一種氧化物載流子傳輸層的矽異質結太陽電池及其製備方法與流程
2023-09-13 17:12:50 2
本發明涉及太陽電池的技術領域，特別涉及一種矽異質結太陽電池的製備方法。
背景技術：
太陽能光伏發電由於具有安全可靠、受地域限制因素較少、可方便與建築物相結合等優勢而得到快速發展。為使其能夠大規模應用，關鍵在於提高太陽電池的光電轉換效率、同時降低其生產成本。在眾多光伏產品中，矽異質結太陽電池因其轉換效率高，製備過程低耗能，生產成本較為廉價等優點受到廣泛關注。
參見附圖1，傳統的矽異質結太陽電池採用等離子化學氣相沉積(PECVD)的方法分別製備摻雜的a-Si:H薄膜作為電池的發射層，本徵的a-Si:H薄膜作為電池的鈍化層。但由於PECVD工藝對沉積設備的要求較高，其真空度、氣源、交叉汙染等問題的解決是基於高質量、高性能的昂貴設備，所以必然增加產品的價格。此外，由於矽異質結太陽電池的a-Si:H窗口層材料光學帶隙較窄，僅為1.7～1.9eV，因此寄生吸收較大，直接導致電池光譜相應的降低。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對上述存在的問題，通過在太陽電池中引入了製備方法更為簡單的寬帶隙、高功函數的金屬氧化物材料作為矽異質結太陽電池的HSL(Hole selective layer，空穴選擇層)，低折射率、低功函數的金屬氧化物材料作為電池的ESL(Electron selective layer，電子選擇層)。不同於傳統矽異質結太陽電池p-n結的構建方式，本發明所涉及的太陽電池內部載流子輸運的根本動力為矽片襯底與金屬氧化物之間功函數的差，進而造成的載流子遷移效應。相較於傳統的PECVD製備工藝，由於金屬氧化物製備方法可採用蒸發、濺射、溶膠-凝膠等簡單的製備方式獲得，所以器件製備大幅度降低。且由於過渡金屬氧化物材料光學帶隙較寬，寄生吸收較小，折射率相對較低，從而可以在保證在HSL高透過、ESL高反射的基礎上，實現提高電池輸出特性與短波響應的目的。
本發明的技術方案：
一種氧化物載流子傳輸層的矽異質結太陽電池，由正面金屬柵線電極M1、透明導電薄膜T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、襯底S、電子選擇層ESL、背電極M2組成，所述襯底S形貌為拋光形貌或制絨形貌；結晶情況為單晶或多晶；空穴選擇層HSL為氧化鉬或氧化釩或氧化鎢金屬氧化物材料中的一種或多種，HSL層的厚度控制在5～35nm，光學帶隙寬度為3～4eV；電子選擇層ESL的製備所需要的材料為氧化鋅、氧化銦錫、氧化錫中的一種或多種組合，ESL厚度控制在10～200nm。
其具體製備方法包括以下步驟：
一種氧化物載流子傳輸層的矽異質結太陽電池的製備方法，該方法包括：
在N型矽片襯底S相對的兩面沉積上鈍化層I；
選擇沉積了鈍化層的I的N型矽片襯底S中的一面，在鈍化層I上沉積電子選擇層ESL；
在另一面的鈍化層I上沉積空穴選擇層HSL，在HSL上沉積透明導電薄膜T；
透明導電薄膜T和電子選擇層ESL表面上分別設置電極M1和M2；
其中，所述的空穴選擇層HSL和電子選擇層ESL的材料均為金屬氧化物材料。
進一步的，所述的鈍化層I薄膜為非晶矽或非晶矽氧合金或非晶矽氮合金或二氧化矽或三氧化二鋁中的一種或多種組合。
進一步的，所述的襯底S為單晶矽片或多晶矽片襯底。
進一步的，所述襯底S形貌為拋光形貌或制絨形貌。
進一步的，所述的空穴選擇層HSL為氧化鉬或氧化釩或氧化鎢金屬氧化物材料中的一種或多種。
進一步的，電子選擇層ESL為下列材料中的一種或者多種材料的混合材料：摻雜氧化鋅或摻雜氧化銦錫或摻雜氧化錫材料。
本發明的優點和積極效果：
本發明通過引入光學特性可控且易於製備的金屬氧化物材料作為矽異質結太陽電池的載流子選擇層(HSL或ESL)，利用其與N型矽片襯底S之間的功函數差，在襯底S表面形成反型層，構建內建電場，有效降低了載流子在襯底S表面的複合速率，同時該方法相對於傳統矽異質結太陽電池的製備工藝，降低了對設備真空度、交叉汙染等方面的要求，有利於實現高效低成本矽異質結太陽電池的製備。
本發明的機理分析：
本發明所述一種矽異質結太陽電池的製備方法是在具有雙面鈍化層I和一面具有低功函數金屬氧化物電子選擇層ESL的待處理樣品上，採用簡單的沉積工藝製備一層具有較高功函數的金屬氧化物材料作為空穴選擇層HSL，之後在前面蒸發透明導電薄膜T、最後在電池正反面分別製備金屬電極M1和M2，構成矽異質結太陽電池。本發明將金屬氧化物應用於矽異質結太陽電池的載流子選擇層中，從工作原理上與傳統矽異質結太陽電池有本質差別，由於未摻雜的金屬氧化物並未出現明顯的p型或n型導電特性，所以它與n型矽片襯底S並未構建常規意義上的p-n結。這裡主要是利用金屬氧化物與矽片襯底S構建較大的功函數差，使得矽片襯底S中的載流子向金屬氧化物遷移，導致晶體矽表面出現載流子耗盡，產生強反型層，從而與矽片襯底S內部構成電場。由於金屬氧化物薄膜的製備方法簡單，原料成本較低，光學帶隙較寬，寄生吸收較小，本發明所述的矽異質結太陽電池的製備方法從而可以在獲得高效矽異質結太陽電池的下，進一步降低器件的製備成本的目的。
附圖說明
圖1傳統的矽異質結太陽電池結構示意圖。
圖2為本發明的矽異質結太陽電池的結構示意圖。
圖3為本發明的矽異質結太陽電池量子效率曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明所述的技術方案作進一步的詳細說明。
實施例1：
本實施例的一種矽異質結太陽電池的結構如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體矽S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。
其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為10nm。
電子選擇層ESL為n型摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，厚度為20nm。
晶體矽層S為n型制絨單晶矽。
本實施例的矽異質結太陽電池通過以下方法製備得到：
1.將N型晶向的制絨Cz矽片襯底放置於具有高真空度的PECVD系統中，在矽片正反表面各沉積一層本徵非晶矽鈍化層I。
2.之後選定一面採用磁控濺射的方式沉積AZO薄膜，襯底溫度100℃，工作氣體為Ar，流量為30sccm，濺射功率50W，濺射時間5min。
3.將待處理樣品移入熱蒸發設備中，製備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10-3Pa，待處理樣品表面溫度為室溫，採用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為80A，蒸發時間為5min。
4.在空穴選擇層上採用反應熱蒸發的方式製備80nm ITO材料作為透明電極T。
5.在電子選擇層ESL上面製備金屬電極M2，ITO透明電極T上製備金屬柵線電極M1，得到矽異質結太陽電池。本實施例中採用熱蒸發製備600nm的Al金屬電極M1和M2。
該種高功函數的氧化鉬應用到矽異質結太陽電池的製備過程中，並採用n型AZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到矽異質結太陽電池在400nm波長處的光電響應為75％。
實施例2：
本實施例的一種矽異質結太陽電池的結構如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體矽S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。
其中空穴選擇層HSL為氧化釩薄膜，厚度為15nm。
電子選擇層ESL為摻硼氧化鋅(BZO)薄膜，厚度為100nm。
晶體矽層S為n型制絨單晶矽。
本實施例的矽異質結太陽電池通過以下方法製備得到：
1.將N型晶向的制絨Cz矽片襯底放置於紫外臭氧處理機中，紫外燈光照強度35W的情況下處理2min，使矽片正反表面各形成一層二氧化矽鈍化層I。
2.選定一面在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應壓力為133Pa，矽片另一面預備沉積空穴選擇層。
3.將待處理樣品移入熱蒸發設備中，製備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，採用電阻式加熱方式對載有氧化釩原料的鎢舟加熱，電流為70A，蒸發時間為10min。
4.在空穴選擇層上採用反應熱蒸發的方式製備80nm ITO材料作為透明電極T。
5.在電子選擇層ESL上面製備金屬電極M2，ITO透明電極T上製備金屬柵線電極M1，得到矽異質結太陽電池。本實施例中採用熱蒸發製備600nm的Ag金屬電極M1和M2。
該種高功函數的氧化釩應用到矽異質結太陽電池的製備過程中，並採用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到矽異質結太陽電池在400nm波長處的光電響應為79％。
實施例3：
本實施例的一種矽異質結太陽電池的結構如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體矽S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。
其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為15nm。
電子選擇層ESL為BZO薄膜，厚度為50nm。
晶體矽層S為n型制絨多晶矽。
本實施例的矽異質結太陽電池通過以下方法製備得到：
1.將N型多晶制絨矽片襯底放置於具有高真空度的PECVD系統中，在矽片正反表面各沉積一層本徵非晶矽鈍化層I。
2.選定一面在MOCVD設備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應壓力為133Pa。另一面預備沉積空穴選擇層。
3.將待處理樣品移入熱蒸發設備中，製備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，採用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為100A，蒸發時間為8min。
4.在空穴選擇層上採用反應熱蒸發的方式製備80nm ITO材料作為透明電極T。
5.在電子選擇層ESL上面製備金屬電極M2，ITO透明電極T上製備金屬柵線電極M1，得到矽異質結太陽電池。本實施例中採用熱蒸發製備600nm的Ag金屬電極M1和M2。
該種高功函數的氧化鉬應用到矽異質結太陽電池的製備過程中，並採用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到矽異質結太陽電池在400nm波長處的光電響應為82％。
實施例4：
本實施例的一種矽異質結太陽電池的結構如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體矽S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。
其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為20nm。
電子選擇層ESL為BZO薄膜，厚度為150nm。
晶體矽層S為n型平面單晶矽。
本實施例的矽異質結太陽電池通過以下方法製備得到：
1.將N型晶向的平面矽片襯底放置於具有高真空度的PECVD系統中，在矽片正反表面各沉積一層本徵非晶矽鈍化層I。
2.選定一面在MOCVD設備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為130℃，腔室的反應壓力為100Pa。另一面預備沉積空穴選擇層。
3.在空穴選擇層上採用反應熱蒸發的方式製備80nm ITO材料作為透明電極T。
4.在電子選擇層ESL上面製備金屬電極M2，ITO透明電極T上製備金屬柵線電極M1，得到矽異質結太陽電池。本實施例中採用熱蒸發製備600nm的Al金屬電極M1和M2。
該種高功函數的氧化鉬應用到矽異質結太陽電池的製備過程中，並採用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到矽異質結太陽電池在400nm波長處的光電響應為73％。
實施例5：
本實施例的一種矽異質結太陽電池的結構如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體矽S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。
其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為30nm。
電子選擇層ESL為BZO材料，厚度為100nm。
晶體矽層S為n型制絨單晶矽。
本實施例的矽異質結太陽電池通過以下方法製備得到：
1.將N型晶向的制絨Cz矽片襯底放置於硫酸與雙氧水3:1配製的溶液中，浸泡時間為3min,使矽片正反表面形成二氧化矽鈍化層I。
2.選定一面在MOCVD設備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應壓力為150Pa。另一面預備沉積空穴選擇層。
3.將待處理樣品移入熱蒸發設備中，製備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，採用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為80A，蒸發時間為5min。
4.在空穴選擇層上採用反應熱蒸發的方式製備80nm ITO材料作為透明電極T。
5.在電子選擇層ESL上面製備金屬電極M2，ITO透明電極T上製備金屬柵線電極M1，得到矽異質結太陽電池。本實施例中採用熱蒸發製備600nm的Al金屬電極M1和M2。
該種高功函數的氧化鉬應用到矽異質結太陽電池的製備過程中，並採用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到矽異質結太陽電池在400nm波長處的光電響應為73％。
附圖3給出了本發明的矽異質結太陽電池量子效率曲線，從附圖可知：採用了氧化物空穴選擇層的矽異質結太陽電池在400nm處的量子效率可以超過70％，在500-900nm的寬光譜範圍量子效率超過90％。這是由於寬帶隙空穴選擇層材料的寄生吸收較小，有利於入射光被吸收層所利用，因而對電池的短波響應具有提升的作用，從而有利於提高太陽電池的轉換效率。
綜上，本發明提供了一種氧化物載流子傳輸層的矽異質結太陽電池的製備方法，該方法與矽異質結太陽電池製備工藝完全兼容，普遍適用於單晶矽、多晶矽基異質結太陽電池的製備，方法簡單易於實現，便於工業化生產。當然，本發明的實施例中並未給出涵蓋本發明所有實施方式，如襯底S形貌只以制絨形貌作為實施例進行了描述，但拋光形貌同樣可適用於本發明中。另外，在實施例中空穴選擇層HSL公開了氧化鉬、氧化釩材料，而氧化鎢同樣可作為空穴選擇層HSL，並且上述材料中可一種或多種組合使用。同樣的，電子選擇層ESL只給出了摻鋁氧化鋅、摻硼氧化鋅的實施例，而本發明中同樣可使用摻雜氧化銦錫或摻雜氧化錫，並可同樣可一種或多種組合使用，並達到本發明相同的效果。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。