无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明提供一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池及其制备方法。该电池包括：具有相对的第一表面和第二表面的基材层，所述第一表面为凹凸面；叠设于所述第一表面上的钝化层；叠设于所述第二表面的电子层和空穴层，且电子层和空穴层有间隔；以及叠设于电子的阴极电极和叠设于空穴层的阳极电极。由该电池采用n型或p型硅片作为基材，以氧化铝作为钝化层，制备时不需要高温，制备过程中极大的降低能耗，节约成本，获得的电池具有结构稳定、品质优良等特点。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步，生活水平的不断提高，对能源需求呈现出高速增长的趋势，导致全球能源危机日益严峻。由于石化等能源不可再生，而且在开发使用过程中会污染环境，出于保护地球环境等需要，人们把越来越多的目光投向了太阳能、氢能等可再生能源。

目前，对于太阳能的研究开发，由于太阳能电池能够通过光伏效应将太阳能转化为电能，因此太阳能电池一直是国内外研究的热点。现今市场上成熟的太阳电池主要为基于单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟以及多晶膜化合物半导体等无机太阳能电池，但是由于全硅基半导体太阳电池对材料纯度的要求非常高，且价格昂贵，因此其市场化应用受到很大限制。

从结构及制备工艺上看，全硅基太阳能电池采用的是轴向的p-n结结构，这对硅的纯度比较高。而且在p-n结制备工艺中，需要通过高达1000℃的高温以离子扩散的方法形成p-n结，高温加热一方面会对硅的结构品质造成破坏，另一方面高温加热所带来的能耗已经成为该类电池成本居高不下的重要原因之一。

近年来，研究者发明了一种基于硅衬底的有机/无机杂化太阳能电池，已经有报道称目前有基硅基底的有机/无机杂化太阳能电池能量转换效率达到了14.1％。例如专利号为201110203700.7的中国发明专利公开了一种有机/无机杂 化太阳能电池。该电池以n型硅基为n型材料，p型共轭有机半导体为p型材料，其中n型硅基表面经过处理形成硅纳米阵列。电池结构为金属电极/n型硅基/硅纳米阵列/p型有机物/金属电极。但是由于有机物的不稳定，所以距离有商业化还有比较长的路要走。

发明内容

针对目前全硅基太阳能电池需要高温处理引发的结构品质不良等问题，本发明实施例提供了一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下:

一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，包括：

基材层，所述基材层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面为凹凸面；

钝化层，所述钝化层由无机物构成，所述钝化层叠设于所述第一表面上；

电子层和空穴层，所述电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，且所述电子层和所述空穴层在所述第二表面上相互交替排列且有间隔；

阴极电极和阳极电极，所述阴极电极叠设于所述电子层表面，所述阳极电极叠设于所述空穴层表面。

以及，一种如上所述的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池的制备方法，至少包括以下步骤：

采用氢氧化钠和异丙醇的混合溶液对整平且洁净后的n型或p型硅基材的第一表面进行各向异性腐蚀绒化处理；

对腐蚀后的所述第一表面进行甲基钝化处理；

对所述第一表面进行钝化层的沉积处理；

在n型或p型硅基材的第二表面分别进行电子层和空穴层的蒸镀处理，并使得蒸镀形成的电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，且所述电子层和空穴 层相互间有间隔；

在所述电子层和空穴层表面分别进行阴极电极和阳极电极的蒸镀处理。

本发明上述实施例提供的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，通过基材和无机化合物相结合形成双异质结，基材无掺杂；而且基材的第一表面为凹凸面，有利于提高对太阳光的吸收量；同时由于电池的正负极均位于基材的第二表面，也即背部，避免了对入射光的遮挡，提高了电池对光的吸收。

本发明上述实施例提供的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池制备方法，以n型或p型硅作为基材，通过在硅基呈锯齿状的第一表面与无机化合物相互结合形成双异质结，减少了轨迹掺杂制结的过程，降低了制备过程的能耗；进一步地通过对硅基表面进行制绒处理，得到锯齿状结构，有利于提高对太阳光的吸收，且在钝化之前对第一表面进行甲基钝化，提高了界面接触性能和电池部件间的稳定性；最为重要的是，本发明实施例提供的制备方法无需高温制备p-n结，获得的电池具有结构稳定、品质优良等特点，且制备过程能够极大的降低能耗，进而节约成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:

图1是本发明实施例无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池结构示意图；

图2是本发明实施例无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池三种不同尺寸掩膜版制备的电池电流-电压曲线；

图3是本发明实施例最优阴阳极宽度下获得的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实例提供了一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，该电池包括：

基材层1，该基材层1具有相对设置的第一表面11和第二表面12，第一表面11为凹凸面，第二表面12为平整表面；

钝化层2，钝化层2为无机物，钝化层2叠设于第一表面11上；

电子层3和空穴层4，所述电子层3和空穴层4相互交替叠设于所述第二表面12上，且所述电子层3和所述空穴层4有间隔；这里的相互交替叠设，指的是电子层3和空穴层4均叠设于第二表面12上，且电子层3和空穴层4相互交替并排于第二表面12上，电子层3和空穴层4不相互接触，以避免出现短路。

阴极电极5和阳极电极6，所述阴极电极5叠设于所述电子层3表面，所述阳极电极6叠设于所述空穴层4表面。

作为优选地，基材层1的材料为n型硅或者p型硅，基材层的厚度为300μm～400μm。直接采用n型或p型硅可减少硅掺杂制结的过程，降低了制备过程的能耗。

作为优选地，所述第一表面11为金字塔状的结构或者锯齿状结构，一方面可以提高对太阳光的吸收量，另一方面提高了钝化层2和基材层1的结合力。

作为优选地，由无机物构成的钝化层2的厚度为10～20nm。进一步地，无机物为氧化铝。氧化铝直接与n型或p型硅构成双异质结，减少了硅基掺杂制结的过程，避免了高温制备掺杂的p-n结，极大的降低了生产成本，而且由于不需要经过高温处理，获得的电池具有结构稳定，品质优良等特点。

作为优选地，空穴层4的宽度是电子层3的宽度的1.2～1.7倍，空穴层4宽度为2～15mm，电子层3宽度为1.5～10mm，且空穴层的厚度为5～15nm、电子层厚度为0.3～1.5nm。空穴层的宽度大于电子层的宽度时，有利于空穴传输和电子传输的平衡，而如果电子层宽度大于空穴层宽度，则容易造成空穴收集效 率低，容易和电子发生界面复合。

优选地，电子层3的材料为氟化锂、碳酸铯、氟化钾、氟化铯中的任一种。该类材料作为电子选择层，其迁移率与硅的能级相匹配，从而实现电子传输具有良好的效率；电子层3的厚度为0.3～1.5nm，由于电子传输层的迁移率较低，所以厚度不能太大。

优选地，空穴层4的材料为氧化钼、氧化钒、氧化钨、氧化镍中的任一种，这类过渡金属薄膜具有良好的空穴传输性能，可以降低制造的能耗，避免有毒的高温掺杂过程，可以大幅度降低生产成本和环境的污染程度；空穴层4的厚度为5～15nm，厚度过大会导致填充因子降低，过低容易导致界面复合，开路电压降低。

优选地，空穴层4与电子层3相互间隔的间距为0～50μm，且不能为0。当空穴层4和电子层3之间的距离为0时，出现短路。

进一步优选地，空穴层4的宽度为3mm、电子层3的宽度为2mm，且空穴层4的厚度为10nm、电子层的厚度为0.5nm时，在该尺寸配合下，获得的太阳能电池的效率达到最优值。

本发明上述实施例提供的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，通过基材和无机化合物相结合形成双异质结，基材无掺杂；而且基材的第一表面为凹凸面，有利于提高对太阳光的吸收；同时由于电池的正负极均位于基材的第二表面，也即背部，避免了对入射光的遮挡，提高了电池对光的吸收。

相应地，在上述所述的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池的基础上，本发明实施例还提供了该电池的一种制备方法。

在一实施例中，一种如上所述的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池的制备方法，至少包括以下步骤：

采用氢氧化钠和异丙醇的混合溶液对整平且洁净后的n型或p型硅基材的第一表面进行各向异性腐蚀绒化处理；

对腐蚀后的所述第一表面进行甲基钝化处理；

对所述第一表面进行钝化层的沉积处理；

在n型或p型硅基材的第二表面分别进行电子层和空穴层的蒸镀处理，并使得蒸镀形成的电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，且所述电子层和空穴层相互间有间隔；

在所述电子层和空穴层表面分别进行阴极电极和阳极电极的蒸镀处理。

具体地，对晶向(100)的n型或p型硅片进行表面清洗，主要是先20％氢氧化钠溶液85℃粗抛去除表面损伤1～3分钟；然后用稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟左右，获得表面平整的基材。

在腐蚀绒化处理过程中，采用质量分数为3～5％的氢氧化钠和质量分数为6～10％的异丙醇共混溶液，在80～90℃绒化处理30分钟左右；腐蚀绒化处理后，采用稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟左右；接着用质量分数为10～15％的氢氟酸氢化5～10分钟，氮气吹干。

上述制备方法中，甲基钝化处理过程包括以下步骤：

(1)将经过腐蚀绒化后的第一表面置于饱和五氯化磷氯苯溶液145～155℃加热处理1.5～2.5小时；

(2)采用氯苯溶液、四氢呋喃溶液对步骤(1)处理后的基材分别冲洗三次；

(3)采用1mol/L的甲基氯化镁四氢呋喃溶液对步骤(2)处理后的基材在80～90℃加热处理6～8小时；

(4)采用四氢呋喃溶液和甲醇对步骤(3)获得的基材清洗三次,并用稀盐酸中浸泡1小时，然后氮气吹干，保存在干净的环境中备用。

上述钝化层沉积处理具体是利用原子沉积(ALD)在上表面制备Al₂O₃，具体方法如下：

采用三甲基铝(TMA)作为前驱体，H₂O作为氧源，高纯氮气环境下制备；制备的温度为240～260℃，生长周期为100个，厚度10～20nm；

上述电子层、空穴层以及阴极、阳极电极的制备是利用真空热蒸发(真空蒸镀)制备。具体的制备过程如下：

确保整个真空蒸镀过程中真空度5×10^-4Pa以下；

其中，控制电子层的蒸镀速率为0.008～0.012nm/s，蒸镀厚度为0.5～1.5nm；空穴层的蒸镀速率为0.01～0.03nm/s，蒸镀厚度为5～15nm；阴极和阳极电极的蒸镀速率为0.03～0.1nm/s，蒸镀厚度为150～250nm；

控制空穴层和电子层之间的间隙为0～50μm，且间距不能为0。

本发明上述实施例提供的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池制备方法，采用n型或p型硅基与无机化合物形成双异质结，减少了硅基掺杂制结的过程，降低了制备过程的能耗；对硅基表面进行制绒处理，得到锯齿状(或者说金字塔)结构，提高了太阳光的吸收；且对硅基第一表面进行甲基钝化，提高了界面接触性能以及器件稳定性；器件正极负极均位于背部，避免了对入射光的遮挡，提高了器件的光吸收；最为重要的是，本发明实施例提供的制备方法，无需高温制备p-n结，获得的电池具有结构稳定、品质优良等特点，且制备过程能够极大的降低能耗，节约成本。

为更有效的说明本发明的技术方案，以下通过多个实施例来举例说明本发明提供的无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池。

实施例1

一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，包括：

基材层，基材层的材料为n型硅，厚度为350μm；所述基材层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面呈锯齿状；

钝化层，厚度为16nm；所述钝化层由氧化铝构成，所述钝化层叠设于所述第一表面上；

电子层和空穴层，电子层的材料为氟化锂，厚度为0.5nm，宽度为2mm；空穴层的材料为氧化钼，厚度为10nm，宽度为3mm；所述电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，相互交替叠设，且所述电子层和所述空穴层有间隔，间隔为50μm；

阴极电极和阳极电极，阴极电极和阳极电极的厚度均为200nm，材料均为 铝金属；所述阴极电极叠设于所述电子层表面，所述阳极电极叠设于所述空穴层表面。

所述太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

n硅片基材的各向异性腐蚀进行第一表面锯齿状结构的制备：

1)20％氢氧化钠溶液85℃粗抛去除表面损伤3分钟；

2)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

3)3％氢氧化钠、8％异丙醇共混溶液85℃制绒30分钟；

4)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

5)10％氢氟酸氢化5分钟，氮气吹干。

n型硅基材第一表面的甲基钝化处理：

1)饱和五氯化磷氯苯溶液150℃加热2小时；

2)氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别冲洗三次；

3)1mol/L甲基氯化镁四氢呋喃溶液85℃加热8小时；

4)四氢呋喃溶液清洗三次，甲醇冲洗，在稀盐酸中浸泡1小时，氮气吹干，保存在干净的环境中备用。

利用原子沉积(ALD)在n型硅基材的第一表面进行钝化层的沉积处理：

以三甲基铝(TMA)作为前驱体，H₂O作为氧源，高纯氮气环境下制备；温度250℃，生长周期为100个，厚度16nm；

利用真空热蒸发分别制备电子层/铝电极、空穴层/铝电极，具体如下：

控制真空蒸镀的真空度为5×10^-4Pa；

控制电子层的蒸镀速率为0.01nm/s，制成厚度为0.5nm、宽度为2mm的电子层(LiF)；

控制空穴层的蒸镀速率为0.03nm/s，制成厚度为为10nm、宽度为3mm的空穴层(MoO₃)；

控制铝电极的蒸镀速率小于0.03nm/s，在空穴层和电子层表面分别制成厚度为200nm的铝电极。

实施例2

一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，包括：

基材层，基材层的材料为n型硅，厚度为350μm；所述基材层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面呈锯齿状；

钝化层，厚度为16nm；所述钝化层由氧化铝构成，所述钝化层叠设于所述第一表面上；

电子层和空穴层，电子层的材料为氟化锂，厚度为0.5nm，宽度为4mm；空穴层的材料为氧化钼，厚度为10nm，宽度为6mm；所述电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，相互交替叠设，且所述电子层和所述空穴层有间隔，间隔为50μm；

阴极电极和阳极电极，阴极电极和阳极电极的厚度均为200nm，材料均为铝金属；所述阴极电极叠设于所述电子层表面，所述阳极电极叠设于所述空穴层表面。

所述太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

n硅片基材的各向异性腐蚀进行第一表面锯齿状结构的制备：

1)20％氢氧化钠溶液85℃粗抛去除表面损伤3分钟；

2)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

3)3％氢氧化钠、8％异丙醇共混溶液85℃制绒30分钟；

4)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

5)10％氢氟酸氢化5分钟，氮气吹干。

n型硅基材第一表面的甲基钝化处理：

1)饱和五氯化磷氯苯溶液150℃加热2小时；

2)氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别冲洗三次；

3)1mol/L甲基氯化镁四氢呋喃溶液85℃加热8小时；

4)四氢呋喃溶液清洗三次，甲醇冲洗，在稀盐酸中浸泡1小时，氮气吹干，保存在干净的环境中备用。

利用原子沉积(ALD)在n型硅基材的第一表面进行钝化层的沉积处理：

以三甲基铝(TMA)作为前驱体，H₂O作为氧源，高纯氮气环境下制备；温度250℃，生长周期为100个，厚度16nm；

利用真空热蒸发分别制备电子层/铝电极、空穴层/铝电极，具体如下：

控制真空蒸镀的真空度为5×10^-4Pa；

控制电子层的蒸镀速率为0.01nm/s，制成厚度为0.5nm、宽度为4mm的电子层(LiF)；

控制空穴层的蒸镀速率为0.03nm/s，制成厚度为为10nm、宽度为6mm的空穴层(MoO₃)；

控制铝电极的蒸镀速率小于0.03nm/s，在空穴层和电子层表面分别制成厚度为200nm的铝电极。

实施例3

一种无界面掺杂的背接触硅异质结太阳能电池，包括：

基材层，基材层的材料为n型硅，厚度为350μm；所述基材层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面呈锯齿状；

钝化层，厚度为16nm；所述钝化层由氧化铝构成，所述钝化层叠设于所述第一表面上；

电子层和空穴层，电子层的材料为氟化锂，厚度为0.5nm，宽度为8mm；空穴层的材料为氧化钼，厚度为10nm，宽度为12mm；所述电子层和空穴层叠设于所述第二表面上，相互交替叠设，且所述电子层和所述空穴层有间隔，间隔为50μm；

阴极电极和阳极电极，阴极电极和阳极电极的厚度均为200nm，材料均为铝金属；所述阴极电极叠设于所述电子层表面，所述阳极电极叠设于所述空穴层表面。

所述太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

n硅片基材的各向异性腐蚀进行第一表面锯齿状结构的制备：

1)20％氢氧化钠溶液85℃粗抛去除表面损伤3分钟；

2)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

3)3％氢氧化钠、8％异丙醇共混溶液85℃制绒30分钟；

4)稀盐酸、乙醇、水分别超声清洗10分钟；

5)10％氢氟酸氢化5分钟，氮气吹干。

n型硅基材第一表面的甲基钝化处理：

1)饱和五氯化磷氯苯溶液150℃加热2小时；

2)氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别冲洗三次；

3)1mol/L甲基氯化镁四氢呋喃溶液85℃加热8小时；

4)四氢呋喃溶液清洗三次，甲醇冲洗，在稀盐酸中浸泡1小时，氮气吹干，保存在干净的环境中备用。

利用原子沉积(ALD)在n型硅基材的第一表面进行钝化层的沉积处理：

以三甲基铝(TMA)作为前驱体，H₂O作为氧源，高纯氮气环境下制备；温度250℃，生长周期为100个，厚度16nm；

利用真空热蒸发分别制备电子层/铝电极、空穴层/铝电极，具体如下：

控制真空蒸镀的真空度为5×10^-4Pa；

控制电子层的蒸镀速率为0.01nm/s，制成厚度为0.5nm、宽度为8mm的电子层(LiF)；

控制空穴层的蒸镀速率为0.03nm/s，制成厚度为为10nm、宽度为12mm的空穴层(MoO₃)；

控制铝电极的蒸镀速率小于0.03nm/s，在空穴层和电子层表面分别制成厚度为200nm的铝电极。

为了验证上述实施例及对比例获得的太阳能电池的性能，在室温下，使用氙气灯模拟太阳光AM1.5，光强度为100mW/cm³，分别测试实施例1～3的电流-电压变化曲线，测试结果如图2所示，其中，type1为掩膜版＝3mm/2mm获得的电池，对应实施例1、type2为掩膜版＝6mm/4mm获得的电池，对应实施例2、type3 为掩膜版＝12mm/8mm获得的电池，对应实施例3。

从图2可知，实施例1的空穴层宽度为3mm、电子层宽度为2mm时，获得的太阳能电池的短路电流为31.11mA/cm²，开路电压为0.58V，填充因子为67.6％，能量转换效率为12.20％；实施例2的空穴层宽度为6mm、电子层宽度为4mm时，获得的太阳能电池的短路电流为28.91mA/cm²，开路电压为0.57V，填充因子为64.2％，能量转换效率为10.58％；实施例3的空穴层宽度为12mm、电子层宽度为8mm时，获得的太阳能电池的短路电流为25.13mA/cm²，开路电压为0.52V，填充因子为61.9％，能量转换效率为8.10％。

从图3可知，当空穴层宽度为3mm、厚度为10nm；电子层宽度为2mm、厚度为0.5nm时，模拟太阳光照射下得到的电流-电压曲线效果最好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。