一种氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种氧化物‑金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，包括晶体硅片，所述晶体硅片的前表面和背表面设有钝化层，背表面钝化层上设有发射极、发射极金属电极和基区金属电极，发射极由第一氧化物薄膜、金属薄膜和第二氧化物薄膜组成；其中第一氧化物薄膜或第二氧化物薄膜为WO

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种氧化物-金属多层膜背接触晶 体硅太阳电池及其制备方法。

背景技术

太阳电池最常见的结构类型是无机材料体系的p-n结类型，根据材料异同可 分为同质结与异质结。异质结太阳电池可以避免高温扩散过程，在低温下制备薄 膜与硅衬底形成p-n结。目前商业化的硅基异质结太阳电池主要包括a-Si:H/c-Si 异质结太阳电池(HeterojunctionwithintrinsicThinlayer,HIT)和叉指结构硅基异 质结(Interdigitatedbackcontactsiliconheterojunction,IBC-SHJ)太阳电池。

IBC-SHJ太阳电池前表面采用较大带系的半导体材料作为减反膜和钝化膜， 以减少光的反射和寄生性吸收，因此比HIT太阳电池具有更高的电流密度。但 是IBC-SHJ太阳电池目前存在以下问题：一、设备昂贵，并且原材料硅烷属于 易燃易爆的化学物品。二、需要复杂的掩膜和精准的对位技术，例如：光刻、激 光刻蚀等，防止电池发射极与基区连接造成电池短路。三、需要使用ITO等透 明导电薄膜和低温银浆，成本高，难以进行大量生产。因此探索新材料、新结构、 新制备工艺，简化工艺步骤、降低对设备的要求及适合大规模生产，获得高效率 的新型异质结太阳电池，具有重要的意义。

近些年WO₃，NiO，V₂O₅等过渡金属氧化物材料，由于功函数高、带隙宽、 光的寄生性吸收小等优点被广泛的应用于光电子器件中，如：有机发光二极管 (OLED)、有机太阳电池(OPV)。然而，过渡金属氧化物属于绝缘材料，电阻率较 高。为了改善薄膜的电学特性，并且能够低温制备，可以通过在氧化物薄膜中插 入一层金属层来实现，形成氧化物/金属/氧化物多层膜结构，例如WO₃/Ag/WO₃、 NiO/Ag/NiO、V₂O₅/Ag/V₂O₅等。这种多层膜的结构具有如下特点：一、拥有 较低的表面方块电阻；二、优异的光学性能，氧化物/金属/氧化物复合结构的薄 膜通过金属层和氧化物层之间的等离子体耦合作用，增加了在可见光范围的透过 率，能够有效地阻止金属层的反射；三、较高的功函数。

专利CN104916709A中，将金属多层膜与硅材料结合起来，在沉积有钝化 层的硅片正面沉积氧化物/金属/氧化物多层膜，制备具有前结的氧化物-金属多层 膜/硅基太阳电池。但是前结的氧化物-金属多层膜/硅基太阳电池具有以下缺点： (1)电池的发射极中含有一层金属膜，由于金属膜对光的反射和吸收，会极大 地降低电池的光生电流；(2)前表面的金属电极和发射极仅部分接触(～8％)， 串联电阻大，填充因子较低。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种氧化物-金属多层膜背接触晶 体硅太阳电池，该太阳电池将氧化物-金属多层膜作为发射极并设置于晶体硅片 的背面，效率高，可以避免传统的热扩散、离子注入或者等离子体增强型化学气 相沉积(PECVD)制备非晶硅作为发射极引起的寄生性吸收、俄歇复合和“死 层”等问题。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述氧化物-金属多层膜背接触晶 体硅太阳电池的制备工艺，该方法制作工序少，整个制备过程无需高温，适合大 规模生产。

本发明的第一个技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种氧化物-金属 多层膜背接触晶体硅太阳电池，包括晶体硅片，所述晶体硅片的前表面和背表面 设有钝化层，所述背表面钝化层上设有发射极、发射极金属电极和基区金属电极， 所述发射极由第一氧化物薄膜、金属薄膜和第二氧化物薄膜组成；其中第一氧化 物薄膜或第二氧化物薄膜为WO₃薄膜、NiO薄膜或V₂O₅薄膜，所述金属薄膜为 Ag薄膜、Au薄膜、Pd薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜、Mo薄膜、W薄膜或Al薄膜。

本发明通过将氧化物-金属多层膜作为发射极，与硅片或者硅薄膜结合形成 氧化物-金属多层膜硅基背面接触太阳电池，电池的光吸收层主要是硅，电池前 表明无金属栅线遮挡，氧化物-金属多层膜具有较高的功函数能够诱导硅表面能 带弯曲产生空间电荷区、载流子收集与传输的作用，整个制备工艺处于低温的状 态，设备简单，成本较低，环境友好。

相比于商业化的硅基异质结背接触太阳电池，氧化物-金属多层膜背接触晶 体硅太阳电池有以下优点：一、低成本，由于采用低温工艺，不需要光刻、激光 等昂贵设备，不需要透明导电薄膜和低温银浆，从而降低成本；二、工艺步骤简 单，仅需两次金属网版掩膜，无商业化背接触电池复杂的工艺流程。因此，氧化 物-金属多层膜硅基背面接触结构的太阳电池在实用化方面具有更广阔的前景。

相比于前结氧化物-金属多层膜/硅基太阳电池，氧化物-金属多层膜背接触晶 体硅太阳电池有以下优点：(1)电池的发射极中含有一层金属膜，由于金属膜对 光的反射和吸收，会极大地降低电池的光生电流，而背接触结构的电池发射极在 背面，不会对光生电流造成损失；(2)前表面的金属电极和发射极仅部分接触 (～8％)，相比于背接触电池(金属电极和发射极全部接触)有更大的串联电阻， 导致填充因子较低；(3)高效率，由于完全消除了正面栅线电极的遮光损失，从 而提高电池的效率；(4)、低成本，由于采用低温工艺，可实现电池的薄片化， 从而降低成本；因此，氧化物-金属多层膜硅基背面接触结构的太阳电池在实用 化方面具有更广阔的前景。

本发明所述第一氧化物薄膜的厚度优选为5～30nm，所述金属薄膜的厚度优 选为2～20nm，所述第二氧化物薄膜的厚度优选为5～80nm。

本发明所述第一氧化物薄膜和第二氧化物薄膜优选采用电阻式热蒸发、电子 束蒸发或磁控溅射法制得；所述金属薄膜优选采用电阻式热蒸发法蒸镀制得。

本发明所述晶体硅片优选为单晶硅片、多晶硅片或硅薄膜，单晶硅片或多晶 硅片优选为P型或N型。

本发明所述发射极金属电极与所述基区金属电极之间设有间隙。

本发明所述晶体硅片的前表面钝化层上设有减反射薄膜。

本发明的第二个技术问题是通过以下技术方案来实现的：上述背接触式氧化 物-金属多层膜/硅基太阳电池制备方法，包括以下步骤：

(1)选取晶体硅片，清洗后，在晶体硅片的前表面和背表面沉积钝化层；

(2)在晶体硅片背面设置与基区金属电极图形相适配的掩膜版掩盖基区金 属电极，在背表面沉积钝化层上沉积第一氧化物薄膜，在第一氧化物薄膜上沉积 金属薄膜，在金属薄膜上沉积第二氧化物薄膜，形成发射极；

(3)在第二氧化物薄膜上设置发射极金属电极；

(4)在晶体硅片背面设置与发射极图形相适配的掩膜版掩盖发射极，在背 表面钝化层上设置基极金属电极，即制得氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳 电池。

在该背接触式氧化物-金属多层膜/硅基太阳电池制备方法中：

步骤(1)中清洗优选采用RCA工艺清洗。

步骤(1)中所述钝化层优选为SiO₂、TiO₂、(i)a-Si:H、Al₂O₃或SiN_x，其厚 度为1～15nm，优选采用热氧化、PECVD、原子层沉积或磁控溅射法制得。

步骤(1)中在晶体硅片的前表面钝化层上设有减反射薄膜，所述的减反射 膜优选为MgF₂、SiN_x、TiO₂，其厚度为5～300nm，优选采用电阻式热蒸发、 PECVD、原子层沉积或磁控溅射法制得。

步骤(3)中优选采用丝网印刷法或掩膜网版电阻式热蒸发法制备发射极金 属电极。

步骤(4)中基极金属电极优选为采用丝网印刷法或电阻式热蒸发法制备的 金属栅线，所述金属栅线的宽度0.1～1mm，高度为1～10μm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将氧化物-金属多层膜通过物理沉积法(PVD)沉积在硅基底背 面作为发射极，实现电极的全背面接触，尚无文献和专利报道，是一种全新结构 的硅基太阳电池；

(2)本发明利用氧化物-金属多层膜作为电池的发射极能够有效减少高掺杂 引起的俄歇复合和“死层”，能减少复合，增强太阳电池的短波响应，提高电池 的短路电流；

(3)本发明通过钝化层对氧化物-金属多层膜与硅片或者硅薄膜接触界面进 行钝化，能减少缺陷态，提高电池的开路电压；

(4)本发明电池整个制备过程中，没有高温过程，能够在低温下制备高效 电池；

(5)与HIT、IBC-SHJ等太阳电池相比，本发明中采用氧化物-金属-氧化物 多层膜作为电池的发射极，具有制备工艺简洁、器件性能好，设备简单，成本低 廉，节能环保的优点，且适合大规模生产；

(6)本发明中氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，其光电转换效率 较高，拥有一定的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1-2中制备的氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电 池的结构示意图；其中1为硅基体，2为钝化层，3为减反射薄膜，4为第一氧 化物薄膜，5为金属薄膜，6为第二氧化物薄膜，71为发射极金属电极，72为基 区金属电极；

图2是本发明实施例1-2中氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池制备 流程图，其中(1)在晶体硅片的前表面和背面沉积钝化层，(2)在前表面沉积 减反射膜，(3)在掩膜版的遮挡下依次沉积第一氧化物、金属薄膜和第二氧化物， 接着沉积发射极金属电极，(4)在掩膜版的遮挡下沉积基区金属电极；

图3是本发明实施例1中制备的氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池 制造结束时背表面的示意图；

图4是本发明实施例2中氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池制造结 束时背表面的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不 限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1中所示，本实施例提供的结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太 阳电池，包括晶体硅片1，晶体硅片1的前表面和背表面设有钝化层2，,钝化层 2上设有发射极、发射极金属电极71和基区金属电极72，发射极由第一氧化物 薄膜4、金属薄膜5和第二氧化物薄膜6组成；其中第一氧化物薄膜4或为WO₃薄膜，金属薄膜为Ag薄膜，第二氧化物薄膜6为V₂O₅薄膜。

其中第一氧化物薄膜4的厚度为5～30nm，金属薄膜5的厚度为2～20nm， 第二氧化物薄膜6的厚度为5～80nm。

晶体硅片1的前表面钝化层2上设有减反射薄膜3。

发射极金属电极71与基区金属电极72之间设有间隙(图中浅黑色发射极金 属电极71与黑色基区金属电极72之间的白色线条)。

上述结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，通过以下方法制备 获得：

(1)将n型或者p型单晶硅片用RCA工艺进行清洗，接着使用干氧热氧化 工艺在硅片前后表面形成SiO₂钝化层，设置热氧化的温度为850℃，氧化时间 为1～10min，在硅片表面形成2～5nm的SiO₂，如图2中(1)所示，接着在SiO₂钝化层上沉积减反射薄膜，如图2中(2)所示；

其中RCA清洗工艺主要包括SPM(H₂SO₄:H₂O₂＝3:1)去除有机物，DHF (HF:H₂O＝1:30)去除氧化层，用APM(NH₄OH:H₂O₂:H₂O＝1:1:5)去除颗粒，HPM (HCl:H₂O₂:H₂O＝1:1:6)去除金属杂质；

(2)然后通过电阻式热蒸发镀膜机在钝化层背表面，通过金属掩模板制备 WO₃薄膜，真空度大约为5×10^-4Pa，膜的厚度为5～30nm，其中金属掩模板与基 区金属电极图形相适配；

(3)再使用电阻式热蒸发镀膜机蒸镀Ag薄膜，真空度约为8×10^-4Pa，膜 厚为2～20nm；

(4)然后再次使用电阻式热蒸发镀膜机制备V₂O₅薄膜和发射极金属电极， 真空度约为5×10^-4Pa，V₂O₅膜的厚度为5～80nm，金属电极的厚度为1～10μm， 如图2中(3)所示；

(5)最后通过金属掩模板制备基极金属电极，如图2中(4)所示；制造结 束时,氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池背表面的示意图如图3所示，其 中金属掩模板与发射极图形相适配。

实施例2

本实施例提供的结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，与实施 例1不同的是，钝化层2为Al₂O₃钝化层，第一氧化物薄膜4为V₂O₅，金属薄 膜5为Au薄膜，第二氧化物薄膜6为WO₃。

上述结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，通过以下方法制备 获得：

(1)将n型或者p型单晶硅片用RCA工艺进行清洗，接着使用原子层沉积 (ALD)技术在硅片前后表面沉积一层Al₂O₃钝化层，设置沉积温度为200℃， Al(TMA)、N₂、H₂O的脉冲时间分别为：0.1s、10s和0.1s，流速分别为：150sccm、 150sccm和200sccm，进行10～30个循环，在硅片表面沉积1～3nm的Al₂O₃； 如图2中(1)所示；接着在Al₂O₃钝化层上沉积减反射薄膜，如图2中(2)所 示；

其中RCA清洗工艺主要包括SPM(H₂SO₄:H₂O₂＝3:1)去除有机物，DHF (HF:H₂O＝1:30)去除氧化层，用APM(NH₄OH:H₂O₂:H₂O＝1:1:5)去除颗粒，HPM (HCl:H₂O₂:H₂O＝1:1:6)去除金属杂质；

(2)然后通过电阻式热蒸发镀膜机在钝化层背表面，通过金属掩模板制备 V₂O₅薄膜，真空度大约为5×10^-4Pa，膜的厚度为5～30nm；

(3)再使用电阻式热蒸发镀膜机蒸镀Au薄膜，真空度约为8×10^-4Pa，膜 厚为2～20nm；

(4)然后再次使用电阻式热蒸发镀膜机制备WO₃薄膜和发射极金属电极， 真空度约为5×10^-4Pa，WO₃膜的厚度为5～80nm，发射极金属电极的厚度为1～10 μm，如图2中(3)所示；

(5)最后通过金属掩模板制备基极的金属电极，如图2中(4)所示；制造 结束时,氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池背表面的示意图如图4所示。

实施例3

本实施例提供的结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，与实施 例1不同的是，钝化层2为TiO₂钝化层，第一氧化物薄膜4为V₂O₅，金属薄膜 5为Pd薄膜，第二氧化物薄膜6为NiO。

上述结构为氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池，通过以下方法制备 获得：

(1)将n型或者p型单晶硅片用RCA工艺进行清洗，接着使用原子层沉积 (ALD)技术在硅片前后表面沉积一层TiO₂钝化层，设置沉积温度为200～300 ℃，TiCl₄、N₂、H₂O的脉冲时间分别为：1s、3s和1s，流速分别为：150sccm、 150sccm和200sccm，进行10～30个循环，在硅片表面沉积1～3nm的二氧化钛； 如图2(1)所示；接着在TiO₂钝化层上沉积减反射薄膜，如图2中(2)所示；

其中RCA清洗工艺主要包括SPM(H₂SO₄:H₂O₂＝3:1)去除有机物，DHF (HF:H₂O＝1:30)去除氧化层，用APM(NH₄OH:H₂O₂:H₂O＝1:1:5)去除颗粒，HPM (HCl:H₂O₂:H₂O＝1:1:6)去除金属杂质；

(2)然后通过电阻式热蒸发镀膜机在钝化层背表面，通过金属掩模板制备 V₂O₅薄膜，真空度大约为5×10^-4Pa，膜的厚度为5～30nm；

(3)再使用电阻式热蒸发镀膜机蒸镀Pd薄膜，真空度约为8×10^-4Pa，膜厚 为2～20nm；

(4)然后再次使用电阻式热蒸发镀膜机制备NiO薄膜和发射极金属电极， 真空度约为5×10^-4Pa，NiO膜的厚度为5～80nm，发射极金属电极的厚度为1～10 μm，如图2中(3)所示；

(5)最后通过金属掩模板制备基极金属电极，如图2中(4)所示；制造结 束时，氧化物-金属多层膜背接触晶体硅太阳电池背表面的示意图如图3所示。

显然，上述内容只是为了说明本发明的特点，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员根据本发明在相应的技术领域做出的变化应属于本发 明的保护范畴。