射TCO薄膜层；
[0021]g.利用丝网印刷分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷银浆，并利用烧结炉对银浆进行烧结。在150?250°C的温度下进行5分钟至35分钟烧结。
[0022]上述异质结太阳能电池的制备方法，所述步骤a具体操作依次包括:去有机物、制绒、HNO3表面处理、SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
[0023]所述步骤b中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为 3x10 15 ?5x10 18kg/cm3 ；
[0024]在进行步骤c所述操作之前，要对已形成η.型扩散层的衬底进行预处理，预处理的过程依次包括:SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干；
[0025]所述步骤c为在150°C?200°C下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层；
[0026]所述步骤d为在150°C?200°C下通入SiH4、CO2生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层；
[0027]所述步骤e为在150°C?200°C下通入SiH4、B2H6, CO2生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层；
[0028]所述步骤f为在射频磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材，通过加入02、H2调节TCO薄膜层的掺杂；
[0029]所述步骤g中烧结的温度为150°C?250°C，使印刷之后的电极完成固化过程。
[0030]ITO 靶材成分为 90% 的 In2O3,10% 的 SnO2,纯度为 99.999%。
[0031]通过加入02、H2调节TCO薄膜层的掺杂过程中，O2占总通气量的1% -10%, H2占总通气量的的1% -8%,控制膜层厚度10nm,方阻低于30 Ω / 口。
[0032]上述异质结太阳能电池的制备方法，所述步骤a中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10 % -30 % NH4OH和10 % -40 % H2O2的水溶液、1%-10% KOH和5 % -15 %IPA 的水溶液、30% -60% HNO3 和 1% -10% HF 的水溶液、10% -30% NH4OH 和 10% -40%H2O2 的水溶液、10% -30% HCl 和 10% -40% H2O2 的水溶液、I % -5% HCl 1% -5% HF 的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
[0033]上述异质结太阳能电池的制备方法，在进行步骤c所述操作之前，预处理的过程中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10% -30% NH4OH和10% -40% H2O2的水溶液、10% -30% HCl 和 10% -40% H2O2 的水溶液、I % -5% HCl 和 1% -5% HF 的水溶液，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
[0034]经过清洗处理降低硅片表面颗粒度和金属离子含量，能够达到工艺的要求。
[0035]本发明提出了在η型晶硅的背面通过轻扩散生长η.扩散层和通过PECVD法生长η++型非晶硅薄膜，在η型晶硅的正面通过PECVD法生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层和P型非晶S1x(0〈x〈2)层的新型电池结构。本发明提供的异质结太阳能电池，相比传统晶硅电池和HIT电池，具有更高的转换效率和更高的工作稳定性，实验证明本发明的异质结太阳能电池的平均效率在22.8%以上，功率温度系数低至-0.27% /K。
[0036]所提供的制备方法绝大部分工艺都在低于250°C的温度下进行，可以节约能源，制备得到的产品的良率能达到99.5 %。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明所述异质结太阳能的结构示意图。
[0038]图中各标号的含义为:衬底1，n+型扩散层2，n++型非晶硅薄膜3，本征非晶Si0x(0<x<2)层 4，P 型非晶 Si0x(0〈x〈2)层 5，TCO 薄膜层 6，电极 7。
【具体实施方式】
[0039]下面结合具体实施例对本发明所述内容做进一步详细的说明。
[0040]实施例1
[0041]a.对衬底进行制绒和清洗
[0042]选用电阻率为2 Ω μπι、晶格方向为100、厚度为10ym的η型单晶硅衬底25片，
用真空吸笔放入制绒片盒之中。
[0043]将衬底依次经过去有机物、制绒、HNO3表面处理、SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干处理。除风干外，每步处理工艺所用溶液及体积分数分别为10% NH4OH和10% H2O2的水溶液、I % KOH和5 % IPA的水溶液、30 % HNO3和I % HF的水溶液、10 % NH4OH和10 % H2O2的水溶液、10% HCl和10% H2O2的水溶液、I % HCl和1% HF的的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为 75。。、80。。、25。。、75。。、75。。、25。。。
[0044]b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成η.型扩散层
[0045]将经过步骤a处理过的衬底，在5分钟之内放入扩散炉之中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散。POCl3的扩散浓度为3X 10_15kg/cm3，所形成的η.型扩散层的厚度为1nm ；
[0046]随后，要对步骤b已形成n+型扩散层的衬底进行再次处理，处理的过程依次包括:SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干，除风干外，每步工艺所用溶液分别为10% NH4OH和10% H2O2的水溶液、10% HCl和10% H2O2的水溶液、I % HCl和1% HF，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75°C、75°C、25°C。
[0047]c.利用PECVD在η.型扩散层上生长η++型非晶硅薄膜层
[0048]将经过再次处理的衬底在150°C下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3、H2生长n++型非晶硅薄膜层，所形成的n++型非晶硅薄膜层的厚度为20nm。
[0049]d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层
[0050]将生长了 n++型非晶硅薄膜层的衬底在150°C下通入SiH4、CO2生长本征非晶Si0x(0<x<2)层，所形成的本征非晶Si0x(0〈x〈2)层的厚度为3nm。
[0051]e.利用PECVD在本征非晶Si0x(0〈x〈2)层上生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层
[0052]将生长了本征非晶Si0x(0〈x〈2)层的衬底在200°C下通入SiH4、B2H6XO2生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层，所形成的P型非晶Si0x(0〈x〈2)层的厚度为8nm。
[0053]f.利用直流磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层表面和P型非晶Si0x(0〈x〈2)层表面溅射TCO薄膜层(ΙΤ0材料)。
[0054]在直流磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材(In20390 %，SnO21 %，纯度99.999% )，其中O2占总通气量的2%，H2占总通气量的的6%，所形成的TCO薄膜层厚度为150nm,方阻低于25 Ω / 口。
[0055]g.利用银浆分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷电极，并利用烧结炉对电极进行烧结，烧结的温度为250°C，烧结时间为25分钟。烧结之后电极的宽度为60 μ m，高度为 30 μ m,电阻率 1.7 μ Ω.cm。
[0056]实施例2
[0057]a.对衬底进行制绒和清洗
[0058]选用电阻率为2 Ω μπι、晶格方向为100、厚度为150μπι的η型单晶硅衬底25片，
用真空吸笔放入制绒片盒之中。
[0059]将衬底依次经过去有机物、制绒、HNO3表面处理、SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干处理。除风干外，每步处理工艺所用溶液体积分数分别为30% NH4OH和40% H2O2的水溶液、10% KOH 和 15% IPA 的水溶液、60% HNO3 和 10% HF 的水溶液、30% NH4OH 和 40% H2O2 的水溶液、30% HCl和40% H2O2的水溶液、5% HCl和5% HF的的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为 75。。、80。。、25。。、75。。、75。。、25。。。
[0060]b.利用扩散炉在衬底背面扩散POCl3形成n+型扩散层
[0061]将经过步骤a处理过的衬底通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为5X 10-18kg/cm3,所形成的n+型扩散层的厚度为Inm ；
[0062]随后，要对步骤b已形成n+型扩散层的衬底进行再次处理，处理的过程依次包括:SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干，除风干外，每步工艺所用溶液分别为30% NH4OH和40% H2O2的水溶液、30% HCl和40% H2O2的水溶液、5% HCl和5% HF，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。每步工艺所用温度分别为75°C、75°C、25°C。
[0063]c.利用PECVD在η.型扩散层上生长η++型非晶硅薄膜层
[0064]将经过预处理的衬底在200°C下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3> H2生长n++型非晶硅薄膜层，所形成的n++型非晶硅薄膜层的厚度为30nm。
[0065]d.利用PECVD在衬底正面生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层
[0066]将生长了 n++型非晶硅薄膜层的衬底(I)在200°C下通入SiH4、CO2生长本征非晶Si0x(0<x<2)层，所形成的本征非晶Si0x(0〈x〈2)层的厚度为lnm。
[0067]e.利用PECVD在本征非晶Si0x(0〈x〈2)层上生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层
[0068]将生长了本征非晶Si0x(0〈x〈2)层的衬底在150°C下通入SiH4、B2H6、C02生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层，所形成的P型非晶Si0x(0〈x〈2)层的厚度为3nm。
[0069]f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层表面和P型非晶Si0x(0〈x〈2)层表面溅射TCO薄膜层
[0070]在直流磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材(In20390 %，SnO21 %，纯度99.999% )，其中O2占总通气量的2%，H2占总通气量的的6%，所形成的TCO薄膜层厚度为150nm,方阻低于25 Ω / 口。
[0071]g.利用银浆分别在衬底正反面的TCO薄膜层表面印刷电极，并利用烧结炉对电极进行烧结，烧结的温度为250°C，烧结时间为25分钟。烧结之后电极的宽度为30 μ m，高度为 50 μ m,电阻率 1.7 μ Ω.cm。
[0072]实施例3
[0073]为了考察本发明所述异质结太阳能电池的性能，发明人对依照本发明所述异质结太阳能电池的制备方法所制备的实施例1-2的产品进行了抽样检测，每批取三个样品进行检测，具体结果如表1所示。
[0074]表1
【权利要求】
1.一种异质结太阳能电池，包括衬底(l)、n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、本征非晶S1x层(0〈x〈2) (4)1型非晶510)((0〈1〈2)层(5)、TC0薄膜层(6)、电极(7)，其特征在于，所述衬底(I)的背面依次生长n+型扩散层(2)、n++型非晶硅薄膜层(3)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)，所述衬底(I)的正面依次生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层(4)、P型非晶Si0x(0〈x〈2)层(5)、TCO薄膜层(6)，TCO薄膜层(6)上设置电极(7)。
2.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(I)的材料为η型单晶硅，所述η+型扩散层(2)通过热扩散POCl3形成，所述TCO薄膜层(6)的材料为ΙΤ0，所述电极(7)通过丝网印刷银浆烧结而成。
3.根据权利要求2所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述银浆的成份包括银粉80?90wt%、玻璃粉2?5wt%、有机载体10?20wt%。
4.根据权利要求1所述一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述电极(7)的宽度为30 μ m ~ 60 μ m, 1?]-- 30 μ m ?50 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(I)的厚度为100μ m ?150 μ m。
6.根据权利要求1所述的一种异质结太阳能电池，其特征在于，所述n+型扩散层(2)的厚度为Inm?1nm, n++型非晶娃薄膜层(3)的厚度为20nm?30nm,本征非晶Si0x(0〈x〈2)层⑷的厚度为Inm?3nm，P型非晶Si0x(0〈x〈2)层(5)的厚度为3nm?8nm，TC0薄膜层(6)的厚度为10nm?150nm。
7.如权利要求1所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，操作步骤依次包括: a.对衬底(I)进行制绒和清洗； b.利用扩散炉在衬底(I)背面扩散POCl3形成n+型扩散层(2); c.利用PECVD在n+型扩散层⑵上生长n++型非晶硅薄膜层(3); d.利用PECVD在衬底(I)正面生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层(4)； e.利用PECVD在本征非晶S1x(0〈x〈2)层(4)上生长P型非晶S1x (0〈x〈2)层(5)； f.利用磁控溅射分别在n++型非晶硅薄膜层(3)表面和P型非晶Si0x(0〈x〈2)层(5)表面溅射TCO薄膜层(6)； g.利用丝网印刷分别在衬底(I)正反面的TCO薄膜层(6)表面印刷银浆，并利用烧结炉对银浆进行烧结。
8.根据权利要求7所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于， 所述步骤a具体操作依次包括:去有机物、制绒、HNO3表面处理、SCl清洗、SC2清洗、酸洗、风干； 所述步骤b中，通入POCl3作为扩散源并配合使用O2和N2进行扩散，POCl3的扩散浓度为 3x10 15 ?5x10 18kg/cm3 ； 在进行步骤c所述操作之前，要对已形成n+型扩散层(2)的衬底(I)进行预处理，预处理的过程依次包括:SC1清洗、SC2清洗、酸洗、风干； 所述步骤c为在150°C?200°C下通入H2进行界面处理，并通入SiH4、PH3> H2生长n++型非晶硅薄膜层⑶； 所述步骤d为在150°C?200°C下通入SiH4、CO2生长本征非晶Si0x(0〈x〈2)层(4)；所述步骤e为在150°C?200°C下通入SiH4' B2H6' CO2生长P型非晶Si0x(0〈x〈2)层(5)； 所述步骤f为在射频磁控溅射系统中通入Ar气溅射ITO靶材，通过加入02、H2调节TCO薄膜层(6)的掺杂； 所述步骤g中烧结的温度为150°C?250°C。
9.根据权利要求8所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10% -30% NH4OH和10% -40% H2O2的水溶液、I % -10% KOH 和 5% -15% IPA 的水溶液、30% -60% HNO3 和 1% -10% HF 的水溶液、10% -30% NH4OH 和 10% -40% H2O2 的水溶液、10% -30% HCl 和 10% -40% H2O2 的水溶液、1% -5% HCl和1% -5% HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为3分钟、23分钟、0.5分钟、1分钟、1分钟、3分钟、3分钟。
10.根据权利要求8所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，在进行步骤c所述操作之前，预处理的过程中，除风干外，每步工艺所用溶液及体积浓度分别为10% -30% NH4OH和 10% -40% H2O2 的水溶液、10% -30% HCl 和 10% -40% H2O2 的水溶液、1% -5% HCl和1% -5% HF的水溶液，每步工艺所用时间分别为10分钟、10分钟、3分钟、3分钟。
【文档编号】H01L31/20GK104167472SQ201410365636
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】李森, 雷青松, 薛俊明, 王燕增, 杜国杰, 赵学亮, 杨鹏飞, 王珊珊 申请人:河北汉盛光电科技有限公司