CN113130671A - 硅异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了硅异质结太阳电池及其制备方法。该硅异质结太阳电池包括：基材，基材具有相对设置的正面和背面；铜薄膜电极，铜薄膜电极设置在整个背面的一侧；图形化的铜栅线电极，铜栅线电极设置在所述正面的一侧。相比正面电极和背面电极均是图形化的铜栅线电极，本申请中背面电极为整面的铜薄膜电极，无需将其进行图形化，即可以节省背面电极图形化等工艺流程和光刻掩膜的使用，从而有效地降低铜电极的制作成本，进而降低硅异质结太阳电的整体制备成本；而且，整面的铜薄膜电极可以有效降低太阳电池的串联电阻，进而提高太阳电池的效率。

Description

硅异质结太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅异质结太阳电池技术领域，具体的，涉及硅异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
与常规晶体硅电池不同，硅异质结太阳电池是在晶体硅片衬底上沉积非晶硅薄膜形成pn异质结的，非晶硅薄膜的形成温度决定了电池的最高制备工艺温度，通常在200℃左右为宜。为了满足这种低温制备的要求，硅异质结太阳电池在金属电极的制备方面，也需要用到低温工艺和低温浆料。目前硅异质结太阳电池的金属电极主要有两种：一种是丝网印刷低温银浆形成的银电极，由于金属银价格较高，而且与TCO(透明导电氧化物)薄膜间的接触性能也有待提高；另一种是铜电极，通常是通过电镀等方式形成，金属铜的电导率与银的电导率相当，但铜的价格便宜，而且电镀铜工艺有望进一步提高电极高宽比，是目前业内积极开发的电极技术。
将电镀铜栅线应用于硅异质结太阳电池中，不仅解决了传统银浆无法低温制备的问题，与丝网印刷低温银浆相比，还具有提高转换效率、降低生产成本的优点。但是目前铜电极的硅异质结太阳电池的制作成本依然比较高。
因此，关于硅异质结太阳电池的研究有待深入。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种低成本的硅异质结太阳电池。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种硅异质结太阳电池。根据本发明的实施例，该硅异质结太阳电池包括：基材，所述基材具有相对设置的正面和背面；铜薄膜电极，所述铜薄膜电极设置在整个所述背面的一侧；图形化的铜栅线电极，所述铜栅线电极设置在所述正面的一侧。相比正面电极和背面电极均是图形化的铜栅线电极，本申请中背面电极为整面的铜薄膜电极，无需将其进行图形化，即可以节省背面电极图形化等工艺流程和光刻掩膜的使用，从而有效地降低铜电极的制作成本，进而降低硅异质结太阳电池的整体制备成本；而且，整面的铜薄膜电极可以有效降低太阳电池的串联电阻，进而提高太阳电池的效率。
根据本发明的实施例，所述硅异质结太阳电池还包括：图形化的第一铜种子层，所述第一铜种子层设置在所述正面上，且所述铜栅线电极设置在所述第一铜种子层远离所述基材的表面上；第二铜种子层，所述第二铜种子层设置在整个所述背面上，且所述铜薄膜电极设置在所述第二铜种子层远离所述基材的整个表面上。
根据本发明的实施例，所述铜薄膜电极的厚度为5～45微米。
根据本发明的实施例，所述基材包括：晶硅衬底；本征非晶硅薄膜，所述本征非晶硅薄膜设置在所述晶硅衬底相对设置的两个表面上；掺杂非晶硅薄膜，所述掺杂非晶硅薄膜设置在两个所述本征非晶硅薄膜远离所述晶硅衬底的表面上；TCO薄膜，所述TCO薄膜设置在两个所述掺杂非晶硅薄膜远离所述晶硅衬底的表面上。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的硅异质结太阳电池的方法。根据本发明的实施例，制备硅异质结太阳电池的方法包括：提供基材，所述基材具有相对设置的正面和背面；在整个所述背面的一侧形成铜薄膜电极，在所述正面的一侧形成图形化的铜栅线电极。相比正面和背面均制备图形化的铜栅线电极的工艺，本申请中背面电极为整面的铜薄膜电极，无需将其进行图形化，即可以节省背面电极图形化等工艺流程和光刻掩膜的使用，从而有效地降低铜电极的制作成本，进而降低硅异质结太阳电的整体制备成本；而且，整面的铜薄膜电极可以有效降低太阳电池的串联电阻，进而提高太阳电池的效率。
根据本发明的实施例，制备硅异质结太阳电池的方法还包括：在所述正面上沉积形成整层第一铜种子层，在整个所述背面上沉积形成第二铜种子层；在所述整层第一铜种子层远离基材的表面上光刻形成图形化的掩膜；其中，在所述第二铜种子层远离所述基材的整个表面上电镀形成所述铜薄膜电极，在未被所述掩膜覆盖的所述第一铜种子层的表面上电镀形成所述铜栅线电极。
根据本发明的实施例，在所述电镀时，电镀液包括CuSO4和添加剂，其中，Cu2+的浓度为15～80g/L，电镀时间为15～60分钟。
根据本发明的实施例，在形成所述铜薄膜电极和所述铜栅线电极之后，还包括：去除所述掩膜；去除所述未被所述铜栅线电极覆盖所述的整层第一铜种子层部分，得到第一铜种子层，并暴露出未被所述铜栅线电极覆盖的所述基材中TCO薄膜的表面。
附图说明
图1是本发明一个实施例中硅异质结太阳电池的结构示意图。
图2是本发明另一个实施例中硅异质结太阳电池的结构示意图。
图3是本发明又一个实施例中硅异质结太阳电池的结构示意图。
图4是本发明一个实施例中硅异质结太阳电池中的基材的结构示意图。
图5是本发明另一个实施例中制备硅异质结太阳电池的结构示意图。
图6是本发明又一个实施例中制备硅异质结太阳电池的结构示意图。
图7是对比例1中硅异质结太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种硅异质结太阳电池。根据本发明的实施例，参照图1，该硅异质结太阳电池包括：基材10，基材10具有相对设置的正面10A和背面10B；铜薄膜电极20，铜薄膜电极20设置在整个背面10B的一侧；图形化的铜栅线电极30，铜栅线电极30设置在正面10A的一侧。相比正面电极和背面电极均是图形化的铜栅线电极，本申请中背面电极为整面的铜薄膜电极20，无需将其进行图形化，即可以节省背面电极图形化等工艺流程和光刻掩膜的使用，从而有效地降低铜电极的制作成本，进而降低硅异质结太阳电的整体制备成本；而且，整面的铜薄膜电极20可以有效降低太阳电池的串联电阻，有效提高太阳电池的填充因子，进而提高太阳电池的效率，或者在保持太阳电池良好效率的前提下，大大降低制作太阳电池的成本。
根据本发明的实施例，参照图2，基材10包括：晶硅衬底11；本征非晶硅薄膜12(包括本征非晶硅薄膜12a和本征非晶硅薄膜12b)，本征非晶硅薄膜12设置在晶硅衬底11相对设置的两个表面上；掺杂非晶硅薄膜13(包括掺杂非晶硅薄膜13a和掺杂非晶硅薄膜13b)，掺杂非晶硅薄膜13设置在两个本征非晶硅薄膜12远离晶硅衬底11的表面上；TCO薄膜14(包括TCO薄膜14a和TCO薄膜14b)，TCO薄膜14设置在两个掺杂非晶硅薄膜13远离晶硅衬底11的表面上。
其中，晶硅衬底11的导电类型没有特殊要求，本领域技术人员根据实际需求灵活选择即可，比如，晶硅衬底为N型单晶硅片；更进一步的，晶硅衬底可以为形成有金字塔绒面结构的N型单晶硅片。如此，可以更进一步的提升硅异质结太阳电池的使用性能。
其中，掺杂非晶硅薄膜13a和掺杂非晶硅薄膜13b中的一个为N型掺杂非晶硅薄膜，另一个为P型掺杂非晶硅薄膜，本领域技术人员可以根据实际情况灵活设置。在一些实施例中，掺杂非晶硅薄膜13a为掺杂P型非晶硅发射极层，掺杂非晶硅薄膜13b为掺杂N型非晶硅背场层，且掺杂N型非晶硅背场层位于硅异质结太阳电池的背面。由此，可以有效满足硅异质结太阳电池的性能要求。
其中，TCO薄膜14a和TCO薄膜14b的材料没有特殊要求，本领域技术人员也可以根据实际需求灵活选择。在本发明的实施例中，形成TCO薄膜14a和TCO薄膜14b的材料各自独立的包括但不限于掺杂有锡、钨、钼、钛、镓、锌等中至少一种的掺杂氧化铟，比如掺锡氧化铟(ITO)、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺锌氧化铝。由此，上述材料导电性佳，与掺杂非晶硅薄膜和铜电极之间的界面性能良好，且其透光率较好、电阻率较低，进而有助于提升硅异质结太阳电池的电池性能。
根据本发明的实施例，铜薄膜电极的厚度为5～45微米，比如5微米，10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米或45微米，由此，铜薄膜电极具有较佳的电学性能，由于降低串联电阻。其中，铜栅线电极的厚度也为5～45微米，由此，铜栅线电极具有较佳的电学性能。
进一步的，图形化的铜栅线电极30的具体图形形状没有特殊要求，本领域可以根据对铜栅线电极、太阳电池正面的透光性等实际情况的要求进行灵活设计选择，在此不作限制要求。
根据本发明的实施例，参照图3，硅异质结太阳电池还包括：图形化的第一铜种子层40，第一铜种子层40设置在正面(即图3和图2中TCO薄膜14a的表面)上，且铜栅线电极30设置在第一铜种子层40远离基材10的表面上；第二铜种子层50，第二铜种子层50设置在整个背面(即图3和图2中TCO薄膜14b的表面)上，且铜薄膜电极20设置在第二铜种子层50远离基材的整个表面上。由此，通过第一铜种子层40和第二铜种子层50的设置，以便于电镀制备铜薄膜电极20和铜栅线电极30。
其中，第一铜种子层40和第二铜种子层50的厚度分别为70～150纳米，比如70纳米、80纳米、90纳米、100纳米、110纳米、120纳米、130纳米、140纳米或150纳米。由此，上述厚度的第一铜种子层40和第二铜种子层50，有助于电镀形成所需厚度的铜栅线电极30和铜薄膜电极20。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的硅异质结太阳电池的方法。根据本发明的实施例，制备硅异质结太阳电池的方法包括：
S100：提供基材10，基材10具有相对设置的正面10A和背面10B。
进一步的，参照图4，基材10包括：晶硅衬底11；本征非晶硅薄膜12(包括本征非晶硅薄膜12a和本征非晶硅薄膜12b)，本征非晶硅薄膜12设置在晶硅衬底11相对设置的两个表面上；掺杂非晶硅薄膜13(包括掺杂非晶硅薄膜13a和掺杂非晶硅薄膜13b)，掺杂非晶硅薄膜13设置在两个本征非晶硅薄膜12远离晶硅衬底11的表面上；TCO薄膜14(包括TCO薄膜14a和TCO薄膜14b)，TCO薄膜14设置在两个掺杂非晶硅薄膜13远离晶硅衬底11的表面上，结构示意图参照图2。
其中，本征非晶硅薄膜12、掺杂非晶硅薄膜13可以通过PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)工艺进行制备，TCO薄膜14可以通过PVD(物理气相沉积)工艺进行制备，上述工艺方法的工艺成熟，便于工业化生产，而且制备的薄膜性能较佳。其中，PVD和PECVD的具体工艺条件没有特殊要求，本领域根据现有技术的制备工艺条件进行制备即可。
根据本发明的实施例，参照图5，制备硅异质结太阳电池的方法还包括：
S110：在正面(即图4中TCO薄膜14a远离基材的表面)上沉积形成整层第一铜种子层41，在整个背面(即图4中TCO薄膜14b远离基材的表面)上沉积形成第二铜种子层50。
其中，整层第一铜种子层41和第二铜种子层50的具体沉积工艺可以为PVD，该方法的工艺成熟，便于工业化生产，而且制备的铜种子层的厚度均匀、性能较佳，在一些示例中，PVD工艺中，其功率密度为15～40W/cm，气压为0.3～0.6Pa。
S120：在整层第一铜种子层41远离基材的表面上光刻形成图形化的掩膜60，具体的：在整层第一铜种子层41远离基材的表面上涂覆形成整层的掩膜干膜，之后通过光刻技术得到图形化的掩膜60。
S200：在整个背面10B的一侧形成铜薄膜电极20，在正面10A的一侧形成图形化的铜栅线电极30。
在一些实施例中，参照图6，在第二铜种子层50远离基材的整个表面上电镀形成铜薄膜电极20，在未被掩膜60覆盖的整层第一铜种子层41的表面上电镀形成铜栅线电极30。具体的，将形成有掩膜60的半成品(图5的结构)浸入电镀液中一定时间，即可以在第二铜种子层50和未被掩膜60覆盖的整层第一铜种子层41的表面上电镀沉积得到铜栅线电极和铜薄膜电极。
根据本发明的实施例，在电镀时，电镀液包括CuSO4和添加剂，其中，Cu2+的浓度为15～80g/L(比如15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L、38g/L、40g/L、42g/L、45g/L、48g/L、50g/L、53g/L、55g/L、58g/L、60g/L、65g/L、70g/L、75g/L、80g/L、)，电镀时间为15～60分钟(比如15分钟、20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟、45分钟。50分钟、60分钟)。由此，在上述条件下，有助于快速均匀地在第二铜种子层50和未被掩膜60覆盖的整层第一铜种子层41的表面上电镀沉积得到厚度均匀、性能良好的铜栅线电极和铜薄膜电极。
根据本发明的实施例，在形成铜薄膜电极和铜栅线电极之后，还包括步骤S300：去除掩膜60；去除未被铜栅线电极30覆盖的整层第一铜种子层部分，得到第一铜种子层40，并暴露出未被铜栅线电极30覆盖的基材中TCO薄膜14a的表面，结构示意图参照图3。
其中，去除掩膜60的具体方法没有特殊要求，本领域技术人员可以根据掩膜的具体材料等实际情况灵活设计即可，在此不再过多的赘述。
进一步的，去除未被铜栅线电极30覆盖的整层第一铜种子层部分的具体方法可以采用酸液进行腐蚀，以便得到所需结构的硅异质结太阳电池。
根据本发明的实施例，相比正面和背面均制备图形化的铜栅线电极的工艺，本申请中背面电极为整面的铜薄膜电极，无需将其进行图形化，即可以节省背面电极图形化等工艺流程和光刻掩膜的使用，从而有效地降低铜电极的制作成本，进而降低硅异质结太阳电的整体制备成本；而且，整面的铜薄膜电极可以有效降低太阳电池的串联电阻，进而提高太阳电池的效率。
实施例
实施例1
制备硅异质结太阳电池(其结构示意图参照图3)的步骤：
(1)对N型晶硅衬底11进行清洗制绒；
(2)在晶硅衬底11两相对表面分别通过PECVD依次沉积本征非晶硅薄膜12和掺杂非晶硅薄膜13；
(3)在正面和背面的掺杂非晶硅薄膜13的表面上分别通过PVD沉积TCO薄膜14；
(4)在正面的TCO薄膜14a的表面上通过PVD沉积形成整层第一铜种子层41，在背面的TCO薄膜14b的表面上通过PVD沉积形成第二铜种子层50；
(5)在整层第一铜种子层41表面涂敷干膜，并光刻形成图形化的掩膜60；
(6)将步骤(5)得到的样品浸入含有硫酸铜的电镀液中，沉积得到铜栅线电极30和铜薄膜电极20；
(7)去除掩膜60；
(8)将步骤(7)得到的样品浸入酸溶液中去除未被铜栅线电极覆盖的整层铜种子层部分，得到第一铜种子层40，得到硅异质结太阳电池。
其中，第一铜种子层和第二铜种子层的厚度分别为90纳米，铜薄膜电极和铜栅线电极的厚度分别为(30±2)微米，电镀液中铜离子的浓度为55g/L。
对比例1
制备硅异质结太阳电池(其结构示意图参照图7)的步骤：
步骤(1)至步骤(4)与实施例1的步骤工艺相同；
(5)在整层第一铜种子层和整层第二铜种子层的表面均涂敷干膜，并光刻形成图形化的掩膜；
(6)将步骤(5)得到的样品浸入含有硫酸铜的电镀液中，沉积得到平均厚度高度分别为(30±2)微米的第一铜栅线电极31和铜栅线电极32，电镀液及电镀条件与实施例1一致；
(7)去除掩膜；
(8)将步骤(7)得到的样品浸入酸溶液中去除未被铜栅线电极覆盖的铜种子层，得到图形化的第一铜种子层42和第二铜种子层52，得到硅异质结太阳电池。
分别对实施例1和对比例1获得的硅异质结太阳电池的性能进行测试，测试结果为：
实施例1中的太阳电池的开路电压为738.6mV，短路电流密度为38.03mA/cm2，填充因子为80.42％，电池效率为22.59％；
对比例1中的太阳电池的开路电压为738.6mV，短路电流密度为38.07mA/cm2，填充因子为80.07％，电池效率为22.51％。
由此可见，实施例1中的太阳电池，在有效降低制作成本的前提下，不仅有效保证了太阳电池的良好的填充因子和电池效率，且相比对比例1还提高了填充因子和电池效率。
文中术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种硅异质结太阳电池，其特征在于，包括：
基材，所述基材具有相对设置的正面和背面；
铜薄膜电极，所述铜薄膜电极设置在整个所述背面的一侧；
图形化的铜栅线电极，所述铜栅线电极设置在所述正面的一侧。
2.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于，还包括：
图形化的第一铜种子层，所述第一铜种子层设置在所述正面上，且所述铜栅线电极设置在所述第一铜种子层远离所述基材的表面上；
第二铜种子层，所述第二铜种子层设置在整个所述背面上，且所述铜薄膜电极设置在所述第二铜种子层远离所述基材的整个表面上。
3.根据权利要求1或2所述的硅异质结太阳电池，其特征在于，所述铜薄膜电极的厚度为5～45微米。
4.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池，其特征在于，所述基材包括：
晶硅衬底；
本征非晶硅薄膜，所述本征非晶硅薄膜设置在所述晶硅衬底相对设置的两个表面上；
掺杂非晶硅薄膜，所述掺杂非晶硅薄膜设置在两个所述本征非晶硅薄膜远离所述晶硅衬底的表面上；
TCO薄膜，所述TCO薄膜设置在两个所述掺杂非晶硅薄膜远离所述晶硅衬底的表面上。
5.一种制备权利要求1～4中所述的硅异质结太阳电池的方法，其特征在于，包括：
提供基材，所述基材具有相对设置的正面和背面；
在整个所述背面的一侧形成铜薄膜电极，在所述正面的一侧形成图形化的铜栅线电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述正面上沉积形成整层第一铜种子层，在整个所述背面上沉积形成第二铜种子层；
在所述整层第一铜种子层远离基材的表面上光刻形成图形化的掩膜；
其中，在所述第二铜种子层远离所述基材的整个表面上电镀形成所述铜薄膜电极，在未被所述掩膜覆盖的所述整层第一铜种子层的表面上电镀形成所述铜栅线电极。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述电镀时，电镀液包括CuSO4和添加剂，其中，Cu2+的浓度为15～80g/L，电镀时间为15～60分钟。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在形成所述铜薄膜电极和所述铜栅线电极之后，还包括：
去除所述掩膜；
去除所述未被所述铜栅线电极覆盖所述的整层第一铜种子层部分，得到第一铜种子层，并暴露出未被所述铜栅线电极覆盖的所述基材中TCO薄膜的表面。
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