叠层电池的中间串联层及生产方法、叠层电池与流程

[0001]
本发明涉及光伏技术领域，特别是涉及一种叠层电池的中间串联层及生产方法、叠层电池。


背景技术：

[0002]
叠层光伏器件可以将太阳光分成多个波段，从正面到背面，依次采用带隙逐渐减小的太阳能电池单元吸收不同能量的太阳光，以拓宽对太阳光的光谱响应波段，减少能量损失，因此，叠层光伏器件具有广泛的应用前景。
[0003]
叠层光伏器件中不同的电池单元之间，通常采用中间串联层串联各个电池单元。但是，现有技术的中间串联层的垂直导电性差。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供一种叠层电池的中间串联层及生产方法、叠层电池，旨在解决叠层光伏器件的中间串联层的垂直导电性差的问题。
[0005]
根据本发明的第一方面，提供了一种叠层电池的中间串联层，包括：
[0006]
透明导电氧化物复合层；所述透明导电氧化物复合层包括透明导电氧化物薄膜层、以及位于所述透明导电氧化物薄膜层的向光面界面处或背光面界面处松散分布的纳米金属颗粒；
[0007]
或，隧穿复合结；所述隧穿复合结包括层叠设置的p型掺杂硅层、n型掺杂硅层、以及位于所述p型掺杂硅层表面界面处松散分布的纳米金属颗粒。
[0008]
本发明实施方式中的透明导电氧化物复合层，从很大程度上避免空穴和电子的无效复合，使得位于透明导电氧化物复合层两侧的空穴和电子几乎均在透明导电氧化物复合层内有效复合，增加了垂直方向上的导电性，降低了叠层电池中不同电池单元之间的串联电阻，降低了旁路漏电的发生。或，隧穿复合结从很大程度上避免空穴和载流子的无效复合，使得位于隧穿复合结两侧的空穴和载流子几乎均在隧穿复合结内有效复合，增加了垂直方向上的导电性，降低了叠层电池中不同电池单元之间的串联电阻，降低了旁路漏电的发生。增强的垂直方向上的导电性，降低了串联连接的电阻损耗，也有利于通过中间串联层的旁路电流损耗，提高了电池效率。同时，松散分布的纳米金属颗粒，对中间串联层的透明性影响很小。上述中间串联层可以适用于各种电池单元之间的串联。
[0009]
可选的，所述纳米金属颗粒在所述透明导电氧化物薄膜层上的投影的面积，占所述透明导电氧化物薄膜层的面积的比例小于或等于5％；
[0010]
所述纳米金属颗粒在所述p型掺杂硅层上的投影的面积，占所述p型掺杂硅层的面积的比例小于或等于5％。
[0011]
可选的，所述纳米金属颗粒的粒径为0.1-10nm；
[0012]
所述透明导电氧化物复合层、所述隧穿复合结的透光率均大于或等于80％。
[0013]
可选的，所述纳米金属颗粒中的金属为高功函数金属；
[0014]
所述透明导电氧化物复合层、所述隧穿复合结的厚度均为20-200nm。
[0015]
可选的，所述隧穿复合结还包括钝化隧穿层；所述钝化隧穿层层叠设置在所述n型掺杂硅层远离所述p型掺杂硅层的一侧；所述钝化隧穿层的材料为氧化硅、氧化铝、氮氧化硅中的一种。
[0016]
可选的，所述纳米金属颗粒的材料选自镍、铂、钯、金中的至少一种。
[0017]
可选的，所述p型掺杂硅层的掺杂浓度大于或等于10
18
cm-3
。
[0018]
根据本发明的第二方面，还提供一种叠层电池的中间串联层的生产方法，包括如下步骤：
[0019]
沉积透明导电氧化物薄膜层；
[0020]
使用物理沉积的方式，在所述透明导电氧化物薄膜层的向光面或背光面沉积松散分布的纳米金属颗粒；
[0021]
或，
[0022]
沉积n型掺杂硅层；
[0023]
在所述n型掺杂硅层上沉积p型非晶硅层；
[0024]
在所述p型非晶硅层上沉积金属层；
[0025]
在130-500℃下退火。
[0026]
根据本发明的第三方面，还提供一种叠层电池，包括：
[0027]
下层电池单元；
[0028]
上层电池单元；所述上层电池单元的背光面具有第一载流子传输层；所述上层电池单元的带隙宽度大于所述下层电池单元的带隙宽度；
[0029]
如前任一所述的中间串联层；所述中间串联层位于所述下层电池单元和所述上层电池单元之间；
[0030]
在所述第一载流子传输层为空穴选择层的情况下，所述透明导电氧化物薄膜层中分布有纳米金属颗粒的一面，靠近所述第一载流子传输层；或，所述p型掺杂硅层靠近所述第一载流子传输层；
[0031]
在所述第一载流子传输层为电子选择层的情况下，所述透明导电氧化物薄膜层中分布纳米金属颗粒的一面，靠近所述下层电池单元的向光面；或，所述n型掺杂硅层靠近所述第一载流子传输层。
[0032]
上述叠层电池的中间串联层的生产方法、叠层电池，具有与前述叠层电池的中间串联层相同或相似的有益效果。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1示出了本发明实施方式中的第一种叠层电池的中间串联层的结构示意图；
[0035]
图2示出了本发明实施方式中的第二种叠层电池的中间串联层的结构示意图；
[0036]
图3示出了本发明实施方式中的第三种叠层电池的中间串联层的结构示意图；
[0037]
图4示出了本发明实施方式中的第一种叠层电池的结构示意图；
[0038]
图5示出了本发明实施方式中的第二种叠层电池的结构示意图。
[0039]
附图编号说明：
[0040]
1-透明导电氧化物复合层，11-透明导电氧化物薄膜层，12-纳米金属颗粒，2-隧穿复合结，13-p型掺杂硅层，14-n型掺杂硅层，15-钝化隧穿层，3-下层电池单元，31-晶体硅吸收体，32-空穴传输层，33-电子传输层，4-上层电池单元，41-第一载流子传输层，42-上层电池单元的吸收体，43-第二载流子传输层，5-背面钝化层，6-背面电极，7-钝化减反层，8-正面电极。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0042]
发明人发现叠层光伏器件的中间串联层的垂直导电性差的原因主要在于：位于中间串联层同一侧的空穴和电子容易发生无效复合，使得位于中间串联层两侧的空穴和电子在中间串联层内的有效复合减少。本发明，中间串联层，避免第一载流子和第二载流子的无效复合，使得位于中间串联层两侧的不同类型的第一载流子和第二载流子几乎均在中间串联层内有效复合，进而增加了垂直方向上的导电性。
[0043]
下面结合附图详细介绍本发明实施例，参照图1所示，图1示出了本发明实施方式中的第一种叠层电池的中间串联层的结构示意图。该叠层电池的中间串联层包括：透明导电氧化物复合层1，透明导电氧化物复合层1包括透明导电氧化物薄膜层11、以及位于透明导电氧化物薄膜层11的向光面界面处或背光面界面处松散分布的纳米金属颗粒12。纳米金属颗粒12具体位于透明导电氧化物薄膜层11的背光面表面还是靠近背光面的区域，或者，纳米金属颗粒12具体位于导电氧化物薄膜层11的向光面表面还是靠近向光面的区域，不作具体限定。导电氧化物薄膜层11的向光面为叠层电池中，导电氧化物薄膜层11接收光照的一面，导电氧化物薄膜层11的背光面为与其向光面相对的表面。纳米金属颗粒12之间是否有间隙，以及间隙大小不作具体限定。
[0044]
透明导电氧化物薄膜层11即为tco层，具体为ito(氧化铟锡)薄膜、azo(铝掺杂的氧化锌)薄膜、gzo(镓掺杂的氧化锌)薄膜、fto(氟掺杂的氧化锡)薄膜、iwo(钨掺杂的氧化铟)薄膜、bzo(硼掺杂的氧化锌)薄膜和石墨烯薄膜中的一种或多种叠层构成。可选的，透明导电氧化物薄膜层11的厚度为20-200nm。透明导电氧化物薄膜层11与下层电池单元，如晶体硅太阳电池的吸收体的折射率匹配，可以降低界面处的反射，增加更多的光线透射到下层电池单元的吸收体。
[0045]
由透明导电氧化物薄膜层、以及位于透明导电氧化物薄膜层11的向光面界面处或背光面界面处松散分布的纳米金属颗粒12形成的透明导电氧化物复合层，从很大程度上，避免空穴和电子的无效复合，使得位于透明导电氧化物复合层1两侧的不同类型的空穴和电子几乎均在透明导电氧化物复合层1内有效复合，进而增加了垂直方向上的导电性，降低了叠层电池中不同电池单元之间的串联电阻，降低了旁路漏电的发生。增强的垂直方向上
的导电性，降低了串联连接的电阻损耗，也有利于通过中间串联层的旁路电流损耗，提高了电池效率。同时，松散分布的纳米金属颗粒12，对中间串联层的透明性影响很小。
[0046]
需要说明的是，少数纳米金属颗粒12还可能分布在透明导电氧化物薄膜层11中，同样可以增强垂直方向上的导电性，降低了串联连接的电阻损耗。
[0047]
本发明实施例中，可以先沉积好透明导电氧化物薄膜层11，然后用物理沉积的方式如热蒸发、磁控溅射的方式，控制纳米金属颗粒12沉积量，以形成在透明导电氧化物薄膜层11的向光面界面处或背光面界面处松散分布的纳米金属颗粒12，避免形成一整层。
[0048]
在本发明实施方式中，参照图2所示，图2示出了本发明实施方式中的第二种叠层电池的中间串联层的结构示意图。该叠层电池的中间串联层包括：隧穿复合结2，隧穿复合结2包括层叠设置的p型掺杂硅层13、n型掺杂硅层14、以及位于p型掺杂硅层13表面界面处松散分布的纳米金属颗粒12。隧穿复合结2从很大程度上避免空穴和载流子的无效复合，使得位于隧穿复合结2两侧的空穴和载流子几乎均在隧穿复合结2内有效复合，增加了垂直方向上的导电性，降低了叠层电池中不同电池单元之间的串联电阻，降低了旁路漏电的发生。增强的垂直方向上的导电性，降低了串联连接的电阻损耗，也有利于通过中间串联层的旁路电流损耗，提高了电池效率。同时，松散分布的纳米金属颗粒12，对中间串联层的透明性影响很小。
[0049]
需要说明的是，少数纳米金属颗粒12还可能分布在p型掺杂硅层13中，同样可以增强垂直方向上的导电性，降低了串联连接的电阻损耗。
[0050]
上述p型掺杂硅层13可以为：p型掺杂的非晶硅层，或p型掺杂的部分结晶层，或p型掺杂的多晶硅层。如，p型掺杂硅层13为p型掺杂的纳米晶硅层。在本发明实施例中，对此不作具体限定。上述n型掺杂硅层14可以为：n型掺杂的非晶硅层，或n型掺杂的部分结晶层，或n型掺杂的多晶硅层。如，n型掺杂硅层14为n型掺杂的纳米晶硅层。在本发明实施例中，对此不作具体限定。
[0051]
n型掺杂硅层14可以都是通过常规的化学气相沉积方式沉积，原位掺杂或后掺杂不同掺杂剂的方式分别形成n型掺杂。如，n型掺杂硅层14为n型纳米晶硅层或n型多晶硅层，通过常规的方式形成。
[0052]
p型掺杂硅层13可以是由金属颗粒与p型掺杂非晶硅层通过低温诱导反应而形成，反应温度在130-500℃。诱导反应可在130-500℃条件下进行，温度高会促进反应进行，最高加热温度不超过500℃。非晶硅可以使用各种工艺来沉积，例如由等离子体激发或热激发支持的化学气相沉积工艺。诸如溅射或含硅材料的印刷或旋涂的替代工艺也可用于沉积非晶硅层。非晶硅层的p型掺杂可为在沉积过程中或随后原位进行。例如从气相的热扩散、离子注入或通过印刷工艺或旋涂并且随后进行热驱动的掺杂剂施加等工艺可用于随后的掺杂。相对于现有技术中，需要高温步骤才能将非晶硅转换为多晶硅而言，本申请中通过低温金属诱导即可，无需高温步骤，降低了高温过程对叠层电池的各部分的不利影响。在低温诱导非晶硅结晶的过程中，金属会以纳米金属颗粒12的形式重新析出，分布在p型掺杂硅层表面，以显著降低接触复合，并降低接触电阻率和叠层电池的中间串联层的串联电阻，进而提高电池效率。
[0053]
可选的，纳米金属颗粒12中的金属为高功函数金属，上述高功函数金属的纳米金属颗粒12与透明导电氧化物薄膜层11结合后形成的透明导电氧化物复合层1一侧利于空穴
的传输，另一侧利于电子的传输，进而，进一步提升透明导电氧化物复合层1的垂直导电性。同样的，由上述高功函数金属的纳米金属颗粒12形成的隧穿复合结2一侧利于空穴的传输，另一侧利于电子的传输，进而，进一步提升透明导电氧化物复合层1的垂直导电性。
[0054]
可选的，p型掺杂硅层的掺杂浓度大于或等于10
18
cm-3
，以允许产生与其接触的层的隧穿接触。
[0055]
可选的，纳米金属颗粒12中的金属的功函数为5-7ev，进一步增强中间串联层的垂直导电性，进一步降低接触电阻。
[0056]
可选的，纳米金属颗粒12的材料选自镍(ni)、铂(pt)、钯(pd)、金(au)中的至少一种，上述材料使得中间串联层的一侧利于空穴的传输，另一侧利于电子的传输，进而，进一步提升中间串联层的垂直导电性。同时，上述ni、pt、pd与硅接触时，金属原子以间隙扩散的形式进入si间隙中，这样在界面层处si原子周围的原子数将多于4个，si-si共价键所共用的电子将同时被间隙原子所共有，从而si-si键所拥有的共用电子数少于2，使得si-si键从饱和价键向非饱和价键转变，因此si-si键将由共价键向金属键转变，减弱了si-si键的键强，又由于在界面处存在高浓度的间隙原子，使得电子及原子的迁移率得到明显提高。当金属au与硅接触时，在室温条件下，由于硅存在大量缺陷及空隙促进了au原子在硅中的扩散，从而在au膜与硅界面处形成由au与硅相互扩散而成的au/硅混合层，从而减弱了si-si键的键强，提高了原子迁移率；随着温度的升高，如温度大于130℃，si晶核形成，在混合层处形成一非晶亚稳态的合金硅化物au
x
si
y
；随着温度的继续升高，由于si原子通过au-si层扩散到si晶核上使硅晶体长大，在温度为200℃左右后，si晶化完全，该合金层在大于175℃的条件下分解从而形成多晶硅，而au将从p-si晶界处析出，并扩散到p-si与a-si界面处继续诱导晶化。需要说明的是，上述化学式中的x、y由本领域技术人员根据实际需要确定。
[0057]
可选的，纳米金属颗粒12的粒径为0.1-10nm，上述纳米金属颗粒12的尺寸遮光少，对光的透射能力好。可以通过调控金属诱导反应的温度、反应持续时长等调整纳米金属颗粒12的尺寸。优选的，纳米金属颗粒12的粒径小于或等于1nm，进一步减少遮光。
[0058]
可选的，纳米金属颗粒12在透明导电氧化物薄膜层11上的投影的面积，占透明导电氧化物薄膜层11的面积的比例小于或等于5％，纳米金属颗粒12遮光少，透光效果好。纳米金属颗粒12在p型掺杂硅层13上的投影的面积，占p型掺杂硅层13的面积的比例小于或等于5％，纳米金属颗粒12遮光少，透光效果好。优选的，上述比例可以小于或等于1％，进而遮光损失小于或等于1％，使得叠层电池的功率损失小于0.5％。
[0059]
可选的，透明导电氧化物复合层1、隧穿复合结2的透光率均大于或等于80％，进而遮光少，透光效果好。
[0060]
可选的，透明导电氧化物复合层1、隧穿复合结2的厚度均为20-200nm，厚度为叠层电池中上下层电池单元层叠的方向上的尺寸。上述厚度的中间串联层利于提升垂直导电性。例如，隧穿复合结2中n型掺杂硅层14的厚度为25nm，p型掺杂硅层13的厚度为25nm。
[0061]
可选的，参照图3所示，图3示出了本发明实施方式中的第三种叠层电池的中间串联层的结构示意图。隧穿复合结2还包括钝化隧穿层15，钝化隧穿层15层叠设置在n型掺杂硅层14远离p型掺杂硅层13的一侧。钝化隧穿层15与n型掺杂硅层14配合，可以有效地将在与其相邻的电池单元的吸收体中的电子传输到p型掺杂硅层13，并且将该电池单元的吸收体中的另一种载流子空穴，阻挡在该电池单元的吸收体和钝化隧穿层15之间的界面附近，
以减少位于n型掺杂硅层14和该电池单元之间的界面上的无效复合。上述钝化隧穿层15的材料可以选自氧化硅、氧化铝、氮氧化硅中的一种。
[0062]
本发明实施方式还提供了一种叠层电池的中间串联层的生产方法，该方法包括如下步骤：
[0063]
步骤s1，沉积透明导电氧化物薄膜层。
[0064]
透明导电氧化物薄膜层11的沉积方式不作具体限定。
[0065]
步骤s2，使用物理沉积的方式，在所述透明导电氧化物薄膜层的向光面或背光面沉积松散分布的纳米金属颗粒。
[0066]
用物理沉积的方式如热蒸发、磁控溅射的方式，控制纳米金属颗粒12沉积量，以形成在透明导电氧化物薄膜层11的向光面界面处或背光面界面处松散分布的纳米金属颗粒12，避免形成一整层。上述步骤s1和步骤s2形成了透明导电氧化物复合层1。
[0067]
或者，该方法可以包括如下的步骤s3-步骤s6，步骤s3-步骤s6用于制备隧穿复合结2。
[0068]
步骤s3，沉积n型掺杂硅层。
[0069]
n型掺杂硅层的沉积方式不作具体限定。
[0070]
步骤s4，在所述n型掺杂硅层上沉积p型非晶硅层。
[0071]
p型非晶硅层通过lpcvd或pecvd的方式沉积。
[0072]
步骤s5，在所述p型非晶硅层上沉积金属层。
[0073]
金属层可以通过热蒸发或磁控溅射方式沉积。
[0074]
步骤s6，在130-500℃下退火。
[0075]
如，可以通过逐步加热升温的方式进行，加热温度介于130-500℃。现有技术中，制备p型多晶硅层比制备n型多晶硅层要更高的温度。本发明实施例中，通过金属在低温下诱导p型非晶硅结晶形成p型多晶硅层，无需常规高温退火步骤，降低了高温过程对叠层电池的中间串联层的不利影响。金属在诱导晶化反应过程中，以纳米金属颗粒重新析出，并且扩散到p型多晶硅层的表面。
[0076]
本发明实施方式还提供了一种叠层电池，如图4所示，图4示出了本发明实施方式中的第一种叠层电池的结构示意图。该叠层电池包括下层电池单元3、上层电池单元4，上层电池单元4的背光面具有第一载流子传输层41，上层电池单元的背光面为上层电池单元4靠近下层电池单元3的表面。上层电池单元4的带隙宽度大于下层电池单元3的带隙宽度。
[0077]
可选的，下层电池单元3为晶体硅太阳电池，可以是单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。下层电池单元3为晶体硅太阳电池的情况下，晶体硅吸收体31的厚度在50-300um的范围内，晶体硅吸收体31可以是p型掺杂的或n型掺杂的。晶体硅吸收体31的正面可以是平面的或是织构化的绒面，晶体硅吸收体31的背面可以是平面的或是织构化的绒面。
[0078]
下层电池单元3为晶体硅太阳电池的情况下，上层电池单元4的带隙宽度大于晶体硅的带隙宽度1.12ev，可以小于2.2ev。优选的，上层电池单元4的带隙宽度可以为1.5-1.8ev，以使光子最大程度上透射到下面的晶体硅吸收体31，并且有效地吸收更高光子能量的光并用来产生电子-空穴对。
[0079]
下层电池单元3为晶体硅太阳电池的情况下，上层电池单元4的吸收体42的材料可以选择iii-v族化合物半导体，以及钙钛矿类材料的有机和/或无机物质的混合物。上层电
池单元4的吸收体42的厚度对于直接带隙的iii-v族化合物半导体在0.5-5um，对于钙钛矿材料在0.1-2um的范围内。上层电池单元4的吸收体42可以是n型掺杂的或p型掺杂的或者是非掺杂的。
[0080]
上层电池单元4的第一载流子传输层41为空穴选择层的情况下，透明导电氧化物薄膜层11中分布有纳米金属颗粒12的一面，靠近第一载流子传输层41。或，参照图5所示，图5示出了本发明实施方式中的第二种叠层电池的结构示意图。上层电池单元4的第一载流子传输层41为空穴选择层的情况下，p型掺杂硅层13靠近第一载流子传输层41，即，p型掺杂硅层13靠近上层电池单元的空穴传输层。
[0081]
在上层电池单元4的第一载流子传输层41为电子选择层的情况下，参照图4所示，透明导电氧化物薄膜层11中分布纳米金属颗粒12的一面，靠近下层电池单元3的向光面。或，n型掺杂硅层14靠近第一载流子传输层41。
[0082]
图4中，中间串联层为透明导电氧化物复合层1，透明导电氧化物复合层1位于上层电池单元4和下层电池单元3之间，用于串联上层电池单元4和下层电池单元3。图5中，中间串联层为隧穿复合结2，隧穿复合结2位于上层电池单元4和下层电池单元3之间，用于串联上层电池单元4和下层电池单元3。
[0083]
下层电池单元3可以包括空穴传输层32。在下层电池单元3为晶体硅太阳电池的情况下，空穴传输层32可以是在晶体硅吸收体31的向光面掺杂形成的p+层，或是在晶体硅吸收体31的向光面沉积的p型非晶、部分结晶硅、纳米晶硅或多晶硅层，沉积方式可以是pecvd或是lpcvd，p型掺杂可以是在沉积过程中或随后原位进行，例如，气相热扩散、离子注入或通过印刷或旋涂工艺并且随后进行热推进的掺杂剂施加等工艺可用于随后的掺杂。空穴传输层32也可以是非掺杂或非扩散的过渡金属氧化物如moo
x
、vo
x
和wo
x
，由于其相对较大的功函数(大于5.5ev)被用作空穴选择接触。当应用于硅基底时，它们会在硅中引起向上的能带弯曲，有利于空穴传输。nio
x
是另一种空穴选择性接触的候选材料，因为它与硅有很大的导带差异，可以选择性地阻挡电子。空穴传输层32与晶体硅吸收体31之间还可以设有一层钝化层(图4中未示出)，钝化层为sio2、tio2、al2o3或a-si:h，其厚度为1-15nm，钝化层可以消除由于晶体硅吸收体31和作为发射极层的空穴传输层32之间的直接接触而导致的性能劣化。钝化层如超薄氧化硅可用作隧穿层，改善硅吸收体的界面特性，并平滑地传输由隧穿效应产生的载流子。
[0084]
上层电池单元还可以包括第二载流子传输层43，第二载流子传输层43与第一载流子传输层41的类型相反，如，第一载流子传输层41若为电子传输层，则第二载流子传输层43即为空穴传输层。下层电池单元3还包括电子传输层33。叠层电池还可以包括位于下层电池单元3的背光面的背面钝化层5，以及位于背面钝化层5的背光面的背面电极6，位于上层电池单元4的向光面的钝化减反层7，以及位于钝化减反层7的向光面的正面电极8。
[0085]
上述叠层电池的中间串联层、及其生产生产方法、叠层电池可以相互参照相应记载，并能达到相同或相似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
[0086]
上面结合附图对本发明的实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。