CN109256431A - 一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触及其制备方法和应用。所述背接触为n型单抛硅背面依次镀有的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层；所述纳米超薄金属附着层为铝、银或金，其厚度为0.5～1 nm；所述电子选择性传输纳米金属层为镁，其厚度为5～20 nm。本发明提供的纳米双金属层背接触中电子选择性传输纳米金属层与硅的接触和附着力更优，其可降低金属电极功函数，更有利于电子从硅到电极的传输，进而改善非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的能量转换效率。而且所述纳米双金属层背接触的制备工艺简单，无须退火过程，成本低廉，同时兼顾了制备工艺和产品性能，适于工业大规模化生产。

Description

一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背 接触及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于太阳能电池工艺技术领域，特别涉及一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触及其制备方法和应用。

背景技术

非掺杂异质n型单抛硅太阳电池（Dopant-Free Heterojunction Solar Cellsbased on n-type one side polished Sillicon）由于其制备过程无需进行高温掺杂，采用溶液加工法将有机聚合物与晶硅形成p-n异质结替代传统的扩散工艺，大大降低了异质结晶硅太阳电池的成本，其具有潜在的应用前景而发展迅速。

在传统的晶硅太阳电池中，背接触多采用高温掺杂制备，然而该制备方法导致太阳电池的成本提高，不适于用于低成本的非掺杂异质n型单抛硅太阳电池。液态Ga/In合金电极受限于制备工艺，可重复性差。溶液法制备背接触，则需要对电池四周先进行封边处理，这就增加了制备工艺的复杂性。若直接用Al或Ag作为背电极，其与硅无法形成欧姆接触，接触电阻较大，导致制得的太阳电池能量转换效率较低。

目前，已有文献报道了改善非掺杂异质n型单抛硅太阳电池能量转换效率的方法，包括晶硅正面的结构化、改善有机层和硅的接触、空穴选择性接触的优化、背接触的优化，但是背接触的优化在制备工艺、制备成本以及电池能量转换效率方面仍然有待于进一步的改善和提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、制备低成本的用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触，用以改善非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的能量转换效率。本发明所述纳米双金属层背接触通过在n型单抛硅背面依次镀上特定厚度的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层，从而使得n型单抛硅与电极的功函数更加匹配，有利于电子提取，最终可改善器件的性能，提高电池的能量转换效率。

本发明的另一目的在于提供所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法。

本发明的再一目的在于提供所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的应用。

本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：

一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触，所述背接触为n型单抛硅背面依次镀有的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层；所述纳米超薄金属附着层为铝、银或金，其厚度为0.5～1 nm；所述电子选择性传输纳米金属层为镁，其厚度为5～20 nm。

本发明所述背接触为特定厚度的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层，其中纳米超薄金属附着层可增加电子选择性传输纳米金属层与硅的接触和附着力；电子选择性传输纳米金属层可降低功函数，有利于电子的传输和提取，进而改善非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的能量转换效率。

纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层厚度的优化对非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的转换效率至关重要。因此，为了保证非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的转换效率的改善作用最佳，发明人对于纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层的厚度进行了探究。在沉积过程中，调节纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层的厚度，并检测相应厚度下的非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的转换效率，以达到非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的转换效率最优化，可广泛应用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的背接触中。

若纳米超薄金属附着层的厚度过厚或者过薄，或者电子选择性传输纳米金属层的厚度过厚或者过薄，均不利于电子的提取和传输，电池的能量转化效率均会下降。

优选地，所述纳米超薄金属附着层为铝，其厚度为0.5 nm。

优选地，所述电子选择性传输纳米金属层的厚度为10 nm。

本发明同时还保护所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法，包括如下步骤：

S1. 去除非掺杂异质n型单抛硅片表面的氧化层，得到洁净且表面无氧化层的n型单抛硅片；

S2. 在步骤S1得到的非掺杂异质n型单抛硅背面采用真空热蒸发法镀上纳米超薄金属附着层；

S3. 在步骤S2得到的纳米超薄金属附着层上采用真空热蒸发法镀上电子选择性传输纳米金属层，即可得到所述纳米双金属层背接触；

其中步骤S2中纳米超薄金属附着层的厚度为0.5～1 nm；步骤S3中电子选择性传输纳米金属层的厚度为5～20 nm。

优选地，步骤S2中，纳米超薄金属附着层的沉积速率为0.01～0.1 Å/s；步骤S3中电子选择性传输纳米金属层的沉积速率为0.03～3 Å/s。

更优选地，步骤S2中，纳米超薄金属附着层的沉积速率为0.03 Å/s；步骤S3中，电子选择性传输纳米金属层的沉积速率为0.25 Å/s。

优选地，步骤S1的具体过程为将非掺杂异质n型单抛硅片浸泡于氢氟酸溶液中去除硅片表面的氧化层。

优选地，所述氢氟酸的浓度为5～10 M，浸泡时间为2～10 min。

更优选地，所述氢氟酸的浓度为10 M，浸泡时间为5 min。

所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触在制备太阳电池中的应用也在本发明的保护范围内。

本发明还保护一种包含所述纳米双金属层背接触的非掺杂异质n型单抛硅太阳电池。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的纳米双金属层背接触，使得n型单抛硅和金属电极的能级更加匹配，可降低功函数，更有利于电子的提取和传输，进而改善非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的能量转换效率；而且所述纳米双金属层背接触的制备工艺简单，无须退火过程，成本低廉，同时兼顾了制备工艺和产品性能，适于工业大规模化生产。

附图说明

图1为Ag0.5Mg10纳米双金属层背接触非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的电压-电流密度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1 纳米双金属层背接触非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的制备

以Ag0.5Mg10纳米双金属层背接触为例，其中Ag为纳米超薄金属附着层，其厚度为0.5nm；Mg为电子选择性传输纳米金属层，其厚度为10 nm；其具体的制备过程以及由其制备非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的具体过程如下：

（1）洁净的n型单面抛光硅片（电阻率为0.05-0.1 Ω•cm）于浓度为10 M的氢氟酸溶液中浸泡5 min以去除氧化硅，并干燥；

（2）在上述处理后的硅片的抛光面上涂覆有机层PEDOT:PSS（PH1000），140℃退火10min；

（3）将步骤（2）中涂覆了有机层的硅片移至真空镀膜系统，采用真空热蒸发法依次在硅片背面镀上纳米银超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属镁层，其中纳米银超薄金属附着层的厚度为0.5nm，沉积速率为0.03 Å/s；电子选择性传输纳米金属镁层的厚度为10nm，沉积速率为0.25 Å/s；

（4）步骤（3）所得的背接触上再镀上铝电极，厚度为200 nm；

（5）步骤（4）所得的样品在有机层面蒸镀银栅线电极，厚度为200 nm；即制备得到Ag0.5Mg10纳米双金属层背接触。

实施例2

参照实施例1中的制备方法，不同之处在于改变纳米超薄金属附着层的金属种类，可适用的金属有Al、Ag和Au；改变纳米超薄金属附着层的厚度，或者电子选择性传输纳米金属镁层的厚度，这里给出几种具有代表性的背接触，有Al0.5Mg10纳米双金属层背接触、Al0.5Mg5纳米双金属层背接触、Al0.5Mg20纳米双金属层背接触和Au0.5Mg10纳米双金属层背接触。

将上述制备的代表性的纳米双金属层背接触按照实施例1所述方法制备成为非掺杂异质n型单抛硅太阳电池，并通过电流-电压（I-V）测试检测其能量转换（PCE）性能。

其中以未镀纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属镁层的n型单抛硅为空白对照例，只镀电子选择性传输纳米金属镁层的背接触为对比例1（Mg10），检测结果如表1所示。

表1 纳米双金属层背接触器件的各项参数

表1中V _oc表示开路电压，J _sc表示短路电流，FF表示填充因子，PCE表示能量转换效率。

从表1中可知，与空白对照例和对比例1相比，本发明实施例中提供的镀有特定厚度的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属镁层的背接触制备的电池，其能量转换效率得到了明显的提升，提升率在10%左右；当纳米超薄金属附着层采用的金属种类不同时，PCE的提升率有所不同，当纳米超薄金属附着层采用为金属Ag时，其PCE的提升率优于Al；背接触中纳米超薄金属附着层或者电子选择性传输纳米金属镁层的厚度对于其PCE的提升率也有影响，其中，纳米超薄金属附着层厚度为0.5 nm时，其PCE提升率最佳，当电子选择性传输纳米金属镁层的厚度为10 nm时，其PCE的提升率最佳。但当纳米超薄金属附着层厚度低于0.5 nm时（以Al0.3Mg5为代表），电池的PCE甚至对于对比例1，可见，并不是纳米超薄金属附着层越薄，电池的PCE越高；而是只有当纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属镁层的厚度均在特定厚度的情况时，才能达到提高电池PCE的效果。

在表1中，与空白对比例相比，虽然在不同的试验组中开路电压、短路电流和填充因子有略微的浮动，但在PCE性能方面，最终均表现为10%左右的提高率。

其中，Ag0.5Mg10纳米双金属层的背接触和空白对照组制备的电池检测的电流密度如图1所示。从图1中可知，与空白对照例相比，镀了Ag0.5Mg10背接触制备的电池的各项性能参数都有提升，最终PCE提升了12.80%。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触，其特征在于，所述背接触为n型单抛硅背面依次镀有的纳米超薄金属附着层和电子选择性传输纳米金属层；所述纳米超薄金属附着层为铝、银或金，其厚度为0.5～1 nm；所述电子选择性传输纳米金属层为镁，其厚度为5～20 nm。

2. 根据权利要求1所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触，其特征在于，所述纳米超薄金属附着层为铝，其厚度为0.5 nm。

3. 根据权利要求1所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触，其特征在于，所述电子选择性传输纳米金属层的厚度为10 nm。

4.权利要求1～3任一所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 去除非掺杂异质n型单抛硅片表面的氧化层，得到洁净且表面无氧化层的n型单抛硅片；

S2. 在步骤S1得到的非掺杂异质n型单抛硅背面采用真空热蒸发法镀上纳米超薄金属附着层；

S3. 在步骤S2得到的纳米超薄金属附着层上采用真空热蒸发法镀上电子选择性传输纳米金属层，即可得到所述纳米双金属层背接触；

其中步骤S2中纳米超薄金属附着层的厚度为0.5～1 nm；步骤S3中电子选择性传输纳米金属层的厚度为5～20 nm。

5. 根据权利要求4所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法，其特征在于，步骤S2中，纳米超薄金属附着层的沉积速率为0.01～0.1 Å/s；步骤S3中，电子选择性传输纳米金属层的沉积速率为0.03-3 Å/s。

6.根据权利要求4所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法，其特征在于，步骤S1的具体过程为：将非掺杂异质n型单抛硅片浸泡于氢氟酸溶液中去除硅片表面的氧化层。

7. 根据权利要求6所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸的浓度为5～10 M，浸泡时间为2～10 min。

8.权利要求1～3任一所述用于非掺杂异质n型单抛硅太阳电池的纳米双金属层背接触在制备太阳电池中的应用。

9.一种非掺杂异质n型单抛硅太阳电池，其特征在于，包含权利要求1～3任一所述的纳米双金属层背接触。