一種納米疊層導電薄膜的製備方法及應用與流程
2023-12-06 11:31:06 1
本專利屬於半導體器件領域，具體涉及太陽能電池製造領域，尤其涉及結合原子層沉積技術製備納米疊層透明的導電薄膜的製備方法和在太陽能電池表面鈍化及電流收集中的應用。
背景技術：
表面鈍化是降低表面複合率、提高矽太陽能電池的轉換效率的重要技術手段。(solarenergymaterials&solarcells，2006，(90):82-92)鈍化發射極背面接觸技術(perc技術)，在表面植絨和擴散之後用pecvd的方法鍍三氧化二鋁薄膜做背面鈍化層，搭配氮化矽薄膜減反層。由於三氧化二鋁和氮化矽是絕緣材料，後續的銀漿鋁漿電極要通過雷射打孔的方法和矽表面做連接。但是雷射開孔的面積是有限的，所以電極與矽的寄生電阻和接觸電阻會影響到電流的收集從而影響電池的效率，而且局部開孔導致perc技術的工藝複雜，並且局部開孔還會導致開孔處存在複合現象。德國弗勞恩霍夫太陽能研究所(fraunhoferise)設計了接觸鈍化技術：鈍化層為一層超薄氧化矽和一層摻雜矽薄層構成的鈍化，無需開孔，通過金屬氧化物隧穿效應實現鈍化層的導電，但是鈍化層本身很薄，需要的工藝相對複雜。因此，在perc技術的基礎上，還需要研製無需局部開孔的表面鈍化方法。
另一種方案是，採用可導電的材料作為鈍化層來代替三氧化二鋁，有望解決寄生電阻和接觸電阻大的問題，提升電池轉換效率。透明導電氧化物(tco)作為電極材料在光電器件領域得到了廣泛應用，其中鋁摻雜的氧化鋅(aluminumdopedzincoxide,azo)具有製備工藝簡單、易實現摻雜等特點，有文獻(solarenergy，2014(110),595–602)報導，通過溼法製備的azo具有一定的鈍化性質，但是溼法製備的工藝較為複雜，不適合大規模生產。原子層沉積技術(ald技術)是一種先進的薄膜生長技術。採用ald技術製備性能優良、適合在perc技術中做鈍化層的透明導電氧化物材料尚未見報導。
技術實現要素：
1、本發明所要解決的技術問題
本發明是針對現有的perc電池技術的工藝流程，採用ald技術進行加工，直接用可導電透明材料層作為鈍化層，從而解決寄生電阻和接觸電阻大的問題，提升電池轉換效率，並且適用於大批量生產。
2、本發明提供的技術方案
基於原子層沉積技術(ald)製備的納米疊層透明的導電薄膜，用於太陽能電池表面的鈍化及電流收集。具體的技術方案如下：
納米疊層透明的導電薄膜的製備方法，採用原子層沉積技術進行製備，具體包括如下主要的步驟：
(1)將去背結清洗過後的矽電池片裝載進入鍍膜的腔體，需鍍膜的面在腔體內呈暴露狀態，不需要鍍膜的面進行遮擋；
(2)腔體抽真空並保持腔體內的工藝真空不變，加熱使腔體內的溫度達到所需要的工藝溫度；
(3)循環1～200次al2o3的沉積作為過渡層，對應的厚度範圍是0.1-20納米；
(4)循環n1次zno的沉積，循環n2次al2o3的沉積，其中n1、n2均為非零正整數；
(5)重複步驟(4)，直到製備出所需厚度的納米疊層導電薄膜；
(6)腔體直接降溫或增加退火步驟後降溫，破真空，取出矽電池片。
步驟(3)中優選循環5～20次al2o3的沉積層作為過渡層。最優的循環次數為10次。此過渡層的作用是對矽表面進行化學鍵鈍化和場效應鈍化，特別是過渡層中的負電荷，存在於界面處1-3納米範圍內，可以有效的排斥矽表面的電子，減少空穴與電子在界面附近的複合，從而提升電池的開路電壓和光電轉換效率。由於納米疊層同時起到電流收集的作用，所以過渡層在保證鈍化的同時不能對電流的通過形成阻礙。當過渡層氧化鋁薄膜的厚度在2納米以下時，電流會以隧穿的形式直接穿過，不會有阻礙。對應的過渡層的較佳厚度範圍是0.5-2納米。
具體地，在步驟(1)中對多片矽電池片進行加工時：在電池背面鍍膜時，將多片電池面對面擺放並壓緊，在電池正面鍍膜時，將兩片電池背對背擺放並壓緊，以節省加工腔體的空間，增加產能。
具體地，步驟(2)中的工藝真空的選擇範圍為100帕到1000帕，工藝溫度的選擇範圍為100-300攝氏度。
具體地，步驟(3)通過完全獨立的管路向腔體內以脈衝的方式輸送三甲基鋁和去離子水的蒸汽，載氣採用氮氣；每次沉積循環的脈衝序列為：三甲基鋁脈衝、氮氣吹掃、去離子水蒸汽的脈衝、氮氣吹掃，時間分別為0.1秒、2秒、0.1秒、2秒。
具體地，步驟(4)通過完全獨立的管路向腔體內以脈衝的方式輸送二乙基鋅，三甲基鋁和去離子水的蒸汽，載氣採用氮氣；zno每次沉積循環的脈衝序列為：二乙基鋅脈衝、氮氣吹掃、去離子水蒸汽的脈衝、氮氣吹掃，時間分別為0.1秒、2秒、0.1秒、2秒；al2o3每次沉積循環的脈衝序列為：三甲基鋁脈衝、氮氣吹掃、去離子水蒸汽的脈衝、氮氣吹掃，時間分別為0.1秒、2秒、0.1秒、2秒。
具體地，循環的次數n1的優選範圍是1-100，n2的優選範圍是1-10。
具體地，在步驟(6)中，在沉積鍍膜的循環過後，腔體降溫之前還可增加退火的步驟，所需的退火時間以實際應用需要的退火溫度為準。例如500攝氏度的退火溫度採用30分鐘的退火。
將納米疊層透明的導電薄膜用於太陽能電池中的鈍化層的應用，納米疊層透明的導電薄膜採用上述方法製備，在n-型摻雜時納米疊層透明的導電薄膜可用於電池p發射極的場鈍化，在p-型摻雜時納米疊層透明的導電薄膜用於電池n發射極的場鈍化。
具體地，所述的納米疊層透明的導電薄膜主要包括由zno層和al2o3層組成的基本單元；導電薄膜的總厚度＝基本單元本身的循環次數n3×(zno單層的厚度×zno單層循環次數n1+al2o3單層的厚度×al2o3單層循環次數n2)；氧化鋁在所述的納米疊層透明的導電薄膜中的摻雜度為n2/(n1+n2)at％。
具體地，納米疊層透明的導電薄膜的總厚度的範圍在5納米到200納米之間。
更具體地，當製備薄膜時步驟(2)中的工藝真空100帕、工藝溫度為200攝氏度，zno單層的厚度為0.12nm，誤差範圍±0.01nm(根據不同的測試方法和儀器誤差範圍會不同，在本領域技術人員可接受的誤差範圍內即可，下同)，al2o3單層的厚度為0.1nm，誤差範圍±0.01nm；在此條件下，當納米疊層透明的導電薄膜的鋁摻雜度在1.0at％到7.1at％之間(此處包括端點數值)時，薄膜的電阻率在1.5×10-3ohm·cm到3.0×10-3ohm·cm之間(此處包括端點數值)。
將採用上述方法製備的納米疊層透明的導電薄膜用用於perc結構的太陽能電池中的背鈍化層，可用於在p+發射極用n-型半導體材料做場鈍化，或者在n+發射極用p-型半導體材料做場鈍化。鈍化效果比傳統的鋁背場電池(如solarenergy，2014(110),595–602)在光電轉換效率上至少可以提升0.8％，導電性能可以做到和矽鋁直接接觸的鋁背場電池相當。
關於其他可以使用的材料，以azo為例，zno摻雜第三族的材料如b,al,ga,in；或者第七族材料如cl,i會變成n-型半導體材料。zno摻雜第一族的材料如li,na,k；或者第五族材料如n,p,as會變成p-型半導體材料。
3、有益效果：
(1)本專利製備的納米疊層透明的導電薄膜用於perc結構的太陽能電池中的背鈍化層，鈍化效果比傳統的鋁背場電池在光電轉換效率上至少可以提升0.8％，導電性能可以做到和矽鋁直接接觸的鋁背場電池相當。
(2)perc電池用的al2o3鈍化是基於al2o3內部所帶的負電荷達到的界面場鈍化效應。zno本身就是n-型半導體，通過al摻雜可以提供更多的自由電子以達到降低其電阻率的效果。
(3)採用透明導電氧化物作為鈍化層，不會遮擋光線降低太陽能電池的轉換效率。
附圖說明
圖1納米疊層透明的導電薄膜用的循環序列
圖2納米疊層透明的導電薄膜用在p-型perc電池上的鈍化應用的一個例子。
圖3納米疊層透明的導電薄膜用在n-型電池上的鈍化應用的一個例子。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和具體的實施例，對本發明作詳細描述。
實施例1
本專利中採用不同的工藝條件(工藝真空、工藝溫度)、不同的配比(n1、n2、n3的數值、氧化鋁的摻雜度(n2/(n1+n2)at％)、製備出不同性質(厚度、電阻率)的薄膜，具體各參數的關係如下：
表1製備條件、成分和性質之間的對照表
實施例2
為了實現本發明的目的，採用電阻率較低的材料更便於收集電流，綜合考慮製備條件、配比等因素，在工藝真空100帕、工藝溫度200攝氏度的條件下，固定n2＝1，控制氧化鋁在薄膜中的摻雜度在1at％到7at％之間時，薄膜的電阻率較小，在1.5×10-3ohm·cm到3.0×10-3ohm·cm之間變化，且試驗中以1.5×10-3ohm·cm為一個最小的測量值。
表2優選實施例的製備條件、成分和性質之間的對照表
實施例3
將採用本專利方法製備的納米疊層透明的導電薄膜用於perc結構的太陽能電池中的發射極鈍化。參照圖2所示，用鋁摻雜的氧化鋅薄膜代替perc電池中的氧化鋁層，其所帶負電荷會對背面的p發射極起到鈍化的作用。同時，此導電薄膜會起到收集電流的作用，降低因開孔面積小而升高的接觸電阻。此電池的上表面也可用p-型摻雜的透明導電薄膜做鈍化。
實施例4
將採用本專利方法製備的透明的納米疊層透明的導電薄膜用於n-型晶矽太陽能電池中的發射極鈍化。參照圖3所示，用鋁摻雜的氧化鋅薄膜對電池上表面p發射極鈍化。同時，此導電薄膜會起到收集電流的作用，而且此薄膜在可見光頻率的吸收較少，不會影響光的透過。此電池的背面也可用p-型摻雜的透明導電薄膜做鈍化。
以上示意性地對本發明的創造及其實施方式進行了描述，本發明的保護範圍包括但不限於上述的描述。附圖中所示的也只是本發明創造的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的普通技術人員受到本發明的啟示，在不脫離本發明的創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與本發明的技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本專利的保護範圍。