一種用于晶體硅太陽能電池的量子裁剪透明電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于晶體硅太陽能電池的量子裁剪透明電極。
【背景技術(shù)】
[0002]自1954年第一塊太陽能電池在貝爾實驗室誕生以來，晶體硅太陽能電池得到了廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率不斷提升，生產(chǎn)成本持續(xù)下降。目前，晶體硅太陽能電池占太陽能電池全球市場總額的80%以上，晶體硅電池片的產(chǎn)線轉(zhuǎn)換效率目前已突破20%，全球年新增裝機(jī)容量約50GW且增速明顯，與火力發(fā)電的度電成本不斷縮小，在未來幾年有望與之持平。晶體硅太陽能電池作為一種清潔能源在改變能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境壓力等方面的重要作用日益凸顯。
[0003]晶體硅太陽能電池要想繼續(xù)保持競爭力、獲得更大的發(fā)展與應(yīng)用，必須進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，同時降低生產(chǎn)成本。目前急需解決兩個方面的問題:第一是晶硅太陽能電池的光譜響應(yīng)與太陽光譜匹配性差，太陽光譜中的絕大部分光能無法被利用；第二是晶硅太陽能電池正面和背面金屬電極的光遮擋及高成本問題。
[0004]構(gòu)成晶體硅太陽能電池的核心材料硅，是一種間接吸收的窄帶隙半導(dǎo)體，無法利用IlOOnm以上波長的紅外光。此外，由于表面的缺陷及高少子復(fù)合速率，400nm以下波長的紫外光也不能很好的利用。所以晶硅太陽能電池可利用的光譜范圍集中在400?IlOOnm之間，大部分的太陽光無法轉(zhuǎn)換為電能，這使得晶硅太陽能電池的理論效率極限僅為30%。在晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率不斷逼近效率極限的情況下，進(jìn)一步大幅提升轉(zhuǎn)換效率所需的成本愈來愈高，比如多結(jié)電池、多激子產(chǎn)生太陽能電池、空間分割量子裁剪太陽能電池等，這些技術(shù)雖然突破了晶硅電池的效率極限，但復(fù)雜的制備流程及高昂成本使其基本上局限于實驗室。近年來，上轉(zhuǎn)換材料和下轉(zhuǎn)換材料在光伏電池中的應(yīng)用日益受到重視，將其應(yīng)用于晶硅太陽電池，通過改變到達(dá)PN結(jié)附近的光譜分布，使之與晶硅太陽能電池的光譜響應(yīng)更加匹配，從而大幅提升電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0005]常規(guī)晶體硅電池的受光面電極采用銀漿絲網(wǎng)印刷的方式形成近百條細(xì)柵和若干條主柵，此工序使用的物料成本昂貴，且銀電極會造成電池片表面5%?7%的面積形成對光的遮擋，大大降低了電池片的轉(zhuǎn)換效率。如何在減少遮光面積與保持良好的導(dǎo)電性之間進(jìn)行平衡，是近幾年晶體硅電池技術(shù)研究的一個重點。由于漿料技術(shù)與印刷技術(shù)的進(jìn)步，晶體硅電池的受光面電極細(xì)柵寬度不斷減小，根據(jù)SEMI預(yù)測，到2020年細(xì)柵的寬度將減小至35微米以下，同時主柵采用多主柵及無主柵。在這個柵線細(xì)化技術(shù)過程中，電極的遮光面積有所下降，導(dǎo)電性有所提升，同時獲得了效率的提升與成本的下降。但隨著柵線寬度的不斷減小，電極制備的工藝難度不斷加大，進(jìn)一步提高效率、降低生產(chǎn)成本的空間縮小。透明導(dǎo)電膜兼具良好的導(dǎo)電性與透光性，是作為電池電極的理想材料，有望徹底解決金屬電極的光遮擋及成本問題。
[0006]如果能將透明導(dǎo)電膜與上/下轉(zhuǎn)換材料合二為一，將會給晶硅電池技術(shù)帶來非常大的進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供了一種用于晶體硅太陽能電池的量子裁剪透明電極，發(fā)明提供的摻雜透明導(dǎo)電膜可以和陣列分布的金屬或重?fù)诫s區(qū)域形成局部接觸，共同構(gòu)成晶硅電池的正面或背面電極，擴(kuò)大晶體硅太陽能電池的光譜利用范圍；大幅提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種用于太陽能電池的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)，所述的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)設(shè)置在電池的正面和/或背面;包括局部接觸金屬電極、摻雜透明導(dǎo)電膜和金屬電極；局部接觸金屬電極以規(guī)則圖案方式排布在減反射膜及鈍化膜上，且局部接觸金屬電極穿透減反射膜/鈍化膜與晶體硅片形成局部歐姆接觸;所述金屬電極設(shè)置于透明導(dǎo)電膜之上;所述的摻雜透明導(dǎo)電膜設(shè)置在減反射膜/鈍化膜及局部接觸金屬電極之上，并將局部接觸金屬電極及金屬電極連接成為電極導(dǎo)電組合體。
[0010]—種用于太陽能電池的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)，所述的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)設(shè)置在電池的正面和/或背面;包括局部重?fù)诫s區(qū)、設(shè)置在減反射膜/鈍化膜表面的摻雜透明導(dǎo)電膜和設(shè)置在摻雜透明導(dǎo)電膜上的金屬電極，所述的局部重?fù)诫s區(qū)以規(guī)則圖案方式排布在晶體硅片表面，減反射膜/鈍化膜設(shè)置在晶體硅片表面;所述的局部重?fù)诫s區(qū)與對應(yīng)位置的摻雜透明導(dǎo)電膜直接接觸，摻雜透明導(dǎo)電膜將局部重?fù)诫s區(qū)及金屬電極連接成為電極導(dǎo)電組合體。
[0011]所述的摻雜透明導(dǎo)電膜是將稀土金屬或過渡金屬摻雜到透明導(dǎo)電膜中得到的。
[0012]摻雜的金屬為Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+或 Cr3+，摻雜的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.001 %?5% ;所述的透明導(dǎo)電膜為AZ0、GZ0、IT0、FT0、IWO或石墨烯，厚度為50?100nmο
[0013]電池正面的摻雜透明導(dǎo)電膜摻雜元素用于下轉(zhuǎn)換發(fā)光，電池背面的摻雜透明導(dǎo)電膜摻雜元素用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光。
[0014]所述的晶體娃片為P型或者N型的單晶娃片、P型或者N型的多晶娃片。
[0015]所述的規(guī)則圖案為陣列圖案，其圖案為一維、二維幾何圖形或一維與二維幾何圖形的組合;一維幾何圖形選自:線段、虛線段或弧線；二維幾何圖形選自:圓形、橢圓形、紡錘形、環(huán)形、多邊形、多角形或扇形。
[0016]所述一維幾何圖形的線寬為30?lOOum，長度為0.05?1.5mm;同一行中相鄰兩個線形的間距為0.5?2mm，同一列中相鄰兩個線形的間距為0.5?2mm;所述二維幾何圖形的尺寸為30?200um，相鄰兩個圖形中心距為0.8?2mm。
[0017]金屬電極的排布圖案為一組平行線段或多組平行線段的組合，線段的寬度為20?2000um，數(shù)量為5?100根，線長為2?156mm，相鄰線段之間的距離為0.5?50mm。
[0018]所述的局部重?fù)诫s區(qū)下方的局部硅基體為重?fù)诫s區(qū)或一般摻雜區(qū)，重?fù)诫s區(qū)的方阻為5?50 Ω /□，一般慘雜的方阻區(qū)為50?150 Ω /□。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)是將透明導(dǎo)電膜與上/下轉(zhuǎn)換材料合二為一，在透明導(dǎo)電膜中摻雜稀土金屬(鑭系4f和錒系5f)或過渡金屬(3d/4d/5d)得到摻雜透明導(dǎo)電膜，該結(jié)構(gòu)簡化了電池電極及生產(chǎn)流程;一方面可以大幅減少金屬柵線的光遮擋及高昂的材料成本;另一方面使晶硅電池?zé)o法利用的部分紅外光與紫外光分別發(fā)生藍(lán)移和紅移，擴(kuò)大晶體硅太陽能電池的光譜利用范圍；大幅提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0021]圖1是用于電池正面的摻雜透明導(dǎo)電膜/陣列狀金屬/金屬電極構(gòu)成的復(fù)合電極剖面；
[0022]圖2是用于電池背面的摻雜透明導(dǎo)電膜/陣列狀金屬/金屬電極構(gòu)成的復(fù)合電極剖面；
[0023]圖3是用于電池正面的摻雜透明導(dǎo)電膜/陣列狀重?fù)诫s構(gòu)成的復(fù)合電極局部剖面圖；
[0024]圖4是用于電池背面的摻雜透明導(dǎo)電膜/陣列狀重?fù)诫s構(gòu)成的復(fù)合電極局部剖面圖。
[0025]圖中，I為摻雜透明導(dǎo)電膜，2為減反射膜/鈍化膜;3為局部接觸金屬電極;4為金屬電極;5為晶體硅片，6為局部重?fù)诫s區(qū)。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0027]本發(fā)明一種用于太陽能電池的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)，通過將稀土金屬(鑭系4f和錒系5f)及過渡金屬(3d/4d/5d)按一定比例摻雜到透明導(dǎo)電膜中，使摻雜的復(fù)合薄膜同時具備透明、導(dǎo)電、量子裁剪功能，摻雜的金屬可以是:Er3+、Yb3+、Tm3+、Pr3+、Ho3+、Eu3+、Bi3+、Sm3+、Re4+、Os4+、Cr3+等，摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%?5%。透明導(dǎo)電膜可以是AZO、GZO、ITO、FTO、IWO或石墨稀，厚度為50?lOOOnm。制備的方法可以采用派射、氣相沉積、納米/微米粉體噴涂、膠體旋涂、浸漬提拉等。發(fā)明提供的摻雜透明導(dǎo)電膜可以和陣列分布的金屬或重?fù)诫s區(qū)域形成局部接觸，并將其連結(jié)成為一個導(dǎo)電整體，共同構(gòu)成晶硅電池的正面或背面電極，陣列分布圖形可以是點、線段和柵線。
[0028]如圖1和圖2，量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)設(shè)置在電池的正面和/或背面;包括局部接觸金屬電極3、摻雜透明導(dǎo)電膜I和金屬電極4;局部接觸金屬電極3以規(guī)則圖案方式排布在減反射膜/鈍化膜2上，且局部接觸金屬電極3穿透減反射膜/鈍化膜2與晶體硅片5形成局部歐姆接觸;所述金屬電極4設(shè)置于透明導(dǎo)電膜I之上;所述的摻雜透明導(dǎo)電膜I設(shè)置在減反射膜/鈍化膜2及局部接觸金屬電極3之上，并將局部接觸金屬電極3及金屬電極4連接成為電極導(dǎo)電組合體。
[0029]如圖3和圖4所示，一種用于太陽能電池的量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)，量子裁剪透明電極結(jié)構(gòu)設(shè)置在電池的正面和/或背面;包括局部重?fù)诫s區(qū)6、設(shè)置在減反射膜/鈍化膜2表面的摻雜透明導(dǎo)電膜I和設(shè)置在摻雜透明導(dǎo)電膜I上的金屬電極4，所述的局部重?fù)诫s區(qū)6以規(guī)則圖案方式排布在晶體硅片4表面，減反射膜/鈍化膜2設(shè)置在晶體硅片4表面;所述的局部重?fù)诫s區(qū)6與對應(yīng)位置的摻雜透明導(dǎo)電膜I直接接觸，摻雜透明導(dǎo)電膜I將局部重?fù)诫s區(qū)6及金屬電極4連接成為電極導(dǎo)電組合體。
[0030]上述用于晶體硅太陽能電池的量子裁剪透明電極制備包括下述步驟:
[0031]I)晶體硅片經(jīng)過制絨、擴(kuò)散、刻蝕、沉積鈍化膜及減反射膜等工序處理，晶體硅片可以是P型或者N型的單晶硅片、多晶硅片，隨后晶硅電池的制作按如下步驟。
[0032]2)在正面或/和背面的減反射膜/鈍化膜上采用印刷燒結(jié)、激光或化學(xué)腐蝕局部開孔協(xié)同蒸鍍等方法制備陣列分布的金屬電極，金屬電極穿透減反射膜/鈍化膜與硅基體形成良好的歐姆接觸，金屬電極可以是銀、鋁、鎳、銅等。步驟2)也可以采用擴(kuò)散、掩膜刻蝕、印刷/噴涂摻雜劑等方法按陣列圖形制備局部重?fù)诫s，重?fù)诫s區(qū)域需去除減反射膜/鈍化膜。陣列圖形可以是點狀、線段狀和柵線，優(yōu)先采用點狀和線段狀，點狀陣列中的單個點電極的直徑為50?200um，相鄰兩個點電極之間的間距為0.8?2mm;線段狀陣列中的單個線段電極的線寬為40?lOOum，長度為0.05?1.5mm，同一行/列中相鄰兩個線段的間距為0.5