一种改善异质结太阳能电池性能的方法与流程

1.本技术涉及改善异质结太阳能电池性能的方法，具体地，本技术涉及改善n型异质结太阳能电池的钝化的方法。


背景技术：

2.异质结太阳能电池通常通过在低温下在晶体和氢化非晶硅层之间形成结来形成。这与常规的太阳能电池相反，在常规的太阳能电池中，发生热扩散以产生极性与晶片的极性相反的掺杂硅区域。
3.异质结太阳能电池结构利用本征的和掺杂的氢化非晶硅的堆叠以在装置的两个表面上提供优异的表面钝化。为了获得出色的表面钝化效果，这些太阳能电池需要很长的本体寿命，因此，它们是使用长寿命n型晶片制成的，无p型掺杂剂。
4.在本说明书中，“n型晶片”是指仅掺杂有n型掺杂剂的晶片，而具有仅痕量浓度的p型掺杂剂(浓度小于1
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10
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/cm3)。不存在p型掺杂剂(特别是硼掺杂剂)减少了光诱导的、与硼
‑
氧缺陷有关的降解机制。
5.异质结太阳能电池的关键挑战之一是，当在高于200℃的温度下退火时，非晶硅层和其上的透明导电氧化物(tco)层通常会降解。这在文献中有详细的记载。因此，在形成异质结结构之后，应避免在高于200℃的温度下进行退火，以最大程度地减少破坏表面钝化和tco性能。
6.这样的低温限制还导致金属触点具有相对较高的电阻，特别是当使用通过例如丝网印刷的技术沉积的浆料时。


技术实现要素：

7.根据第一方面，本发明提供了一种改善n型异质结太阳能电池性能的方法，包括：提供异质结太阳能电池；所述太阳能电池具有n型硅基板和多个金属触点，所述n型硅基板仅掺杂n型掺杂剂，浓度大于1
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cm
‑3；在200℃至300℃之间的温度下用光照射所述太阳能电池的表面部分少于5分钟，所述光具有至少为2kw/m2的强度和一波长，使得所述光被所述表面部分吸收并在所述太阳能电池中产生电子
‑
空穴对；其中照射所述太阳能电池的表面部分的步骤使少于0.5kwh/m2的能量转移到所述表面部分，并且在光照期间所述表面部分的温度以至少10℃/s的速率升高一段时间。
8.在一个实施例中，用光照射太阳能电池的表面部分的步骤使得在光照期间该太阳能电池内的过量载流子浓度为至少1
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cm
‑3。
9.在一个实施例中，光的波长使得多个金属触点中的吸收高于硅基板中的吸收。
10.在一个实施例中，该方法还包括改变光照强度以调节装置的温度。
11.在一个实施例中，照射太阳能电池的表面部分的步骤使得通过使用较高的光照强度将暴露部分迅速加热至预定温度。
12.在一个实施例中，光照强度高于5kw/m2时间小于6分钟。
13.在一个实施例中，光照强度高于20kw/m2时间小于90秒。
14.在一个实施例中，光照强度高于100kw/m2时间小于18秒。
15.在一个实施例中，光照强度高于200kw/m2时间小于9秒。
16.在一个实施例中，光照强度高于50kw/m2时间在0.1秒至9秒之间。
17.在一个实施例中，光的波长在700nm至1100nm之间或在800nm至1000nm之间。
18.在一个实施例中，该方法还包括在光照期间，当光照强度高于4kw/m2时，主动冷却太阳能电池。
19.在一个实施例中，该方法还包括以至少10℃/s的冷却速率将太阳能电池从200℃至300℃的温度主动冷却至至少低50℃的温度。
20.在一个实施例中，太阳能电池以至少20℃/s的冷却速率冷却。
21.在一个实施例中，将太阳能电池冷却至低于150℃的温度。
22.在一个实施例中，该方法还包括使用红外光将装置预热到至少100℃的温度。
23.在一个实施例中，照射太阳能电池的表面部分的步骤在210℃至295℃的温度下进行。
24.在一个实施例中，照射太阳能电池的表面部分的步骤在220℃至290℃的温度下进行。
25.在一个实施例中，照射太阳能电池的表面部分的步骤在230℃至280℃的温度下进行。
26.在一个实施例中，照射太阳能电池的表面部分的步骤在240℃至270℃的温度下进行。
27.在一个实施例中，光照部分的面积大于10cm2。
28.在一个实施例中，光照部分的面积大于100cm2。
29.在一个实施例中，光照部分包括装置的后表面。
30.在一个实施例中，光照部分包括装置的后表面和前表面。
31.在一个实施例中，用光照射太阳能电池的表面部分的步骤在高于250℃的温度下进行少于30秒。
32.在一个实施方案中，用光照射太阳能电池的表面部分的步骤在高于250℃的温度下进行少于10秒。
附图说明
33.尽管存在可以落入本发明的范围内的任何其他形式，为了使读者更加清楚地理解本技术，现在将仅通过示例的方式，参照附图来描述本技术的实施例，其中：
34.图1示出了异质结太阳能电池的示意图；
35.图2示出了改善异质结太阳能电池性能的方法步骤的流程图；
36.图3示出了用于执行图2的方法的设备的示意图；
37.图4示出了性能改善的电测量结果；
38.图5示出了在电池上执行图2的方法之前(a)和之后(b)的工业电池的开路光致发光(pl)图像；
39.图6示出了在执行图2的方法之前和之后的工业电池的串联电阻映射图。
40.图7示出了在执行图2的方法时使用的温度曲线；
41.图8示出了使用图2的方法处理之前和之后的两个不同批次的太阳能电池的效率比较。
42.图9和图10示出了使用图2的方法的不同实施例处理的太阳能电池的电测量结果。详细说明
43.为了促进对本公开的原理的理解，现在参考附图中示出的实施例，并且使用特定语言来描述。然而，应当理解的是，这并不旨在限制本公开的范围。本领域的技术人员通常会想到的是，本文所示的发明特征的任何改变和进一步的变型在本公开的范围内，并且本文所示的本发明原理的任何其他应用，通常对于本领域的技术人员而言是显而易见的。
44.现在参考图1，图1示出了符合当前技术水平的异质结太阳能电池的示意图100。太阳能电池围绕长寿命n型硅晶片102构建。在硅晶片102的后面104和前面106部分形成了厚度高达20nm的两个本征非晶硅层。这些层在太阳能电池的前面和后面提供了出色的表面钝化，并且这些层必须足够薄以允许电荷载流子隧穿太阳能电池触点。
45.在电池100的后面、在本征层104上形成厚度最高达30nm的n型掺杂的氢化非晶硅层108，在电池100的正面、在本征层106上形成厚度最高达30nm的p型掺杂的氢化非晶硅层110。p型掺杂的氢化非晶硅层110提供带弯曲并为电池100产生有效结，而n型掺杂的氢化非晶硅层108提供欧姆接触。
46.通常，氢化非晶硅层108、110在大约200℃的温度下生长。
47.极薄的掺杂非晶硅层108、110缺乏横向导电性以有效地将载流子传输到金属电极114。因此，透明导电氧化物层(tco)112沉积在p型掺杂非晶硅110和n型掺杂的非晶硅108上。这些tco层通常使用氧化铟锡(ito)制成，并且还为装置提供抗反射特性，以增强硅晶片内光子的吸收。
48.一旦形成有效结并沉积了tco层，就在硅晶片102的前表面和后表面上形成金属触点114，以允许从装置中提取电荷载流子。触点114可以通过丝网印刷或金属电镀(例如铜或银)来制备。金属电极中的至少一个以栅格图案形成以允许光进入太阳能电池。在金属沉积之后，将金属在通常低于200℃的温度下短时间固化。例如，用于异质结太阳能电池的领先的工业低温金属化浆料(dupont公司的solamet pv416)规定了退火条件为130℃至180℃，5至60分钟。hereaus的另一种领先浆料(sol560)规定的退火温度低于200℃。金属浆料的固化可以在带式炉输送机中进行。
49.通常，退火工艺会使非晶硅层的性能劣化。对于涉及/需要光照的退火过程尤其如此。据发现，氢的损失和staebler
‑
wronski效应是劣化的原因之一。低温处理还可以避免电池的热应力。
50.近年来，已经研究了涉及光照的退火工艺，以稳定p型cz硅材料和太阳能电池的性能。然而，n型太阳能电池没有从这种退火工艺中受益，因为它们不会因为光引起的降解而不稳定。
51.最近已经证明，在20℃至200℃之间的温度下进行长达48小时的光照退火工艺可能会改善异质结太阳能电池的开路电压。然而，同时，建议不要使用高于200℃的温度以避免非晶硅层的劣化，并且应该限制光照强度以避免将样品加热到200℃以上，特别是当使用
附加的热源时。
52.本公开提供了一种方法，该方法通过在特定条件下在高于200℃的温度下采用光照退火步骤来改善异质结太阳能电池的性能。本领域技术人员应当理解，这种方法还可以应用于基本上基于图1所示构建的异质结太阳能电池结构的其他类型的太阳能电池结构。
53.例如，电池的光接收表面可以是电池的n型或p型侧，并且可以在退火期间在电池的光接收表面(前)或电池后侧上进行光照。
54.另一种选择是以交叉方式在太阳能电池的相同表面上形成n型和p型接触，由此，替代区域在太阳能电池的后表面上具有掺杂n型和掺杂p型非晶硅。在这种结构中，可以对工艺顺序的其余部分进行适当的修改，以避免在n型和p型接触之间分流，例如对透明导电氧化物层进行图案化。在这种情况下，对太阳能电池的前表面的适当改变可以包括使用钝化的电介质堆叠，例如非晶硅或二氧化硅的薄层，并用含氢的抗反射涂层(例如氮化硅)覆盖。
55.现在参考图2，图2示出了改善n型异质结太阳能电池性能的方法步骤的流程图200。在步骤202中，提供包括金属化层的异质结太阳能电池。该太阳能电池使用仅掺杂n型掺杂剂(浓度大于1
×
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cm
‑3)的n型硅基板制造。在步骤204中，用光照射太阳能电池的表面部分；该光具有至少2kw/m2的强度和一波长，使得该光被表面部分吸收并在太阳能电池中产生电子
‑
空穴对。控制光照步骤以在照射太阳能电池的同时将少于0.5kwh/m2的能量提供至光照部分。照射太阳能电池的表面部分的步骤在200℃至300℃之间的温度下进行少于5分钟。在光照期间，表面部分的温度以至少10c/s的速率增加。
56.通常，光照部分的面积大于10cm2且更可能为100cm2。用光照射太阳能电池的表面部分的步骤使得在光照期间太阳能电池内的过量载流子浓度为至少1
×
10
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/cm3。可以选择光波长使得金属触点中的吸收高于硅中的吸收。
57.可以通过激光源或发光二极管进行光照，并且可以使用光学传感器监测温度。可以在退火过程中改变光照强度，并且可以使用光照将装置快速加热到预定温度，并且避免将装置加热到临界温度以上。光照也可能是脉冲的。根据太阳能电池的参数，光照强度可能会高于5kw/m2，时间少于6分钟；20kw/m2，时间少于90秒；100kw/m2，时间少于18秒；200kw/m2，时间少于9秒，或50kw/m2，时间介于0.1秒和9秒之间。
58.在一些情况下，冷却太阳能电池以使其温度从200℃至300℃下降至至少低50℃的温度。可以通过使用热质与太阳能电池接触来实现冷却。移除光照后，可以使热质与电池接触。在一些替代实施例中，在光照的早期阶段或在光照之前，热质也向晶片提供加热。在一些实施例中，在光照期间，热质可能会与太阳能电池接触，从而冷却200℃至300℃范围内的温度。也可以用空气吹过太阳能电池的表面进行冷却。在这种情况下，可以通过调节气流来调节冷却功率。可以实现20℃/s或更高的冷却速率。可以将太阳能电池冷却至低于150℃的温度。
59.可以使用红外光将太阳能电池预热到至少100℃。例如，在210℃至295℃、220℃至290℃、230℃至280℃、240℃至270℃的温度下，进行用光照射太阳能电池的表面部分的步骤。光照部分可以在太阳能电池的前面或前面和后面。有利地，可以在250℃的温度下进行光照小于30秒或小于10秒。
60.使用浆料(例如通过使用印刷工艺)形成电池金属触点。上述退火工艺可用于固化
金属浆料和/或提高金属触点的导电性。或者，可以在金属浆料的固化之后以比用于固化浆料的更高的温度进行光照退火，光照退火还可以用于提高金属触点的导电性。
61.现在参考图3，图3示出了带式炉输送机300，其采用led光源302来执行图2中概述的方法。该设备包括输送异质结太阳能电池306的输送带304。设备300可以是大型太阳能电池生产线的一部分，并且可以布置成执行制造工艺的最后阶段以改善电池的性能。该设备包括预热部分308，光照/退火部分310和冷却元件314。预热部分308包括允许将太阳能电池306的温度提高到高于100℃的温度的红外灯316。光照/退火部分310中的led灯302提供强度为至少2kw/m2的光，该光被太阳能电池306吸收并在太阳能电池306中产生电子
‑
空穴对。led灯302的功率可以根据特定的工艺要求进行调整。以类似的方式，可以通过控制输送带304来控制电池在光照/退火部分310中所用的时间。通常，太阳能电池在光照/退火部分310中所用的时间少于1分钟，并且绝对少于5分钟。冷却元件314允许在退火期间以至少为10℃/s的冷却速率将太阳能电池306从200℃至300℃的温度主动冷却到至少低50℃的温度。
62.可以用于执行该工艺的商业制造的串联工具实例使用电子控制的风扇作为冷却元件314。光照/退火部分310中的总体温度分布与红外灯316、led灯302和冷却元件314之间的相互作用直接相关。
63.图3的设备300允许使用诸如led之类的低成本光源串联处理异质结太阳能电池。可以使用替代处理设备来执行采用激光光源的方法。替代设备可能不串联配置并一次处理多个太阳能电池，其将每个单独的电池带到照明台(例如使用机械臂)，用激光照射该电池，然后将电池从照明台移走(可以使用相同的机械臂)。在这种情况下，可以使用压缩空气流进行主动冷却。
64.本领域技术人员将理解，还可以设想装置的其他替代构造。
65.图2中概述的方法可以改善n型异质结太阳能电池的多个参数，包括串联电阻、表面钝化和/或开路电压。
66.图4显示了在处理之前和之后(a)单个电池的电流密度
‑
电压特性。其中插图示出了面积归一化的r
s
的变化。箱形图描绘了效率(b)、开路电压(c)和填充因子(d)的变化。
67.用于测量图4所示数据的电池是在工业环境中制造的，并具有符合图1的结构。重要的是，这些电池是双面的，156mm
×
156mm，并带有5个汇流排。
68.在多功能工艺之前和之后，使用wavelabs sinus 220进行1sun电流
‑
电压(i
‑
v)测量。在后电池处理之前和之后，使用bt成像lis
‑
r3发光成像工具获得光致发光(pl)图像。使用相同的工具来生成串联电阻映射图。使用suns
‑
v
oc
方法计算面积归一化的串联电阻值，从而在suns
‑
v
oc
和1sun i
‑
v数据之间比较最大功率点电压。
69.在制造之后，对工业电池进行根据本发明实施方式的处理。表1显示了该过程中的平均光伏性能值。结果表明效率提高了0.7％的绝对值；如图4(b)中的凹口箱形图所示。表1.处理前后工业电池的平均光伏特性
70.未观察到短路电流密度(j
sc
)的统计学显着变化，因此推测效率的提高与v
oc
和填充因子(ff)的变化有关。
71.现在参考图5，图5示出了处理之前(a)和之后(b)工业电池的开路pl图像。图像是使用0.5sun的光照强度拍摄的。
72.可以观察到pl计数显着增加，这与v
oc
的增加相匹配。该图像提供了电压增加与整个电池上的空间均匀性改善有关的证据。这种pl强度和隐含的v
oc
增加可能是由于表面钝化的改善引起的。在异质结前驱物寿命结构上执行的相同过程表明暗饱和电流密度提高了2倍，确认改善了表面钝化。
73.还可以观察到ff的显着提高。如图4(a)所示，对于改进程度最高的电池，该过程将面积归一化的串联电阻(r
s
)从0.79ω
·
cm2降低至0.37ω
·
cm2。
74.现在参考图6，图6示出了在执行该方法之前(a)和之后(b)工业电池的串联电阻映射图。图6(c)所示的图像示出了处理后r
s
的百分比变化。图6(d)是从(a)和(b)中提取的直方图，描绘了r
s
的空间变化。
75.关于电阻的空间信息在执行退火过程之后显示出较暗的图，这表示r
s
降低。图6(c)示出了整个电池中r
s
的相对百分比变化。该图中的暗区表示r
s
降低。这表明r
s
在指之间和母线处均降低。但是，在电池的中间存在一个r
s
不变甚至可能增加的区域。r
s
的空间变异变化如图6(d)的直方图所示。根据直方图，该过程不仅导致峰值r
s
降低，而且还显着降低r
s
的空间变异。执行该过程后，初始电池在r
s
>1.00ω
·
cm2处可观察到的第二峰值消失。
76.图7和图8示出了温度分布图，这些温度分布图在对用于获得图4至图6所示测量结果的电池进行光照退火处理时使用。
77.图7中的曲线清楚地表明，在电池温度超过200℃的情况下实现了改善。图7(a)示出了使用具有第一温度设置(200℃)的激光源进行30秒光照退火过程的电池温度曲线，图7(b)示出了使用具有第二温度设置(250℃)的激光源进行10秒光照退火过程的电池温度曲线。用于照射电池的激光强度约为100sun或100kw/m2。
78.在两种情况下，当电池温度远高于200℃阈值时，可以获得与文献中报道的相比改进的性能。在光照周期开始时，电池经历的加热速率超过10℃/s。
79.图8示出了使用图2的方法处理之前和之后的两个不同批次的太阳能电池的效率比较。可以看出，尽管两种类型的电池的初始效率不同，但是在这种温度范围内处理可有效地改善电池性能。两批电池使用图2的方法获得的性能改进相当，并且在同一批次的所有电池中是一致的。
80.图9和图10示出了使用基于激光的设备和基于led的设备，使用图2的方法的不同实施例处理的工业n型硅太阳能电池的电测量结果(图9和图10的四个图中的最后一组测量点)。这些结果表明，在200℃至300℃范围内的各种热条件下，填充因子和v
oc
均得到提高。图10(b)表明，在设定温度为200℃的条件下进行激光处理可获得最高的性能改善。这对应于具有如图7(a)所示的热分布的激光处理。以上参考图4至图10概述的结果涉及本文公开的改善n型异质结电池性能的方法的一些实施方案。该技术不限于这些实施方式。该方法的其他实施方案在以下实施例中描述。实施例1
81.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。随后，在200℃至300℃的温度下，用500nm至1100nm波长、以至少2kw/m2的光子强度照射该装置，以在太阳能电池中产生过量的少数载流子，持续时间少于15分钟，确定光照过程的持续时间以确保将小于0.5kwh/m2的光子的总能量通量传输到装置。随后，将装置冷却。实施例2
82.提供金属化的n型异质结太阳能电池，由此，利用金属化浆料的丝网印刷形成银触点，并且浆料已经在一定温度(t1)下固化。
83.可选地，使用可控制温度的热质与太阳能电池接触，将太阳能电池预热至高于100℃的温度，由此将热质的温度设定为高于100℃的温度。
84.随后，在200℃至300℃的t2温度下，使用激光源，用800nm至1000nm波长、以至少5kw/m2的光子强度照射少于15分钟，因此温度高于用于固化金属浆料的温度t1。确定光照过程的持续时间以确保将小于0.5kwh/m2的光子的总能量通量传输到装置。光照用于在装置内生成浓度超过1
×
10
16
/cm3的过量载流子。
85.在光照过程中，使用热质主动冷却装置，以将装置的温度限制在300℃以下。
86.随后，以至少为10℃/s的冷却速率将装置从在200℃至300℃的范围内的所述温度t2冷却到比t2低至少50℃的温度t3。这可以通过降低光照源的强度或完全去除光照源来实现。冷却还可以通过在去除光照源之后从热质中去除太阳能电池来实现。从热质中去除太阳能电池后，可以利用空气吹过太阳能电池表面或通过使太阳能电池与温度低于200℃的另一热质接触来进一步冷却太阳能电池。实施例3
87.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。可选地，使用全面积后金属化层。
88.使太阳能电池与设定温度为250℃的热质接触，并使用真空抽吸来使之与热质良好热接触。
89.随后，使用激光源，用800nm至1000nm波长、以至少50kw/m2的光子强度同时照射设备的整个前表面超过200cm2的面积少于10秒钟。
90.在光照过程中，使用热质主动冷却装置，以将装置的温度限制在300℃以下。
91.随后，光照源从太阳能电池中移除。太阳能电池也从加热的热块中移除，并与另一个温度低于200℃的热质接触。实施例4
92.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。使太阳能电池与设定温度为250℃的热质接触，并使用真空抽吸来使之与热质良好热接触。随后，使用激光源，用800nm至1000nm波长、以50kw/m2‑
100kw/m2的光子强度照射少于10秒钟。
93.在光照过程中，使用热质主动冷却装置，以将装置的温度限制在275℃以下。
94.随后，光照源从太阳能电池中移除。太阳能电池也从加热的热块中移除，并与另一个温度低于200℃的热质接触。实施例5
95.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。通过一系列销将太阳能电池移动到处理阶段，以最大程度地减少与太阳能电池接触的热质。随后，使用激光源，用800nm至1000nm波长、以至少50kw/m2的光子强度照射装置。在光照过程中，使用光学传感器监测太阳能电池
的温度。随后，当太阳能电池达到250℃至300℃范围内的预定温度，便移除光照强度。随后，用空气吹过太阳能电池的表面以帮助冷却设备。实施例6
96.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。通过一系列销将太阳能电池移动到处理阶段，以最大程度地减少与太阳能电池接触的热质。随后，使用激光源，用800nm至1000nm波长、以至少50kw/m2的光子强度照射装置。在光照过程中，使用光学传感器监测太阳能电池的温度。随后，调节光照强度维持在200℃至300℃范围内的预定温度下。确定该过程的持续时间以确保将小于0.5kwh/m2的总能量通量传输到装置。随后，将光照从装置中移除，用空气吹过太阳能电池的表面以帮助冷却设备。实施例7
97.提供了金属化的n型异质结太阳能电池。然后在具有多个区域的带式炉输送机中对太阳能电池进行处理，该区域包括加热区、光照区和冷却区。可选地，在加热区中，使用红外灯将装置加热到大于100℃的温度。随后，在光照区中，以5kw/m2的强度在225℃的温度下照射装置少于45秒。可选地，使用风扇冷却被用于在光照区限制太阳能电池的加热。可选地，该光照过程用于固化太阳能电池的至少一个表面上的金属浆料。
98.确定过程的持续时间和皮带速度，以确保将小于0.5kwh/m2的总能量通量输送至装置。
99.随后，利用风扇将空气吹过太阳能电池的表面，从而在冷却区中以超过10℃/s的冷却速率冷却该装置。
100.应当理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施方式，并不旨在进行限制，本公开的范围将仅由权利要求及其等同物限制。