一种高效的III-V族/硅两端叠层太阳电池

一种高效的iii-v族/硅两端叠层太阳电池
技术领域
1.本发明涉及太阳电池的技术领域，特别涉及一种高效的iii-v族/硅两端叠层太阳电池的设计与制备。


背景技术：

2.iii-v族与晶硅叠层电池近年来由于其可获得更高的转换效率而引起众多研究者的关注。其中两端的iii-v族与晶硅叠层电池由于其与目前光伏市场中大规模组件制备工艺更加兼容，成为目前iii-v族与晶硅叠层电池研究的重点。两端的iii-v族与晶硅叠层电池主要有三种方式：外延生长、晶圆键合、机械堆叠。自1985年，制备出第一块iii-v/硅两端叠层太阳电池至今，叠层电池的转换效率已由17.6％提高至35.9％。目前已报道的效率超过30％的iii-v/硅两端叠层太阳电池主要研究单位包括德国弗劳恩霍夫实验室的dimroth课题组、日本国立先进工业科学技术研究所(aist)的makita课题组。值得指出的是，由于硅的晶格常数和gaas的晶格常数相差4％，热膨胀系数相差较大(gaas＝5.73
×
10-6
℃-1
，si＝2.6
×
10-6
℃-1
)，且gaas为极性材料，si为非极性材料，因此在si基底上很难外延生长高质量gaas材料。目前外延生长两端的iii-v族与晶硅叠层电池最高效率仅为25.9％。德国弗劳恩霍夫实验室的dimroth组采用晶圆键合的方法，制备出两端的ga
0.51
in
0.49
p/ga
0.93
in
0.07
as
0.87
p
0.13
//si叠层电池，效率为35.9％。然而，晶圆键合需要超净的实验环境，原子级的抛光平面(粗糙度《0.5nm)，高质量的隧穿结以及昂贵的键合设备，因此不适合工业化生产。日本aist的makita组采用机械堆叠的方法，采用pd金属纳米阵列键合，制备出了效率为30.8％的两端ga
0.51
in
0.49
p/algaas//si叠层电池，然而pd金属纳米阵列的尺寸仅为50nm，粘合强度较低，且只能在平面上旋涂制备，和目前绒面硅电池不兼容。从目前已发表的结果上来看，所有的两端iii-v族与晶硅叠层电池均采用前表面抛光的晶硅电池，这会增加制造成本，导致界面反射，不利于硅电池在长波的吸收的同时造成底电池限流。
3.综上所述，可归纳出现有两端iii-v族与晶硅叠层电池技术的不足：1)采用前表面抛光的硅电池作为底电池，导致iii-v族和si界面反射损失严重，硅电池近红外吸收较差，导致底电池限流。2)前表面抛光的硅电池和目前商业绒面的商业晶硅电池不兼容，不仅不利于电池的效率，并且增加了制造成本，不利于电池的实际应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种采用透明导电粘合剂键合的两端iii-v族与晶硅叠层电池，采用绒面的晶硅电池作为底电池，从而获得更加高效且成本更低的iii-v/晶硅叠层电池。此种方法相比于现有技术还具有以下优点：1)解决了目前两端iii-v族与晶硅叠层电池与绒面的商业晶硅电池不兼容的问题，降低了制造成本；2)相较于平面的晶硅电池，绒面的晶硅电池具有更好的近红外吸收，更高的电流密度；3)该透明导电粘合剂具有较高的透明度，且纵向导电，横向不导电，避免了分流效应；4)该透明导电粘合剂具有在长波透过性较高的特点，可以有效提高底电池的长波吸收。
5.本发明的技术方案：
6.一种高效的iii-v族/硅两端叠层太阳电池，采用前表面绒面的晶硅电池为底电池，通过透明导电粘合剂与平面iii-v顶电池构成两端的叠层结构；在此两端叠层电池中，通过改变透明导电粘合剂中的导电颗粒的比例适，调整键合层的光电性能，从而实现顶、底电池的电流匹配与桥接。
7.所述的iii-v顶电池为单结的gainp、algaas、gaas结构，或者为两结的gainp/gaas、gainp/algaas、gainp/gainasp结构，或者为三结的algainp/algaas/gaas、algainp/gainp/algainas结构，或者为四结algainp/gainp/algainas/gainas、algainp/gainp/algaas/gaas结构。iii-v顶电池采用液相外延技术(lpe)制备，或者采用金属有机气相沉积技术(mocvd)制备，或者采用分子束外延技术(mbe)制备。
8.所述的透明导电粘合剂的导电颗粒为金属涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球。透明导电粘合剂的导电颗粒表面的涂覆金属为金、银、铜、铂或钯中的一种。透明导电粘合剂的导电颗粒尺寸为1-50μm。透明导电粘合剂中的聚合物为环氧树脂。
9.所述的晶硅电池是双绒的或者是前表面绒面的晶硅电池。晶硅电池的金字塔尺寸为1-50μm。晶硅电池是前表面绒面的hjt电池、top-con电池、polo电池、dash电池、perc、perl或pert电池。
10.本发明的优点和积极效果：
11.本发明通过采用绒面硅电池作为叠层电池的底电池，可以有效减少反射损失，增大底电池电流，硅电池eqe积分电流增加了0.6ma/cm2，降低制造成本；同时本发明采用透明导电粘合剂键合，透明聚合物在底电池吸收的长波段透明，有效的提高了长波吸收；通过改变透明导电粘合剂中的导电颗粒的比例，调整键合层的光电性能，导电颗粒的比例从0.05wt％增加至0.5wt％时，硅电池eqe积分电流增加了0.9ma/cm2，叠层电池的填充因子增加了3.5％，效率从20.7％增加到25.1％；另一方面，本发明采用金属涂覆的柔性聚合物微球作为导电颗粒，满足挤压变形以增大接触面积，和绒面金字塔兼容，且纵向导电性高，横向不导电，有效避免了分流效应，在保证叠层电池的高开压的同时，降低了电池的接触电阻，填充因子从75.3％增加到80.3％，从而获得效率更高的iii-v族/晶硅叠层电池。
12.本发明的机理分析：
13.本发明通过采用绒面的晶硅电池作为两端iii-v族与晶硅电池的底电池，增加了底电池的长波吸收，提高了叠层电池短路电流，硅电池eqe积分电流增加了0.6ma/cm2，实现更高的iii-v族与晶硅叠层电池效率，光电转换效率由22.1％增加到了25.1％。同时，通过改变透明导电粘合剂中的导电颗粒的比例，调整键合层的光电性能，导电颗粒的比例从0.05wt％增加至0.5wt％时，硅电池eqe积分电流增加了0.9ma/cm2，叠层电池的填充因子增加了3.5％，说明透明导电粘合剂的光学和电学性能有效增加；导电颗粒的比例从0.5wt％增加至2.5wt％时，硅电池eqe积分电流降低了0.84ma/cm2，叠层电池的填充因子降低了1.2％，说明导电粘合剂的透过降低，同时导电颗粒增加导致部分团聚，电学性能出现损失，因此导电颗粒的最佳比例为0.5wt％。此外，本发明采用金属涂覆的柔性聚合物微球作为导电颗粒，满足挤压变形以增大接触面积，降低了接触电阻，提高了叠层电池的填充因子；本发明采用透明导电粘合剂，具有高纵向导电性，低横向导电性，有效的减少了分流效应。
附图说明
14.图1为本发明采用绒面硅异质结(hjt)太阳电池作为底电池的三结gainp/algaas/si叠层太阳电池结构示意图；
15.图2为本发明基于绒面硅异质结底电池，0.05wt％银导电颗粒的透明导电粘合剂制备的三结gainp/algaas/si叠层太阳电池伏安特性曲线图；
16.图3为本发明基于绒面硅异质结底电池，0.5wt％银导电颗粒的透明导电粘合剂制备的三结gainp/algaas/si叠层太阳电池伏安特性曲线图；
17.图4为本发明基于绒面硅异质结底电池，2.5wt％银导电颗粒的透明导电粘合剂制备的三结gainp/algaas/si叠层太阳电池伏安特性曲线图。
18.图5为本发明基于平面硅异质结底电池，0.5wt％银导电颗粒的透明导电粘合剂制备的三结gainp/algaas/si叠层太阳电池伏安特性曲线图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明。
20.实施例1：
21.本发明所用的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括：正面金属栅线电极au/ag、gaas接触层、zns/mgf2增透薄膜、n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层、ito连接层、透明导电粘合剂、ito连接层、硅异质结底电池电子选择层n-a-si:h、钝化层i-a-si:h、硅衬底n-si、钝化层i-a-si:h、空穴选择层p-a-si:h和背电极al。
22.iii-v族/硅异质结叠层太阳电池中，gainp吸收层的带隙1.91ev，algaas吸收层的带隙1.51ev，面积为2.2
×
2.2cm2。
23.本实施例的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
24.1.将制绒后的n型fz硅片衬底放置于具有高真空度的pecvd系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i-a-si:h。
25.2.之后选定一面采用pecvd方式沉积电子选择层n-a-si:h，另一面沉积空穴选择层p-a-si:h。
26.3.在空穴选择层p-a-si:h面电子束热蒸发ito作为晶硅电池的背面透明电极。
27.4.在n-a-si:h上采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
28.5.将n型的(100)晶面沿着《100》b晶向倾斜6
°
的gaas衬底放置在mocvd系统中，正面沉积100nm厚的gainp阻挡层，然后沉积一层50nm的gaas接触层。
29.6.在gaas接触层上依次沉积n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、p-algaas接触层。
30.7.在p-algaas接触层上依次沉积隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层。
31.8.采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
32.9.取20g环氧胶水301a，5g环氧胶水301b，搅拌均匀，加入0.0125g镀银的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球，搅拌均匀，制备透明导电粘合剂。
33.10.取100μl步骤9制备的粘合剂旋涂在hjt底电池ito连接层上。
34.11.采用热压机键合gainp/algaas顶电池和hjt底电池，热压温度65℃，时间120min。
35.12.叠层电池制备完成后，采用浓硫酸和双氧水混合溶液剥离gaas衬底，采用浓hcl剥离gainp阻挡层，蒸金属电极后采用柠檬酸和过氧化氢的混合溶液剥离gaas接触层。
36.13.具体叠层电池结构如图1所示。
37.实验效果：进行太阳电池的性能测试，如图2所示，在am1.5g，100mw/cm2标准光强的照射下，本实施案例制备的太阳电池的开路电压2.832v，短路电流密度9.5ma/cm2，填充因子76.8％，效率为20.7％。
38.实施例2：
39.本方法所用的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括：正面金属栅线电极au/ag、gaas接触层、zns/mgf2增透薄膜、n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层、ito连接层、透明导电粘合剂、ito连接层、硅异质结底电池电子选择层n-a-si:h、钝化层i-a-si:h、硅衬底n-si、钝化层i-a-si:h、空穴选择层p-a-si:h和背电极al。
40.iii-v族/硅异质结叠层太阳电池中，gainp吸收层的带隙1.91ev，algaas吸收层的带隙1.51ev，面积为2.2
×
2.2cm2。
41.本实施例的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
42.1.将制绒后的n型fz硅片衬底放置于具有高真空度的pecvd系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i-a-si:h。
43.2.之后选定一面采用pecvd方式沉积电子选择层n-a-si:h，另一面沉积空穴选择层p-a-si:h。
44.3.在空穴选择层p-a-si:h面电子束热蒸发ito作为晶硅电池的背面透明电极。
45.4.在n-a-si:h上采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
46.5.将n型的(100)晶面沿着《100》b晶向倾斜6
°
的gaas衬底放置在mocvd系统中，正面沉积100nm厚的gainp阻挡层，然后沉积一层50nm的gaas接触层。
47.6.在gaas接触层上依次沉积n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、p-algaas接触层。
48.7.在p-algaas接触层上依次沉积隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层。
49.8.采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
50.9.取20g环氧胶水301a，5g环氧胶水301b，搅拌均匀，加入0.125g镀银的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球，搅拌均匀，制备透明导电粘合剂。
51.10.取100μl步骤9制备的粘合剂旋涂在底电池ito连接层上。
52.11.采用热压机键合gainp/algaas顶电池和hjt底电池，热压温度65℃，时间120min。
53.12.叠层电池制备完成后，采用浓硫酸和双氧水混合溶液剥离gaas衬底，采用浓hcl剥离gainp阻挡层，蒸金属电极后采用柠檬酸和过氧化氢的混合溶液剥离gaas接触层。
54.实验效果：进行太阳电池的性能测试，如图3所示，在am1.5g，100mw/cm2标准光强的照射下，本实施案例制备的太阳电池的开路电压2.999v，短路电流密度10.4ma/cm2，填充
因子80.3％，效率为25.1％。
55.实施例3：
56.本方法所用的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括：正面金属栅线电极au/ag、gaas接触层、zns/mgf2增透薄膜、n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层、ito连接层、透明导电粘合剂、ito连接层、硅异质结底电池电子选择层n-a-si:h、钝化层i-a-si:h、硅衬底n-silicon、钝化层i-a-si:h、空穴选择层p-a-si:h和背电极al。
57.iii-v族/硅异质结叠层太阳电池中，gainp吸收层的带隙1.91ev，algaas吸收层的带隙1.51ev，面积为2.2
×
2.2cm2。
58.本实施例的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
59.1.将制绒后的n型fz硅片衬底放置于具有高真空度的pecvd系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i-a-si:h。
60.2.之后选定一面采用pecvd方式沉积电子选择层n-a-si:h，另一面沉积空穴选择层p-a-si:h。
61.3.在空穴选择层p-a-si:h面电子束热蒸发ito作为晶硅电池的背面透明电极。
62.4.在n-a-si:h上采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
63.5.将n型的(100)晶面沿着《100》b晶向倾斜6
°
的gaas衬底放置在mocvd系统中，正面沉积100nm厚的gainp阻挡层，然后沉积一层50nm的gaas接触层。
64.6.在gaas接触层上依次沉积n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、p-algaas接触层。
65.7.在p-algaas接触层上依次沉积隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层。
66.8.采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
67.9.取20g环氧胶水301a，5g环氧胶水301b，搅拌均匀，加入0.625g镀银的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球，搅拌均匀，制备透明导电粘合剂。
68.10.取100μl步骤9制备的粘合剂旋涂在底电池ito连接层上。
69.11.采用热压机键合gainp/algaas顶电池和hjt底电池，热压温度65℃，时间120min。
70.12.叠层电池制备完成后，采用浓硫酸和双氧水混合溶液剥离gaas衬底，采用浓hcl剥离gainp阻挡层，蒸金属电极后采用柠檬酸和过氧化氢的混合溶液剥离gaas接触层。
71.实验效果：进行太阳电池的性能测试，如图2所示，在am1.5g，100mw/cm2标准光强的照射下，本实施案例制备的太阳电池的开路电压2.988v，短路电流密度9.56ma/cm2，填充因子79.1％，效率为22.8％。
72.实施例4：
73.本方法所用的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括：正面金属栅线电极au/ag、gaas接触层、zns/mgf2增透薄膜、n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层、ito连接层、透明导电粘合剂、ito连接层、硅异质结底电池电子选择层n-a-si:h、钝化层i-a-si:h、硅衬底n-si、钝化层i-a-si:h、空穴选择层p-a-si:h和背电极al。
74.iii-v族/硅异质结叠层太阳电池中，gainp吸收层的带隙1.91ev，algaas吸收层的带隙1.51ev，面积为2.2
×
2.2cm2。
75.本实施例的iii-v族/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
76.1.将n型《100》晶向的抛光fz硅片衬底放置于具有高真空度的pecvd系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i-a-si:h。
77.2.之后选定一面采用pecvd方式沉积电子选择层n-a-si:h，另一面沉积空穴选择层p-a-si:h。
78.3.在空穴选择层p-a-si:h面电子束热蒸发ito作为晶硅电池的背面透明电极。
79.4.在n-a-si:h上采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
80.5.将n型的(100)晶面沿着《100》b晶向倾斜6
°
的gaas衬底放置在mocvd系统中，正面沉积100nm厚的gainp阻挡层，然后沉积一层50nm的gaas接触层。
81.6.在gaas接触层上依次沉积n-alinp窗口层、n-gainp吸收层、p-algainp背场、p-algaas接触层。
82.7.在p-algaas接触层上依次沉积隧穿结、n-algaas窗口层、p-algaas吸收层、p-gainp背场、p-gaas接触层。
83.8.采用电子束热蒸发的方式制备80nm ito材料作为连接层。
84.9.取20g环氧胶水301a，5g环氧胶水301b，搅拌均匀，加入0.125g镀银的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球，搅拌均匀，制备透明导电粘合剂。
85.10.取100μl步骤9制备的粘合剂旋涂在底电池ito连接层上。
86.11.采用热压机键合gainp/algaas顶电池和hjt底电池，热压温度65℃，时间120min。
87.12.叠层电池制备完成后，采用浓硫酸和双氧水混合溶液剥离gaas衬底，采用浓hcl剥离gainp阻挡层，蒸金属电极后采用柠檬酸和过氧化氢的混合溶液剥离gaas接触层。
88.实验效果：进行太阳电池的性能测试，如图4所示，在am1.5g，100mw/cm2标准光强的照射下，本实施案例制备的太阳电池的开路电压2.995v，短路电流密度9.8ma/cm2，填充因子75.3％，效率为22.1％。
89.综上，本发明专利开发了一种高效的iii-v族/硅两端叠层太阳电池，采用前表面绒面的晶硅电池为底电池，通过透明导电粘合剂与平面iii-v顶电池构成两端的叠层结构。采用绒面晶硅电池作为底电池，提高了硅电池的长波吸收，硅电池eqe积分电流增加了0.6ma/cm2。同时，通过改变透明导电粘合剂中的导电颗粒的比例，调整键合层的光电性能，导电颗粒的比例从0.05wt％增加至0.5wt％时，硅电池eqe积分电流增加了0.9ma/cm2，叠层电池的填充因子增加了3.5％，说明透明导电粘合剂的光学和电学性能有效增加；导电颗粒的比例从0.5wt％增加至2.5wt％时，硅电池eqe积分电流降低了0.84ma/cm2，叠层电池的填充因子降低了1.2％，说明导电粘合剂的透过降低，同时导电颗粒增加导致部分团聚，电学性能出现损失。另外，绒面的晶硅电池和商业的绒面晶硅电池兼容，有效降低了成本。