本發(fā)明涉及太陽電池的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法。

背景技術(shù)：

太陽能光伏發(fā)電由于具有安全可靠、受地域限制因素較少、可方便與建筑物相結(jié)合等優(yōu)勢而得到快速發(fā)展。為使其能夠大規(guī)模應(yīng)用，關(guān)鍵在于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、同時降低其生產(chǎn)成本。在眾多光伏產(chǎn)品中，硅異質(zhì)結(jié)太陽電池因其轉(zhuǎn)換效率高，制備過程低耗能，生產(chǎn)成本較為廉價等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。

參見附圖1，傳統(tǒng)的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池采用等離子化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法分別制備摻雜的a-Si:H薄膜作為電池的發(fā)射層，本征的a-Si:H薄膜作為電池的鈍化層。但由于PECVD工藝對沉積設(shè)備的要求較高，其真空度、氣源、交叉污染等問題的解決是基于高質(zhì)量、高性能的昂貴設(shè)備，所以必然增加產(chǎn)品的價格。此外，由于硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的a-Si:H窗口層材料光學(xué)帶隙較窄，僅為1.7～1.9eV，因此寄生吸收較大，直接導(dǎo)致電池光譜相應(yīng)的降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對上述存在的問題，通過在太陽電池中引入了制備方法更為簡單的寬帶隙、高功函數(shù)的金屬氧化物材料作為硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的HSL(Hole selective layer，空穴選擇層)，低折射率、低功函數(shù)的金屬氧化物材料作為電池的ESL(Electron selective layer，電子選擇層)。不同于傳統(tǒng)硅異質(zhì)結(jié)太陽電池p-n結(jié)的構(gòu)建方式，本發(fā)明所涉及的太陽電池內(nèi)部載流子輸運的根本動力為硅片襯底與金屬氧化物之間功函數(shù)的差，進而造成的載流子遷移效應(yīng)。相較于傳統(tǒng)的PECVD制備工藝，由于金屬氧化物制備方法可采用蒸發(fā)、濺射、溶膠-凝膠等簡單的制備方式獲得，所以器件制備大幅度降低。且由于過渡金屬氧化物材料光學(xué)帶隙較寬，寄生吸收較小，折射率相對較低，從而可以在保證在HSL高透過、ESL高反射的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)提高電池輸出特性與短波響應(yīng)的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種氧化物載流子傳輸層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，由正面金屬柵線電極M1、透明導(dǎo)電薄膜T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、襯底S、電子選擇層ESL、背電極M2組成，所述襯底S形貌為拋光形貌或制絨形貌；結(jié)晶情況為單晶或多晶；空穴選擇層HSL為氧化鉬或氧化釩或氧化鎢金屬氧化物材料中的一種或多種，HSL層的厚度控制在5～35nm，光學(xué)帶隙寬度為3～4eV；電子選擇層ESL的制備所需要的材料為氧化鋅、氧化銦錫、氧化錫中的一種或多種組合，ESL厚度控制在10～200nm。

其具體制備方法包括以下步驟：

一種氧化物載流子傳輸層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法，該方法包括：

在N型硅片襯底S相對的兩面沉積上鈍化層I；

選擇沉積了鈍化層的I的N型硅片襯底S中的一面，在鈍化層I上沉積電子選擇層ESL；

在另一面的鈍化層I上沉積空穴選擇層HSL，在HSL上沉積透明導(dǎo)電薄膜T；

透明導(dǎo)電薄膜T和電子選擇層ESL表面上分別設(shè)置電極M₁和M₂；

其中，所述的空穴選擇層HSL和電子選擇層ESL的材料均為金屬氧化物材料。

進一步的，所述的鈍化層I薄膜為非晶硅或非晶硅氧合金或非晶硅氮合金或二氧化硅或三氧化二鋁中的一種或多種組合。

進一步的，所述的襯底S為單晶硅片或多晶硅片襯底。

進一步的，所述襯底S形貌為拋光形貌或制絨形貌。

進一步的，所述的空穴選擇層HSL為氧化鉬或氧化釩或氧化鎢金屬氧化物材料中的一種或多種。

進一步的，電子選擇層ESL為下列材料中的一種或者多種材料的混合材料：摻雜氧化鋅或摻雜氧化銦錫或摻雜氧化錫材料。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：

本發(fā)明通過引入光學(xué)特性可控且易于制備的金屬氧化物材料作為硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的載流子選擇層(HSL或ESL)，利用其與N型硅片襯底S之間的功函數(shù)差，在襯底S表面形成反型層，構(gòu)建內(nèi)建電場，有效降低了載流子在襯底S表面的復(fù)合速率，同時該方法相對于傳統(tǒng)硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備工藝，降低了對設(shè)備真空度、交叉污染等方面的要求，有利于實現(xiàn)高效低成本硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備。

本發(fā)明的機理分析：

本發(fā)明所述一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法是在具有雙面鈍化層I和一面具有低功函數(shù)金屬氧化物電子選擇層ESL的待處理樣品上，采用簡單的沉積工藝制備一層具有較高功函數(shù)的金屬氧化物材料作為空穴選擇層HSL，之后在前面蒸發(fā)透明導(dǎo)電薄膜T、最后在電池正反面分別制備金屬電極M1和M2，構(gòu)成硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本發(fā)明將金屬氧化物應(yīng)用于硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的載流子選擇層中，從工作原理上與傳統(tǒng)硅異質(zhì)結(jié)太陽電池有本質(zhì)差別，由于未摻雜的金屬氧化物并未出現(xiàn)明顯的p型或n型導(dǎo)電特性，所以它與n型硅片襯底S并未構(gòu)建常規(guī)意義上的p-n結(jié)。這里主要是利用金屬氧化物與硅片襯底S構(gòu)建較大的功函數(shù)差，使得硅片襯底S中的載流子向金屬氧化物遷移，導(dǎo)致晶體硅表面出現(xiàn)載流子耗盡，產(chǎn)生強反型層，從而與硅片襯底S內(nèi)部構(gòu)成電場。由于金屬氧化物薄膜的制備方法簡單，原料成本較低，光學(xué)帶隙較寬，寄生吸收較小，本發(fā)明所述的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法從而可以在獲得高效硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的下，進一步降低器件的制備成本的目的。

附圖說明

圖1傳統(tǒng)的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池量子效率曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明所述的技術(shù)方案作進一步的詳細說明。

實施例1：

本實施例的一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體硅S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。

其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為10nm。

電子選擇層ESL為n型摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，厚度為20nm。

晶體硅層S為n型制絨單晶硅。

本實施例的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池通過以下方法制備得到：

1.將N型<100>晶向的制絨Cz硅片襯底放置于具有高真空度的PECVD系統(tǒng)中，在硅片正反表面各沉積一層本征非晶硅鈍化層I。

2.之后選定一面采用磁控濺射的方式沉積AZO薄膜，襯底溫度100℃，工作氣體為Ar，流量為30sccm，濺射功率50W，濺射時間5min。

3.將待處理樣品移入熱蒸發(fā)設(shè)備中，制備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10^-3Pa，待處理樣品表面溫度為室溫，采用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為80A，蒸發(fā)時間為5min。

4.在空穴選擇層上采用反應(yīng)熱蒸發(fā)的方式制備80nm ITO材料作為透明電極T。

5.在電子選擇層ESL上面制備金屬電極M2，ITO透明電極T上制備金屬柵線電極M1，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本實施例中采用熱蒸發(fā)制備600nm的Al金屬電極M1和M2。

該種高功函數(shù)的氧化鉬應(yīng)用到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備過程中，并采用n型AZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm波長處的光電響應(yīng)為75％。

實施例2：

本實施例的一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體硅S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。

其中空穴選擇層HSL為氧化釩薄膜，厚度為15nm。

電子選擇層ESL為摻硼氧化鋅(BZO)薄膜，厚度為100nm。

晶體硅層S為n型制絨單晶硅。

本實施例的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池通過以下方法制備得到：

1.將N型<100>晶向的制絨Cz硅片襯底放置于紫外臭氧處理機中，紫外燈光照強度35W的情況下處理2min，使硅片正反表面各形成一層二氧化硅鈍化層I。

2.選定一面在金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應(yīng)氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應(yīng)壓力為133Pa，硅片另一面預(yù)備沉積空穴選擇層。

3.將待處理樣品移入熱蒸發(fā)設(shè)備中，制備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，采用電阻式加熱方式對載有氧化釩原料的鎢舟加熱，電流為70A，蒸發(fā)時間為10min。

4.在空穴選擇層上采用反應(yīng)熱蒸發(fā)的方式制備80nm ITO材料作為透明電極T。

5.在電子選擇層ESL上面制備金屬電極M2，ITO透明電極T上制備金屬柵線電極M1，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本實施例中采用熱蒸發(fā)制備600nm的Ag金屬電極M1和M2。

該種高功函數(shù)的氧化釩應(yīng)用到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備過程中，并采用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm波長處的光電響應(yīng)為79％。

實施例3：

本實施例的一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體硅S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。

其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為15nm。

電子選擇層ESL為BZO薄膜，厚度為50nm。

晶體硅層S為n型制絨多晶硅。

本實施例的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池通過以下方法制備得到：

1.將N型多晶制絨硅片襯底放置于具有高真空度的PECVD系統(tǒng)中，在硅片正反表面各沉積一層本征非晶硅鈍化層I。

2.選定一面在MOCVD設(shè)備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應(yīng)氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應(yīng)壓力為133Pa。另一面預(yù)備沉積空穴選擇層。

3.將待處理樣品移入熱蒸發(fā)設(shè)備中，制備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，采用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為100A，蒸發(fā)時間為8min。

4.在空穴選擇層上采用反應(yīng)熱蒸發(fā)的方式制備80nm ITO材料作為透明電極T。

5.在電子選擇層ESL上面制備金屬電極M2，ITO透明電極T上制備金屬柵線電極M1，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本實施例中采用熱蒸發(fā)制備600nm的Ag金屬電極M1和M2。

該種高功函數(shù)的氧化鉬應(yīng)用到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備過程中，并采用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm波長處的光電響應(yīng)為82％。

實施例4：

本實施例的一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體硅S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。

其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為20nm。

電子選擇層ESL為BZO薄膜，厚度為150nm。

晶體硅層S為n型平面單晶硅。

本實施例的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池通過以下方法制備得到：

1.將N型<100>晶向的平面硅片襯底放置于具有高真空度的PECVD系統(tǒng)中，在硅片正反表面各沉積一層本征非晶硅鈍化層I。

2.選定一面在MOCVD設(shè)備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應(yīng)氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為130℃，腔室的反應(yīng)壓力為100Pa。另一面預(yù)備沉積空穴選擇層。

3.在空穴選擇層上采用反應(yīng)熱蒸發(fā)的方式制備80nm ITO材料作為透明電極T。

4.在電子選擇層ESL上面制備金屬電極M2，ITO透明電極T上制備金屬柵線電極M1，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本實施例中采用熱蒸發(fā)制備600nm的Al金屬電極M1和M2。

該種高功函數(shù)的氧化鉬應(yīng)用到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備過程中，并采用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm波長處的光電響應(yīng)為73％。

實施例5：

本實施例的一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上至下依次包括：金屬柵線電極M1、透明電極T、空穴選擇層HSL、鈍化層I、晶體硅S、鈍化層I、電子選擇層ESL和金屬背電極M2。

其中空穴選擇層HSL為氧化鉬薄膜，厚度為30nm。

電子選擇層ESL為BZO材料，厚度為100nm。

晶體硅層S為n型制絨單晶硅。

本實施例的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池通過以下方法制備得到：

1.將N型<100>晶向的制絨Cz硅片襯底放置于硫酸與雙氧水3:1配制的溶液中，浸泡時間為3min,使硅片正反表面形成二氧化硅鈍化層I。

2.選定一面在MOCVD設(shè)備中沉積BZO電子選擇層ESL，反應(yīng)氣體為水蒸氣、二乙基鋅，摻雜氣體乙硼烷，氬氣為載氣攜帶氣體，襯底溫度為155℃，腔室的反應(yīng)壓力為150Pa。另一面預(yù)備沉積空穴選擇層。

3.將待處理樣品移入熱蒸發(fā)設(shè)備中，制備空穴選擇層HSL。腔室本底真空度10^-3Pa,待處理樣品表面溫度為室溫，采用電阻式加熱方式對載有氧化鉬原料的鎢舟加熱，電流為80A，蒸發(fā)時間為5min。

4.在空穴選擇層上采用反應(yīng)熱蒸發(fā)的方式制備80nm ITO材料作為透明電極T。

5.在電子選擇層ESL上面制備金屬電極M2，ITO透明電極T上制備金屬柵線電極M1，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。本實施例中采用熱蒸發(fā)制備600nm的Al金屬電極M1和M2。

該種高功函數(shù)的氧化鉬應(yīng)用到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備過程中，并采用BZO薄膜作為電池的電子選擇層ESL，得到硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm波長處的光電響應(yīng)為73％。

附圖3給出了本發(fā)明的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池量子效率曲線，從附圖可知：采用了氧化物空穴選擇層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池在400nm處的量子效率可以超過70％，在500-900nm的寬光譜范圍量子效率超過90％。這是由于寬帶隙空穴選擇層材料的寄生吸收較小，有利于入射光被吸收層所利用，因而對電池的短波響應(yīng)具有提升的作用，從而有利于提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

綜上，本發(fā)明提供了一種氧化物載流子傳輸層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法，該方法與硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制備工藝完全兼容，普遍適用于單晶硅、多晶硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備，方法簡單易于實現(xiàn)，便于工業(yè)化生產(chǎn)。當然，本發(fā)明的實施例中并未給出涵蓋本發(fā)明所有實施方式，如襯底S形貌只以制絨形貌作為實施例進行了描述，但拋光形貌同樣可適用于本發(fā)明中。另外，在實施例中空穴選擇層HSL公開了氧化鉬、氧化釩材料，而氧化鎢同樣可作為空穴選擇層HSL，并且上述材料中可一種或多種組合使用。同樣的，電子選擇層ESL只給出了摻鋁氧化鋅、摻硼氧化鋅的實施例，而本發(fā)明中同樣可使用摻雜氧化銦錫或摻雜氧化錫，并可同樣可一種或多種組合使用，并達到本發(fā)明相同的效果。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。