一种纳米硅/晶体硅异质结光伏电池

摘要

本发明公开了一种纳米硅/晶体硅异质结光伏电池。该电池依次由正面银电极，正面TCO导电薄膜，p型重掺杂纳米硅层，p型轻掺杂纳米硅层，p型轻扩散晶体硅层，n型晶体硅层，本征纳米硅层，n型纳米硅层，背面TCO导电薄膜，背面银电极构成。通过在电池正面的p型重掺杂纳米硅层与n型晶体硅衬底间制备出p型轻掺杂纳米硅层和p型轻扩散晶体硅层，在p型重掺杂纳米硅层和n型晶体硅衬底间形成了薄的缓冲层和浓度梯度结。利用本结构，能够克服常规异质结光伏电池p型层与i型层之间晶格失配的问题，增强了界面电场，减少了界面复合，提高了光伏电池的开路电压和填充因子，提高了光电转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光伏电池的新结构，属于太阳能光伏领域。

背景技术

光伏电池作为一种直接利用太阳能的光电转换器件，一直在向两个方向发展，一个是降低光伏电池的生产成本，另一个是提高光伏电池的光电转换效率。同时，光伏电池的稳定性也是一个值得关注的问题。

晶体硅光伏电池具有光电转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据光伏电池世界总产量的80％以上。但是传统的晶体硅光伏电池生产时需要在高温长时间进行，高温工艺可能会使硅材料产生更多的缺陷，会限制到电池效率的提高，而且高温过程中若有污染会极大降低电池的效率，对材料和生产环境都提出了较高的要求；同时，高温环境会增加电池的生产成本。晶体硅光伏电池目前的现状是：光电转换效率较高，但成本也过高。于是人们转向研究非晶硅光伏电池，非晶硅光伏电池解决了生产温度的问题，它可以在低温下生产，同时因为非晶硅的光学吸收系数大，电池所需的厚度很薄，节约了生产材料，从而降低了电池的生产成本。但是非晶硅光伏电池的效率相对较低，同时，非晶硅光伏电池又面临一个光致退化的问题，即非晶硅光伏电池的光电转换效率会随着光照时间的增加而降低，这个问题始终没有很好的解决，影响了非晶硅光伏电池的寿命，其稳定性有待于进一步提高。由此人们寻找了另一途径就是将宽带隙非晶硅作为窗口层，单晶硅、多晶硅材料作为衬底，形成异质结光伏电池。既有较高的光电转换效率，成本又相对较低。起初研制出pn型异质结光伏电池，随后又研制出pin型异质结光伏电池。

近年，日本Sanyo公司开发出了一种非晶硅-晶体硅异质结光伏电池——HIT电池，其基本结构为P型非晶硅薄膜层/本征非晶硅薄膜层/n型单晶硅层，此种HIT电池的最高实验室效率为23％，市售的200W组件的效率为17％。该电池具有双面对称结构，n型单晶硅两侧有本征非晶硅薄膜，正面一层p型非晶硅层，背面采用一层n⁺型非晶硅作为背电场，之后在正面和背面各有一层透明电极层和电极。这一结构充分利用了非晶硅良好的表面钝化作用，制备出的单体电池效率达到20％以上。而且整个工艺流程都是在200℃下实现，减小了热应力对电池片的损伤，同时降低了生产成本。

然而，HIT电池也存在弱点，其结构中主要包括n型和p型重掺的非晶硅薄膜，但是n型和p型重掺杂的非晶硅薄膜由于掺杂浓度高会使得非晶硅薄膜的结构发生畸变，容易造成“死层”，同时影响了少子的迁移率，造成了大量的缺陷复合中心，从而导致电池的开路电压和填充因子降低，暗电流增大，电池的短路电流减小，并且HIT电池还有界面电场不连续的问题，对电池的性能造成一定影响。

另外，非晶硅材料存在较多的界面态和缺陷，为了保证光生载流子漂移过势垒区，形成光生电流，必须限制N型非晶硅层的厚度，这就增加了窗口层对太阳光的吸收，也使得电池的短路电流减小。而且，非晶硅材料存在光致衰减的现象，影响到电池组件的发电功率和使用寿命。

针对目前的HIT异质结电池界面电场不连续的问题，同时提高光伏电池开路电压和填充因子，实现更高的光电转换效率。本发明提出了一种纳米硅/晶体硅异质结光伏电池结构：通过在晶体硅衬底上形成浓度梯度结，同时也是窗口材料层到晶体硅衬底之间的缓冲层，在工艺实现过程中，通过改变沉积过程中CH₄和B₂H₆的浓度来分别改变缓冲层的禁带宽度和掺杂浓度，使其禁带宽度由1.97ev渐变至1.75ev，实现界面电场的连续变化，同时由于形成了浓度梯度结，能够形成有效力场，加速了对光生载流子的分离、提高了载流子的收集率，减少界面复合，能获得更大的开路电压和光电转换效率。

发明内容

本发明目的在于改进现有光伏电池结构的不足，克服HIT电池界面电场不连续的问题，得到一种光电转换效率高，在电池的晶体硅衬底上形成浓度梯度结的纳米硅晶体硅异质结光伏电池。

本发明通过以下技术方案实现：

电池的叠层顺序从上至下依次设置为：正面银电极、正面TCO导电薄膜、p型重掺杂纳米硅层即p⁺层、p型轻掺杂纳米硅层即p层、p型轻扩散晶体硅层即p^-层、n型晶体硅层、本征纳米硅层即i层、n型纳米硅层、背面TCO导电薄膜、背面银电极；或者是正面银电极、正面TCO导电薄膜、n型重掺杂纳米硅层即n⁺层、n型轻掺杂纳米硅层即n层、n型轻扩散晶体硅层即n^-层、p型晶体硅层、本征纳米硅层即i层、p型纳米硅层、背面TCO导电薄膜、背面银电极，其中掺杂浓度：p⁺层＞p层＞p^-层，n⁺层＞n层＞n^-层。

p型重掺杂纳米硅层的禁带宽度为1.95ev～1.99ev。

p型轻掺杂纳米硅层为1.97ev到1.75ev的渐变带隙。

所述的晶体硅衬底是CZ单晶硅衬底、FZ单晶硅衬底或多晶硅衬底，表面具有绒面结构。

p型或n型轻掺杂纳米硅层和轻扩散晶体硅层的厚度均为9～11纳米。

利用本发明在电池中形成浓度梯度结的结构，可以得到比普通晶体硅光伏电池更低的生产成本；比普通非晶硅电池更好的稳定性和光电转换效率；本发明的异质结电池结构能克服HIT电池界面电池不连续的问题，同时，由于浓度梯度结的原因，能形成有效力场，提高了载流子的收集率，降低了界面复合，提高了电池的开路电压，从而提高了电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明的叠层顺序依次为：正面银电极、正面TCO导电薄膜、p型重掺纳米硅层、p型轻掺杂纳米硅层、p型轻扩散晶体硅层、n型晶体硅层、本征纳米硅层、n型纳米硅层、背面TCO导电薄膜、背面银电极的结构为例说明。首先选取n型晶体硅片，对其进行常规晶体硅电池生产中的化学清洗工艺并制绒，然后通过扩散工艺在n型晶体硅片上扩散一层低浓度的p型层，再利用RENA的湿法刻蚀工艺去背结、边缘pn结，然后在n型晶体硅片保留的扩散面上利用PECVD工艺先沉积一层p型轻掺杂的纳米硅层，再沉积一层p型重掺杂的纳米硅层，之后在n型晶体硅片的去背结面上先后沉积一层纳米硅本征层和一层n型纳米硅层，沉积之后再利用溅射的方法在电池片两面分别制作TCO导电膜，最后利用丝网印刷技术在电池片的正反面印刷银电极。参照图1所示：1.正面银电极、2.正面TCO导电薄膜、3.p型重掺纳米硅层、4.p型轻掺杂纳米硅层、5.p型轻扩散晶体硅层、6.n型晶体硅层、7.本征纳米硅层、8.n型纳米硅层、9.背面TCO导电薄膜、10.背面银电极。

以图1所示叠层顺序为例说明，制备过程包括以下几个步骤：

(1)选取n型晶体硅片，硅片的电阻率为1Ω·cm，硅片的厚度为200μm左右，对硅片进行去损伤和制绒处理。

(2)在n型晶体硅片上进行扩散工艺，首先通过扩散硼源在n型晶体硅片上制备一层低浓度的p型层，通过控制工艺参数，使p型轻扩散晶体硅层5厚度为10纳米，硼的表面浓度为1.0×10¹⁷/cm³，再利用RENA的湿法刻蚀工艺去背结、边缘pn结。

(3)在经过上述处理的n型晶体硅片的p型轻扩散晶体硅层5上，采用PECVD工艺分别沉积p型轻掺杂纳米硅层4和p型重掺杂纳米硅层3。

工艺过程中通过改变CH₄和B₂H₆的浓度来分别改变沉积层的禁带宽度和掺杂浓度，最终得到p型轻掺杂纳米硅层4的厚度为10纳米，掺杂浓度为1.0×10¹⁸/cm3；p型重掺杂纳米硅层3的厚度为10纳米，掺杂浓度为1.0×10¹⁹/cm3。

(4)在n型晶体硅片经过上述去背结处理的那一面，利用PECVD工艺先后沉积本征纳米硅层7和n型纳米硅层8，本征纳米硅层7和n型纳米硅层8的厚度均为10纳米，沉积温度控制在200℃左右。

(5)在经过上述步骤处理的n型晶体硅片的正反两面，利用溅射技术沉积正面TCO导电薄膜2和背面TCO导电薄膜9，TCO导电薄膜的厚度为60nm～100nm，方块电阻为20Ω/□。

(6)最后利用丝网印刷的方法在上述正反两面的TCO导电薄膜上印刷正面银电极1和背面银电极10，正面和背面电极对称印刷，采用低温烧结。

通过以上具体实施方案，在面积为154.8cm²的N型晶体硅片上制备出开路电压U_oc＝654.2mV，工作电压为540mV，短路电流I_sc＝5.323A，工作电流为4.885A，填充因子FF＝75.75％，光电转换效率η＝17.04％的光伏电池。

本发明采用的技术手段是在电池的晶体硅衬底材料上制备出浓度梯度结，从而形成窗口层材料和晶体硅衬底之间的薄的缓冲层，浓度梯度结能够形成有效力场，增强了界面电场，减小了电池中的界面复合，提高了电池的载流子收集率，从而提高了电池的开路电压，填充因子和光电转换效率；克服了HIT异质结电池界面电场不连续的问题。利用纳米硅材料，能够有效的改善非晶硅材料光致衰减的问题。