CN102208477B - 一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，由玻璃衬底、透明导电膜、P1-I1-N1非晶硅电池、P2-I2-N2微晶硅电池、非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型层、ZnO层、Al层、EVA层和背板玻璃组成并依次组成叠层结构，其中以P1-I1-N1非晶硅电池作为顶电池，以P2-I2-N2微晶硅电池作为底电池，以ZnO和Al作为复合背电极。本发明的优点：存放在大气中的非晶硅顶电池在制备微晶硅底电池前，用H或Ar等离子体处理顶电池n层，可消除n层表面同大气中的氧气反应生成SiOx层；该制备工艺简单、易于控制、产品优良率高、电池转换效率高，可方便移植到现有的硅基薄膜电池生产线上，产品升级换代成本低，有利于推广。

Description

一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅基薄膜太阳电池制备技术，具体而言是一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制备方法。
背景技术
 太阳能是用之不竭的可再生能源，对环境保护具有十分重要的意义，太阳能的有效利用已经成为人类的共识。太阳能的利用，尤其是光伏发电技术，是最有希望的可再生能源技术。太阳能电池发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、无机械转动部件等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电***，已经成为可再生能源中最重要的组成部分，也是近年来发展最快，最具活力、最受瞩目的研究领域，国际上许多国家都把太阳能光伏发电的商业化开发和利用作为重要的发展方向。
硅基薄膜太阳电池除了具有节省原材料、耗能低、成本低、易于大面积生产的优势外，还有着原材料丰富、无污染等优点。非晶硅太阳电池由于具有光致衰退效应，因而限制了其应用。微晶硅太阳电池的材料有序性得到提高，衰退很小，并且和非晶硅结合可以有效的扩展光谱响应范围，提高电池光电转换效率，降低电池成本。
现有非晶硅薄膜太阳电池已实现产业化,考虑到进一步提高硅基薄膜电池效率和降低成本，非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究具有很重要的意义。但是，对于现有的大部分非晶硅太阳电池生产线技术升级到非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，有着很大的困难，例如，部分设备无法制备微晶硅，需要生产线升级换代，投入大笔资金，不利于产品降低成本等问题。
发明内容
    本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制备方法，该方法可大幅降低投资、提高电池转换效率、降低太阳电池成本。
本发明的技术方案：
一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，由玻璃衬底、透明导电膜TCO、p型非晶硅窗口层P1、非晶硅本征层I1、n型非晶硅层N1、高电导率和高晶化率的n型微晶硅层N1+ 、p型微晶硅层P2、微晶硅本征层I2、非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型层N2、ZnO层、金属Al层、EVA层和背板玻璃层组成并依次组成叠层结构，其中以P1-I1-N1非晶硅电池作为叠层电池的顶电池，以P2-I2-N2微晶硅电池作为叠层电池的底电池，以ZnO和Al作为复合背电极。
一种所述非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制备方法，步骤如下：
1）对玻璃衬底上的透明导电膜TCO进行磨边、去离子水清洗、烘干后，用波长1024nm激光刻划TCO，清洗激光刻划后的TCO ；
2）采用PECVD法制备P1-I1-N1非晶硅电池；
 3）破真空取出非晶硅顶电池，采用PECVD法用H或Ar等离子体处理非晶硅电池N1层；
4）采用PECVD法制备高晶化率和高电导率的N1+层；
5）采用PECVD法制备P2-I2-N2微晶硅底电池，在非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区制备N2层； 
6）用波长532nm激光刻划硅薄膜，隔离出39个子电池；
7）用PVD法溅射ZnO和Al复合背电极；
8）用波长532nm激光刻划ZnO和Al复合背电极并隔离子电池背电极；
9）制作电池绝缘边并焊接引线，层压封装电池即可。
所述采用PECVD法制备非晶硅N1层和对破真空的非晶硅顶电池N1层用H或Ar等离子处理的工艺参数为：辉光激发频率13.56~100MHz、反应气体压强0.1~10 Torr、辉光功率密度10~1000mW/cm2、处理样品温度100~300℃、H或Ar等离子处理时间10~1000S。
所述采用PECVD法制备高晶化率和高电导率的N1+层的工艺参数为：辉光激发频率13.56~100MHz、反应气体压强0.1~10 Torr、辉光功率密度10~1000mW/ cm2、处理样品温度100~300℃、氢稀释硅烷浓度SC＜5%、含磷气体与硅烷比PH3/SiH4＜4%、N1+层厚度为5~30nm。
所述采用PECVD法制备非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的N2层的工艺参数为：辉光激发频率13.56~100MHz、反应气体压强0.1~10 Torr、辉光功率密度10~1000mW/ cm2、处理样品温度100~300℃、氢稀释硅烷浓度SC＜8%、含磷气体与硅烷比PH3/SiH4＜4%、N2层厚度为20~40nm。
本发明有益效果是：
存放在大气当中的非晶硅顶电池在制备微晶硅底电池前，用H或Ar等离子体处理顶电池n层，消除n层表面同大气中的氧气反应生成SiOx层，然后制备高晶化率和高电导率的n层，可以和p型微晶硅层形成良好的欧姆接触；制备微晶硅底电池的n层采用非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅的n型材料，可以显著提高材料的电导率，增强电池的内建电场，减小电池串联电阻，提高电池的开路电压，从而提高非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的转换效率。整个工艺制备过程简单、易于控制、产品优良率高、电池转换效率高；仅增加沉积微晶硅电池的设备和工艺步骤，就可移植到现有的硅基薄膜电池生产线上，以最低的成本把现有非晶硅电池升级为新一代非晶硅/微晶硅叠层太阳电池。
附图说明
图1为该非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的结构示意图。
图中：1. 玻璃衬底     2. 透明导电膜TCO     3. p型非晶硅窗口层P1
4. 非晶硅本征层I1     5. n型非晶硅层N1     6. 高晶化率和高电导率的n型微晶硅层N1+     7. p型微晶硅层P2         8. 微晶硅本征层I2
9.非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型层N2  10. ZnO层   11. 金属Al层  12. EVA层     13. 背板玻璃层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，结构如附图1所示，由玻璃衬底1、透明导电膜TCO 2、p型非晶硅窗口层P1 3、非晶硅本征层I1 4、n型非晶硅层N1 5、高电导率和高晶化率的n型微晶硅层N1+  6、p型微晶硅层P2 7、微晶硅本征层I2 8、非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型层N2 9、ZnO层10、金属Al层11、EVA层12和背板玻璃层13组成并依次组成叠层结构，其中以P1-I1-N1非晶硅电池作为叠层电池的顶电池，以P2-I2-N2微晶硅电池作为叠层电池的底电池，以ZnO和Al作为复合背电极。
所述非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制备步骤如下：
1）对玻璃衬底上的透明导电膜TCO进行磨边、去离子水清洗、烘干后，用波长1024nm激光刻划TCO，清洗激光刻划后的TCO ；
2）采用PECVD法制备P1-I1-N1非晶硅电池；
 3）破真空取出非晶硅顶电池，采用PECVD法用H或Ar等离子体处理非晶硅顶电池N1层；
4）采用PECVD法制备高晶化率和高电导率的N1+层；
5）采用PECVD法制备P2-I2-N2微晶硅底电池，在非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区制备N2层； 
6）用波长532nm激光刻划硅薄膜，隔离出39个子电池；
7）用PVD法溅射ZnO和Al复合背电极；
8）用波长532nm激光刻划ZnO和Al复合背电极隔离子电池背电极；
9）制作电池绝缘边并焊接引线，层压封装电池即可。
在该实施例中，对非晶硅顶电池N1层用H或Ar等离子处理，辉光激发频率40.68MHz，反应气体压强1.6 Torr，辉光功率密度85mW/ cm2，处理样品温度180℃，处理时间120S。高晶化率和高电导率的微晶硅N1+层的制备是辉光激发频率40.68MHz，反应气体压强1.6 Torr，辉光功率密度90mW/cm2，处理样品温度：180℃，氢稀释硅烷浓度SC=0.8%，含磷气体与硅烷比PH3/SiH4=1.2%，厚度20nm。
该制备方法的特点是沉积完pin型非晶硅顶电池后，再把电池放到另一沉积设备中用H或Ar等离子体处理顶电池n层消除n层表面同大气中的氧气反应生成SiOx层，后沉积一层高晶化率和高电导率的n型微晶硅，这样可以和p型微晶硅层形成良好的欧姆接触；制备微晶硅底电池的n层采用非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型材料，可以显著提高材料的电导率，增强电池的内建电场，减小电池串联电阻，提高电池的开路电压，从而提高非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的转换效率。
该实施例制备的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，电池尺寸为1024mmX635mm，电池的转换效率为8.12% 。

Claims (4)

1.一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，其特征在于：由玻璃衬底、透明导电膜TCO、p型非晶硅窗口层P1、非晶硅本征层I1、n型非晶硅层N1、高电导率和高晶化率的n型微晶硅层N1+、p型微晶硅层P2、微晶硅本征层I2、非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的n型层N2、ZnO层、金属Al层、EVA层和背板玻璃层组成并依次组成叠层结构，其中以P1-I1-N1非晶硅电池作为叠层电池的顶电池，以P2-I2-N2微晶硅电池作为叠层电池的底电池，以ZnO和Al作为复合背电极。
2.一种如权利要求1所述非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）对玻璃衬底上的透明导电膜TCO进行磨边、去离子水清洗、烘干后，用波长1024nm激光刻划TCO，清洗激光刻划后的TCO；
2）采用PECVD法制备P1-I1-N1非晶硅电池；
3）破真空取出非晶硅顶电池，采用PECVD法用H或Ar等离子体处理非晶硅电池N1层，工艺参数为：辉光激发频率13.56-100MHz、反应气体压强0.1~10Torr、辉光功率密度10-1000mW/cm2、处理样品温度100-300℃、H或Ar等离子处理时间10-1000S；
4）采用PECVD法制备高晶化率和高电导率的N1+层；
5）采用PECVD法制备P2-I2-N2微晶硅底电池，在非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区制备N2层；
6）用波长532nm激光刻划硅薄膜，隔离出39个子电池；
7）用PVD法溅射ZnO和Al复合背电极；
8）用波长532nm激光刻划ZnO和Al复合背电极并隔离子电池背电极；
9）制作电池绝缘边并焊接引线，层压封装电池即可。
3.根据权利要求2所述非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制备方法，其特征在于：所述采用PECVD法制备高晶化率和高电导率的N1+层的工艺参数为：辉光激发频率13.56-100MHz、反应气体压强0.1-10Torr、辉光功率密度10-1000mW/cm2、处理样品温度100-300℃、氢稀释硅烷浓度SC＜5%、含磷气体与硅烷比PH3/SiH4＜4%、N1+层厚度为5-30nm。
4.根据权利要求2所述非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制备方法，其特征在于：所述采用PECVD法制备非晶硅/微晶硅过渡区靠近非晶硅区的N2层的工艺参数为：辉光激发频率13.56~100MHz、反应气体压强0.1-10Torr、辉光功率密度10-1000mW/cm2、处理样品温度100-300℃、氢稀释硅烷浓度SC＜8%、含磷气体与硅烷比PH3/SiH4＜4%、N2层厚度为20-40nm。
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