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CN105720115A - 异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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CN105720115A
CN105720115A CN201610279832.0A CN201610279832A CN105720115A CN 105720115 A CN105720115 A CN 105720115A CN 201610279832 A CN201610279832 A CN 201610279832A CN 105720115 A CN105720115 A CN 105720115A
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杨乐
张闻斌
王琪
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GCL System Integration Technology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，具体公开了一种异质结太阳能电池，其包括晶体硅片，依次位于晶体硅片的一侧上的第一本征层、第一掺杂非晶硅层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于晶体硅片的另一侧的第二电极；其中，第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层。上述异质结太阳能电池，由于采用石墨烯插入三氯化铁层作为第一透明导电层，在保持高透射率的情况下，其薄膜电阻值大大降低，其导电率大大提高，进而使异质结太阳能电池的转换效率提高。本发明还公开了一种异质结太阳能电池的制备方法。

Description

异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
异质结太阳能电池(HIT电池)是通过在掺杂非晶硅层与晶体硅衬底之间加入本征层所构建的。异质结太阳能电池既具有晶体硅太阳能电池的高效率和高稳定性，同时由于能耗小，工艺相对简单、温度特性更好，在高温下也能有较高的输出。近年来备受关注，已经成为太阳能电池的主要发展方向之一。
由于掺杂非晶硅的导电性较差，所以在异质结太阳能电池的制作过程中，在电极和掺杂非晶硅层之间加一层透明导电层，透明导电层可以有效地增加载流子的收集。透明导电层具有光学透明和导电双重功能，对有效载流子的收集起着关键作用，还可以减少光的反射，起到很好的陷光作用，是很好的窗口层材料。
但是，目前的透明导电层的材料一般为金属氧化物，例如氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)等。在一定的光透射率的要求下，这些材料的导电性还有待提高，以进一步提升光电转化效率。
发明内容
基于此，有必要针对现有的异质结太阳能电池中透明导电层在一定的光透射率的要求下，导电性低，不利于光电转化效率提升的问题，提供一种透明导电层导电率高、光电转化效率高的异质结太阳能电池。
一种异质结太阳能电池，包括：晶体硅片，依次位于所述晶体硅片的一侧上的第一本征层、第一掺杂非晶硅层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于所述晶体硅片的另一侧的第二电极；
其中，所述第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层。
上述异质结太阳能电池，由于采用石墨烯插入三氯化铁层作为第一透明导电层，在保持高透射率(一般在87％左右)的情况下，其薄膜电阻值可降低为15Ω/□，其导电率大大提高，进而使异质结太阳能电池的转换效率提高。
在其中一个实施例中，所述第一透明导电层的厚度为1～15nm。
在其中一个实施例中，所述第一本征层为非晶硅。
在其中一个实施例中，所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一掺杂非晶硅层为P型非晶硅层。
在其中一个实施例中，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述晶体硅片之间的加强电场单元；所述加强电场单元包括依次位于所述晶体硅片的另一侧上的第二本征层、及第二掺杂非晶硅层。
在其中一个实施例中，所述第二本征层为非晶硅。
在其中一个实施例中，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述第二掺杂非晶硅层之间的第二透明导电层。
本发明还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法。
一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一本征层；
在所述第一本征层上形成第一掺杂非晶硅层；
在所述第一掺杂非晶硅层上形成第一透明导电层；所述第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层；
在所述第一透明导电层上形成第一电极；
在所述晶体硅片的另一侧形成第二电极。
上述制备方法，工艺容易控制，产能大，有利于异质结太阳能电池的工业化大规模生产。
在其中一个实施例中，所述第一本征层和/或所述第一掺杂非晶硅层采用等离子体增强化学气相沉积法形成。
在其中一个实施例中，所述第一透明导电层通过湿法转移形成。
附图说明
图1为本发明一实施例的异质结太阳能电池的结构示意图。
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，以下结合具体实施方式，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，本发明一实施例的异质结太阳能电池100，包括：晶体硅片110，依次位于晶体硅片110的一侧(图1中的上侧)上的第一本征层121、第一掺杂非晶硅层131、第一透明导电层151、及第一电极161；以及依次位于晶体硅片110的另一侧(图1中的下侧)的第二本征层122、第二掺杂非晶硅层132、第二透明导电层152、及第二电极162。第一透明导电层151为石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层。
在本实施例中，异质结太阳能电池100基本呈对称结构，这样可以减少生产过程中热应力和机械应力，同时有利于晶体硅片110的减薄发展。另外，两面均可以吸收光线使发电量增加。
在本发明中，晶体硅片110与第一掺杂非晶硅层131构成PN结。晶体硅片110与第二掺杂非晶硅层132构成加强电场(亦叫背电场)。通过加强电场可以进一步提高异质结太阳能电池100的开路电压。当然，可以理解的是，也可以不设加强电场，也就是说不设第二掺杂非晶硅层132。
在本实施例中，晶体硅片110为N型晶体硅片(n-c-Si)，对应地，第一掺杂非晶硅层131为P型非晶硅层(p-a-Si)，第二掺杂非晶硅层132为N型非晶硅层(n-a-Si)。当然，可以理解的是，并不局限于上述形式，本发明的异质结太阳能电池中，还可以是晶体硅片110为P型，对应地，第一掺杂非晶硅层131为N型，第二掺杂非晶硅层132为P型。
在本实施例中，晶体硅片110采用N型晶体硅片(n-c-Si)，可使异质结太阳能电池100的性能更加优越，能够克服采用P型的电池光致衰退现象，另外，其高效复合中心的密度远低于P型，使得电子具有更高的寿命及扩散长度。具体地，晶体硅可以是单晶硅或多晶硅。更具体地，本实施例的晶体硅片110为N型单晶硅片。
具体地，晶体硅片110的厚度一般小于200μm。优选地，晶体硅片110的厚度为100～200μm。这样既可以节约硅材料的使用，进而降低成本；又可以提高工艺稳定性。
优选地，晶体硅片110的表面为绒面；也就是说，对晶体硅进行制绒。这样可以减小电池表面的反射，使得更多的光子能够被晶体硅片110吸收；同时还具有能够去除晶体硅表面损伤的作用。在本实施例中，绒面为金字塔形状绒面，这样更有利于光线斜射到晶体硅片110的内部，降低电池表面的光的反射率，使得光程变大，吸收的光子数量变多。
其中，第一本征层121的作用是，用于钝化晶体硅片110，使位于第一本征层121两侧的晶体硅片110与第一掺杂非晶硅层131的界面得到纯化，进而使异质结太阳能电池100的开路电压增高。第一本征层121的光学带隙介于晶体硅片110与第一掺杂非晶硅层131之间。在本实施例中，第一本征层121为非晶硅层，也就是说，由本征非晶硅构成。一般地，第一本征层121的厚度不大于10nm，优选为5～10nm。这样即可以使异质结太阳能电池具有较高的开路电压，同时减少第一本征层121对光的吸收，同时降低电池电阻，提高填充因子。在本实施例中，第一本征层121的厚度为6nm。
同理，第二本征层122的作用是，用于钝化晶体硅片110，使位于第二本征层122两侧的晶体硅片110与第二掺杂非晶硅层132的界面得到纯化，进而使异质结太阳能电池100的开路电压增高。第二本征层122的光学带隙介于晶体硅片110与第二掺杂非晶硅层132之间。在本实施例中，第二本征层122为非晶硅层，也就是说，由本征非晶硅构成。同样地，第二本征层122的厚度也不大于10nm，优选为5～10nm。这样即可以使异质结太阳能电池具有较高的开路电压，同时减少第二本征层122对光的吸收，同时降低电池电阻，提高填充因子。在本实施例中，第二本征层122的厚度为6nm。
当然，可以理解的是，本发明也可以不设置第二本征层122。
在本实施例中，第一电极161为正电极，第二电极162为背电极。具体地，第一电极161成格栅状，一般通过丝网印刷形成。第二电极162呈层状，更具体地为全银电极。
其中，第一透明导电层151的作用是，提高第一掺杂非晶硅层131与第一电极161导电性能，有效地增加载流子的收集。在本发明中，第一透明导电层151为石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层。石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)为两层以上一阶次的石墨烯插层化合物，其中插层剂为三氯化铁。石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)可以通过商购获得，亦可以自己制备。石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层通过化学掺杂调整石墨烯面电阻和功函数。
优选地，第一透明导电层151的厚度为1～15nm。这样其电学性能和光学性能更优。
其中，第二透明导电层152的作用是，提高第二掺杂非晶硅层132与第二电极162导电性能，有效地增加载流子的收集。在本实施例中，第二透明导电层152的厚度为45nm。在本实施例中，第二透明导电层152为氧化铟锡(ITO)层。当然，第二透明导电层152还可以是掺钨氧化铟(IWO)层，亦或是氧化氟锡(FTO)层。当然，可以理解的是，本发明也可以设置第二透明导电层152，亦或设置不透明的导电层。
本发明的异质结太阳能电池，由于采用石墨烯插入三氯化铁层作为第一透明导电层，在保持高透射率(一般在87％左右)的情况下，其薄膜电阻值薄膜电阻可降低为15Ω/□，其导电率大大提高，进而使异质结太阳能电池的转换效率提高。
本发明还提供了一种上述异质结太阳能电池的制备方法。
一种异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一本征层；
在第一本征层上形成第一掺杂非晶硅层；
在第一掺杂非晶硅层上形成第一透明导电层；第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层；
在第一透明导电层上形成第一电极；
在晶体硅片的另一侧形成第二电极。
其中，为了提高异质结太阳能电池的性能，优选地，首先对晶体硅片进行制绒和清洗步骤。其中，制绒方式可以采用湿法制绒或干法制绒；湿法制绒一般使用一定配比的碱性溶液(例如：KOH、NaOH、四甲基氢氧化胺等)进行一定时间的各向异性腐蚀；干法制绒一般是通过光刻掩膜板得到图形再使用反应离子刻蚀(RIE：ReactiveIonEtching)进行刻蚀(主要通过C2H4和SF6)；干法制绒也可在没有掩膜的情况下可以通过机器进行反应离子刻蚀(RIE)，使用气体为SF6和O2。对晶体硅片制绒之后需要进行清洗步骤，清洗的主要作用在于去除制绒后残余在晶体硅片表面的金属离子和晶体硅片表面形成的自然氧化膜。另外，在清洗时，用于去除晶体硅片表面氧化膜的化学液体还能够起到对晶体硅片部分钝化的作用。对于晶体硅片的清洗，可以采用化学清洗，例如：使用RCA洗液(碱性和酸性过氧化氢溶液)，碱性过氧化氢溶液，配比可以是，H2O:H2O2:NH4OH＝5:1:1-5:2:1；酸性过氧化氢溶液，配比可以是，H2O:H2O2:HC1＝6:1:1-8:2:1；RCA洗液使用条件为：75℃-85℃，清洗时间10-20分钟，清洗顺序先使用碱性过氧化氢溶液后在使用酸性过氧化氢溶液。
为了提高异质结太阳能电池的性能，本实施的异质结太阳能电池还包括第二本征层、第二掺杂非晶硅层、及第二透明导电层等。
其中，第一本征层、第二本征层、第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层的形成采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)。当然，可以理解的是，并不局限于上述方式，还可以是热丝化学气相沉积法(HWCVD，HotwireChemicalVaporDeposition)或者高频等离子体增强化学气相沉法(VHF-PECVD)、亦或其他制备方法。
优选地，第二透明导电层通过反应等离子沉积(RPD)。在形成第二透明导电层时，优选地同时通入氩气与氧气，且氧气/氩气比为2.5。
其中，优选地，石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层通过湿法转移(基体刻蚀)到待转移面(待转移面为第一掺杂非晶硅层的表面)上。
具体地，在铜衬底的第一侧表面上通过化学气相沉积(CVD)法形成石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层。将PDMS(聚二甲基硅氧烷)的单体和引发剂按10：1比例混合搅拌均匀，然后在干燥器抽真空，除尽气泡，浇筑在模板上(硅片和玻璃)，98℃烘箱固化1h，冷却后剥离下来即制作成PDMS印章。然后将PDMS印章一面贴在载玻片上，一面贴在铜衬底的第二侧表面上；将载玻片驾于盛有FeCl3腐蚀液的培养皿上，使得铜衬底浸没于腐蚀液，浸泡半天左右时间，可见到铜衬底被腐蚀掉，从而使石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层附着在PDMS上；将PDMS从腐蚀液中取出，在去离子水中漂洗3-4次；将PDMS上的石墨烯插入三氯化铁(GraphExeter)层印压到待转移面上，自然晾干1h，再放入烘箱中60℃烘1h，使得石墨烯与待转移面接触更紧密；撕掉PDMS，最终石墨烯被成功转移到待转移面上。
优选地，第一电极、第二电极通过丝网印刷低温银浆料形成，其中烘干温度为100℃，烧结温度为200℃。
上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种异质结太阳能电池，其特征在于，包括：晶体硅片，依次位于所述晶体硅片的一侧上的第一本征层、第一掺杂非晶硅层、第一透明导电层、及第一电极，以及位于所述晶体硅片的另一侧的第二电极；
其中，所述第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一透明导电层的厚度为1～15nm。
3.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一本征层为非晶硅。
4.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述晶体硅片为N型晶体硅片，所述第一掺杂非晶硅层为P型非晶硅层。
5.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述晶体硅片之间的加强电场单元；所述加强电场单元包括依次位于所述晶体硅片的另一侧上的第二本征层、及第二掺杂非晶硅层。
6.根据权利要求5所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第二本征层为非晶硅。
7.根据权利要求5所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述异质结太阳能电池还包括位于所述第二电极与所述第二掺杂非晶硅层之间的第二透明导电层。
8.一种权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在晶体硅片的一侧形成第一本征层；
在所述第一本征层上形成第一掺杂非晶硅层；
在所述第一掺杂非晶硅层上形成第一透明导电层；所述第一透明导电层为石墨烯插入三氯化铁层；
在所述第一透明导电层上形成第一电极；
在所述晶体硅片的另一侧形成第二电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一本征层和/或所述第一掺杂非晶硅层采用等离子体增强化学气相沉积法形成。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一透明导电层通过湿法转移形成。
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