一种超高填充因子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，具体涉及一种太阳电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002]提高太阳电池的效率是人们研究的目标之一，而效率取决于开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)三者的乘积，因此提高FF是增加效率的重要因素。对于实际的太阳电池，影响FF的因素很多，主要与理想因子、串联电阻、并联电阻、开路电压、界面势皇等因素有关。
[0003]电池的串联电阻由金属电阻、方块电阻、接触电阻、体电阻等部分组成，一般通过栅电极的优化设计和快速热退火来减小串联电阻。并联电阻包括边缘缺陷或短路引起的漏电、内部缺陷或表面污染引起的复合电流等，一般通过减少工艺过程中引入的污染和边缘腐蚀或刻蚀来减少漏电流。开路电压Voc是影响FF的关键因素，在理想情况下，FF只与Voc有关，Voc越大，FF越高。实际上，Voc主要与材料带隙、材料质量、PN结结构、暗电流等因素有关。暗电流包括反向饱和电流、基区和发射区的漏电流，主要是由于在电池表面、电池PN结区和在工艺过程中引入的有害杂质或缺陷引起载流子复合。虽然非晶硅材料的带隙比单晶Si的带隙大，但是由于材料缺陷较多，导致电池FF较低。此外，界面势皇引入附加电场，抵消部分内建电场，会引起S-shape JV曲线，导致电池FF显著降低，一般通过降低界面势皇高度来减小附加电场的影响。
[0004]即使基本解决了上述有问题，太阳电池的FF还是偏低，例如，目前PERL结构的 Si 电池的最大 FF=0.828 (UNSff, Voc=706 mV，Jsc=42.7mA/cm2，25%)，IBC 电池的最大FF=0.8296 (Sunpower, Voc=730 mV，Jsc=41.22mA/cm2，25%)，HIT+IBC 电池的最大 FF 为
0.827 (Panasonic，25.6%，Voc=740mv，Jsc= 41.8mA/cm2)。可见目前最高效率的 Si 电池的FF小于0.84，已经十分接近理论最大值(0.85)。其它电池，目前已经获得的FF与理论最大值如下:GaAs单结电池的FF最大为0.88，理论最大值为0.89。CIGS的FF最大为0.79，理论最大值为0.84。CdTe的的FF最大为0.80，理论最大值为0.87。三结GalnP/GaAs/GalnAs的FF为0.87，理论最大值为0.89。可见，即使FF达到理论最大值，太阳电池的FF损失还是十分严重(大于10%)，FF损失10%，效率也损失10%。
[0005]为解决上述存在的问题，需要对太阳电池的结构和制备工艺过程进行创新，减少FF损失，从而提高太阳电池的转换效率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能够减少FF损失、提高转换效率的太阳电池及其制备方法。
[0007]本发明提供的太阳电池，其结构组成如图1所示，由下而上依次为上电极1，界面层2，PN的发射层3，PN结的基区4，电池的钝化层5，下电极6 ;其中，界面层2的材料具有如下特点: (1)界面层与发射层之间形成一个势皇；
(2)这个势皇方向与PN结方向相反；
(3)这个势皇高度最小为Eg-0.8eV，最大为Eg-0.4eV，Eg为PN结材料的带隙；
(4)形成这个势皇的材料向PN结区的扩散深度小于PN结的发射层厚度。
[0008]本发明中，所述界面层2与PN结的发射层3之间形成有一个附加结。该附加结可以是金属半导体结、半导体同质结或异质结等。
[0009]本发明还提供上述结构的太阳电池电池的制造方法，具体步骤为:
(1)采用200微米厚p-Si〈100〉的硅片作为基区4;采用旋涂法在硅片表面旋涂磷浆；
(2)硅片在氮气气氛中加热15min~60min，温度为820°C— 920°C;从而在P型衬底上表面形成N层(发射层)3，这样PN结形成；
(3)清洗电池表面，去除表面氧化物等；
(4)蒸镀或生长界面层2，界面层2与N层(发射层)3形成一个附加结，这个附加结的势皇高度和方向由界面层的材料决定，这里可以选择Ag等金属。由于金属和N-Si之间的接触性质，从而金属与N层Si界面形成一个与PN结方向相反的势皇；
(5)在界面层2上蒸镀上电极1;
(6)在基区背面蒸镀或生长钝化层5;
(7)在钝化层上蒸镀下电极6;
(8)为了在界面层2与N层3之间形成高度适合的附加结势皇高度，通过在400°C _800°C温度范围退火，时间为Is — 5min。
[0010]本发明改变了太阳电池的结构设计，原来要求PN结不能串联附加的整流结，因此尽量消除或降低附加势皇的高度。本发明的结构:PN结与一个势皇高度适合的附加结反向串联连接。一个金属半导体结(MS)与PN结反向串联连接，当PN结处于正向偏置时(即P连接正极、N连接负极)，而MS处于反向偏置。随着正向偏置电压的增加，PN的内建电势和耗尽层减小，流过PN结的电流增加，如图2蓝线所示。MS处于反向偏置，随着正向偏置电压(相对于PN结)的增加，MS的内建电势和耗尽层增加，流过MS结的电流减小。由于他们串联连接，所以PN的漏电流受限于MS势皇，所以流经整个电池的漏电流很小，JV曲线几乎是直线。随着正偏压(相对于PN结)进一步增加，当MS结处于击穿状态时，漏电流迅速增加，不再限制PN结的漏电流，从而导致整个电池的漏电流迅速增加，如图2红圈所示。
[0011]由于退火前，金属半导体界面MS势皇较高，PN的二极管曲线被MS整流，电池FF很低(0.305)，Voc=0.431V，Jsc=20.52 mA/cm2。我们采用高温快速退火，电池在氮气氛中700°C退火 ls，#l 电池的 Voc 为 504 mV，短路电流密度 Jsc = 33.27 mA/cm2，FF 等于 0.911，效率为15.3%。可见退火后，电性能显著增加。由于电池上下表面无钝化层、上表面无减反射膜，所以电池VoC、JSC和效率相对较低。可见，电池的FF很高，远远超出电池的理论极限(Si电池的实际最大FF为0.840，理论最大FF为0.850)。
[0012]虽然采用Ag电极然后高温退火的方法十分简单和常见，但是我们改变了原来要求消除或降低太阳电池附加结势皇的思路，通过快速退火和表面状态控制，故意在PN结上形成反向串联的势皇高度适合的附加结，从而获得了超出太阳电池PN结理论最大值的FF。
[0013]本发明中，所述PN 结材料可以为 S1、GaAs、CIGS、CdTe、GalnP、InP、a_S1、GalnAs、AllnP、。
[0014]本发明中，所述上电极材料为银、铝、铜、钛银、铝银或透明导电膜等，或者为丝网印刷铝或银浆料；所述下电极材料为银、铝、铜、钛银、铝银或透明导电膜等，或者为丝网印刷铝或银浆料。
[0015]本发明中，所述反向势皇除了金属银、铝、铜、钛银、铝银或透明导电膜外，可以为半导体，如 ZnS, CIGS、CdTe、GalnP、InP、a_S1、GalnAs、AllnP、GaAs 等。
[0016]本发明中，所述附加势皇通过400°C ~800°C快速退火(ls~5min)或表面状态控制，控制势皇的方向和高度。
[0017]本发明提出的超高FF的电池结构，其优点在于:在没有增加太阳电池制备复杂性的前提下，我们改变了原来要求消除或降低太阳电池附加结势皇的思路，通过快速退火和表面状态控制，故意在PN结上形