一種高效異質結太陽能電池及其製備方法與流程
2023-10-27 20:17:12
本發明涉及高效利用太陽能的光伏電池領域，尤其是一種高效異質結太陽能光伏電池及其製備方法。
背景技術：
能源是人類生存、發展的基礎。傳統能源存在不可再生、環境汙染等問題，因此再生能源成為人類追求。太陽可為人類提供無限能源，高效利用太陽能，需要提高太陽能電池的發電效率並降低太陽能發電成本。超高效太陽能電池特別是具有產業化前景的超高效太陽能電池一直是產業關注的熱點，也是太陽能發電系統應用時極為關注的熱點。隨著Sunpower背接觸高效電池(發電效率達25％)、低倍聚光技術的發展、松下異質結高效電池的發展，高效電池的規模化應用受到極大地關注。目前的太陽能電池市場仍然以晶矽電池為主，高效太陽能電池的研究也主要圍繞著晶矽電池展開，經過產業界幾十年的不懈努力，晶矽電池的效率不斷攀升，實驗室效率已經逐漸逼近了晶矽電池的理論極限(30％的Schockley-Quiesser極限)。國內近幾年發展十分迅速，常規晶體矽規模化量產水平已達19.5-20.5％(單晶矽)。針對目前常規晶體矽電池而言，平均轉換效率每提高0.1％都面臨著極大的困難，但即便這樣晶體矽電池效率還在不斷地提升。因此，進一步提高光伏效率是降低成本、提高效率的核心，是降低太陽能發電成本亟待解決的問題。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種高效異質結太陽能電池及其製備方法。
本發明提供一種高效異質結太陽能電池。該高效異質結太陽能電池的底層為晶矽層，上層為非晶矽層，在非晶矽電池中間，利用雷射束、電子束或離子束等點狀高能量密度能量發射源，進行線性結晶化熱處理，形成線性、薄片狀熱處理矽區。所形成的熱處理矽區構成的圖形可以是平行直線型、矩陣型、圓形或其他形狀。熱處理矽區與熱處理矽區之間的間距約為10mm左右，熱處理矽區的粗細在幾微米到幾毫米之間。
本發明的晶矽層從光入射面到底部的組成依次為：銀電極柵網、氮化矽減反射膜、n型摻雜層、p型襯底、鋁背接觸層、背面銀電極，其中的入射光面經過制絨處理得到制絨區。
可以在晶矽層上面直接沉積非晶矽膜得到異質結電池，也可以在部分晶矽工藝基礎上沉積非晶矽膜得到異質結電池。可以減少的晶矽工藝包括：a、制絨，b、銀電極柵網，c、減反射膜，d、n型擴散層，e、鋁背接觸層；這些工序可以部分或全部去除，相應的在非晶矽工藝及其後的處理過程中添加所需的工藝過程。
晶矽層為p型襯底、n型摻雜，實際應用中也可以是n型襯底、p型摻雜，相應的擴散層為p型摻雜。
非晶矽層結構如圖3所示，晶矽層作為非晶矽膜的基片；當透光面為非晶矽電池時，非晶矽電池工藝中的鍍Al膜、NiV薄膜工藝不再需要；在非晶矽層中，根據晶矽基片的特性，其中的P型摻雜非晶矽膜與n型摻雜非晶矽膜可以互換。製備過程中，在晶矽層與沉積本徵非晶矽膜之間，可以不沉積p型摻雜的非晶矽膜、以及透明導電膜；
當所用的晶矽層沒有進行制絨時，需要在非晶矽工藝、沉積TCO薄膜後，對該薄膜進行絨化處理。
當所用的晶矽層在光入射面製備有電極柵網時，可以在非晶矽工藝過程中，不再沉積透明導電膜。
如果晶矽層沒有鋁背接觸層，可以在背面沉積上述完整非晶矽膜，實現三異質結，進一步提高光伏轉換效率。
完成非晶矽鍍膜工藝得到n型摻雜非晶矽膜之後，利用點源電子束、雷射束或離子束進行表面線條形熱處理，使得表面被處理的非晶矽部分形成熱處理矽線，獲得如圖1所示的本發明的高效異質結太陽能電池。
本發明的高效異質結太陽能電池的製備過程如下所述。n型單晶矽片，經過制絨處理得到制絨區，作為非晶矽電池的基片。在經過制絨處理的表面上，利用PECVD沉積本徵半導體矽膜、及P型矽膜。利用聚焦斑點為100微米的電子槍，在該電池片上，線性掃描得到熱處理矽區3，線寬為10mm。對上述經過電子束掃描的電池片，利用磁控濺射技術沉積透明導電薄膜。對沒有經過制絨處理的表面，利用PECVD沉積本徵非晶矽膜、n型非晶矽膜，利用磁控濺射沉積透明導電膜、Al膜、NiV膜。利用絲網印刷在透明導電膜表面製備銀柵線電極。
沉積了透明導電膜的電池片表面，利用超聲焊接機在NiV膜表面焊接導電電極，從而製備成高效異質結太陽能電池。
獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池的方式分別如下。
P型單晶矽片，表面擴散、制絨、鈍化；進一步沉積透明導電薄膜、 沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
P型單晶矽片，表面擴散、制絨，沉積TCO膜，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
P型單晶矽片，表面擴散制絨，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
P型單晶矽片，表面擴散，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜，進行制絨處理；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
P型單晶矽片，表面制絨，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
P型單晶矽片，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜並進行制絨處理；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部， 直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
利用N型單晶或多晶矽片替代P型單晶矽片，在沉積非晶矽過程中，將p-i-n沉積過程反轉，同樣得到高效異質結太陽能電池。可以利用真空鍍膜的方法，替代絲網印刷電極。
本發明的高效異質結太陽能光伏電池，具有下列優點，消除非晶矽的衰減，消除非晶矽中光生載流子的無效複合，大幅度提高光伏效率。
附圖說明
圖1為本發明異質結太陽能電池主體結構；
圖2為本發明的一種晶矽電池結構；
圖3為本發明的一種非晶矽電池的結構；
圖4為本發明的一種異質結電池結構；
附圖標記：
晶矽層1、非晶矽層2、熱處理矽區3、正面電極柵線11、鈍化層12、n(P)擴散層13、P(n)型晶矽14、鋁背接觸擴散層15、背面電極16、制絨區17、晶矽電池21、TCO膜22、P型摻雜非晶矽膜23、本徵非晶矽膜24、n型摻雜非晶矽膜25、TCO膜26、Al膜27、NiV薄膜28。
具體實施方式
下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，並不應理解為局限於這裡敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，並將本發明的範圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。
為了易於說明，在這裡可以使用諸如「上」、「下」「左」「右」等空間相對術語，用於說明圖中示出的一個元件或特徵相對於另一個元件或特徵的關係。應該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術語意在於包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位於其他元件或特徵「下」的元件將定位在其他元件或特徵「上」。因此，示例性術語「下」可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉90度或位於其他方位)，這裡所用的空間相對說明可相應地解釋。
結合附圖1-4，本發明的具體實施方式闡述如下。
本發明的高效異質結太陽能電池的結構如圖1所示。該高效異質結 太陽能電池底層為晶矽層1，上層為非晶矽層2，在非晶矽電池中間，利用雷射束、電子束或離子束等點狀高能量密度能量發射源，進行線性結晶化熱處理，形成線性、薄片狀熱處理矽區3。所形成的熱處理矽區3構成的圖形可以是平行直線型、矩陣型、圓形或其他形狀。熱處理矽區與熱處理矽區之間的間距約為10mm左右，熱處理矽區3的粗細在幾微米到幾毫米之間。
本發明的晶矽層1的結構如圖2所示，晶矽層1從光入射面到底部的組成依次為：銀電極柵網11、氮化矽減反射膜12、n型摻雜層13、p型襯底14、鋁背接觸層15、背面銀電極16，其中的入射光面經過制絨處理得到制絨區17。
可以在晶矽層1上面直接沉積非晶矽膜得到異質結電池，也可以在部分晶矽工藝基礎上沉積非晶矽膜得到異質結電池。可以減少的晶矽工藝包括：a、制絨，b、銀電極柵網，c、減反射膜，d、n型擴散層，e、鋁背接觸層；這些工序可以部分或全部去除，相應的在非晶矽工藝及其後的處理過程中添加所需的工藝過程。
圖2中的晶矽層1為p型襯底、n型摻雜，實際應用中也可以是n型襯底、p型摻雜，相應的擴散層13為p型摻雜。
非晶矽層2結構如圖3所示，晶矽層1作為非晶矽膜的基片21；當透光面為非晶矽電池時，非晶矽電池工藝中的鍍Al膜27、NiV薄膜28工藝不再需要；在非晶矽層2中，根據晶矽基片21的特性，其中的P型摻雜非晶矽膜23與n型摻雜非晶矽膜25可以互換。製備過程中，在晶矽層1與沉積本徵非晶矽膜24之間，可以不沉積p型摻雜的非晶矽膜23、以及透明導電膜22；
當所用的晶矽層1沒有進行制絨時，需要在非晶矽工藝、沉積TCO薄膜26後，對該薄膜進行絨化處理。
當所用的晶矽層1在光入射面製備有電極柵網11時，可以在非晶矽工藝過程中，不再沉積透明導電膜22。
如果晶矽層1沒有鋁背接觸層15，可以在背面沉積上述完整非晶矽膜2，實現三異質結，進一步提高光伏轉換效率。
完成非晶矽鍍膜工藝得到n型摻雜非晶矽膜25之後，利用點源電子束、雷射束或離子束進行表面線條形熱處理，使得表面被處理的非晶矽部分形成熱處理矽線，從而獲得如圖1所示的異質結太陽能電池結構。
實施例一
n型單晶矽片14，經過制絨處理得到制絨區17，作為非晶矽電池的基片21。在經過制絨處理的表面上，利用PECVD沉積本徵半導體矽膜24、及P型矽膜23。利用聚焦斑點為100微米的電子槍，在該電池片上，線性掃描得到熱處理矽區3，線寬為10mm。
對上述經過電子束掃描的電池片，利用磁控濺射技術沉積透明導電薄膜26。
對沒有經過制絨處理的表面，利用PECVD沉積本徵非晶矽膜24、n型非晶矽膜25，利用磁控濺射沉積透明導電膜26、Al膜27、NiV膜28。
利用絲網印刷在透明導電膜26表面製備銀柵線電極11。
沉積了透明導電膜的電池片表面，利用超聲焊接機在NiV膜28表面焊接導電電極16，從而製備成高效異質結太陽能電池。
獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池的方式分別如下。
方式一：P型單晶矽片，表面擴散、制絨、鈍化；進一步沉積透明導電薄膜、沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
方式二：P型單晶矽片，表面擴散、制絨，沉積TCO膜，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
方式三：P型單晶矽片，表面擴散制絨，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
方式四：P型單晶矽片，表面擴散，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜，進行 制絨處理；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
方式五：P型單晶矽片，表面制絨，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
方式六：P型單晶矽片，沉積P型非晶矽、沉積i型矽膜、沉積n型非晶矽；利用電子束或雷射束等高能量點狀能量源以一定圖案，比如平行線型、矩陣型掃描非晶矽表面；最後再沉積透明導電膜並進行制絨處理；在頂部的透明導電膜基礎上，印刷或焊接導電電極，在P型單晶矽片的底部，直接印刷背電極，或者重複上表面過程，即獲得基於P型單晶矽的異質結太陽能電池。
利用N型單晶或多晶矽片替代P型單晶矽片，在沉積非晶矽過程中，將p-i-n沉積過程反轉，同樣得到高效異質結太陽能電池。
可以利用真空鍍膜的方法，替代絲網印刷電極。
本發明的高效異質結太陽能光伏電池，消除非晶矽的衰減，消除非晶矽中光生載流子的無效複合，大幅度提高光伏效率。