一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池及其制備方法
【專利摘要】柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，1)采用厚度80～500um，電阻率0.1～1000Ω·cm的晶體硅片作為襯底；2)先在晶體硅襯底上制作太陽電池正面結構或半成品正面結構；3)保護好已制作的正面結構從背面減薄襯底：在已制作的太陽電池正面結構或半成品正面結構上制作100nm～100um的保護層或同時在背面也制作邊框保護，將晶體硅襯底從背面減薄至5～50um；去除保護層或同時包括背面邊框保護層；4)制作背面結構：在背面淀積異質(zhì)結硅基鈍化層2～100nm及背面場2～50nm。異質(zhì)結結構大幅度的提高電池的轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流等；光電性能優(yōu)良的晶體硅作為柔性電池的吸收基區(qū)，是獲得較高轉(zhuǎn)換效率的保證。
【專利說明】一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽電池及其制備方法，特別是關于一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池及其制備方法。
技術背景
[0002]基于非晶體硅的柔性太陽電池，由于材料質(zhì)量及其自身光電性質(zhì)的制約，電池的轉(zhuǎn)換效率偏低。
[0003]基于晶體硅的柔性太陽電池，由于其技術路線是先使用外延生長等方法制備柔性晶體硅襯底，再在其上完成電池的制備。導致技術路線難度高，工藝冗長復雜；再加上在很薄的柔性晶體硅襯底上，制作電池結構的技術工藝和常規(guī)非柔性晶體硅電池的不兼容，致使制備成本很高。
[0004]具有柔性的晶體硅其厚度是比較薄的(5?50um)，對太陽光譜中的長波長光子的吸收相對較弱，致使短路電流密度相對降低，其轉(zhuǎn)換效率、開路電壓等相對于常規(guī)厚度OlSOum)的晶體硅電池有所下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題:本發(fā)明目的是，采用和常規(guī)非柔性晶體硅電池相兼容的光刻/電子束刻寫及RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等技術在正面形成柱形陣列結構，對太陽光譜具有優(yōu)良的陷光性，從而較好改善了短路電流密度；采用異質(zhì)結結構進一步大幅度的提高了電池的轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流等；徑向結沿柱形材料的徑向分離光生載流子對，進一步提高了載流子對的分離幾率，并降低了載流子對的復合幾率；利用易于低成本大規(guī)?；幕瘜W刻蝕方法，僅從背面將晶體硅襯底減薄至呈現(xiàn)柔性；晶體硅襯底保證了電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案:
[0007]—種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，包括步驟:1)采用厚度80?500um，電阻率0.1?1000 Ω -cm的晶體硅片作為襯底；2)先在晶體硅襯底上制作太陽電池正面結構或半成品正面結構；完整的正面結構的制備方法為:將晶體硅襯底預處理；利用光刻/電子束刻寫及RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等，在正面形成高陷光性的柱形陣列結構；在正面淀積異質(zhì)結娃基鈍化層(2?10nm)及發(fā)射區(qū)(2?50nm);在正面淀積TCO/金屬電極；3)保護好已制作的正面結構從背面減薄襯底:在已制作的太陽電池正面結構或半成品正面結構上制作10nm?10um的保護層(或同時在背面也制作邊框保護層)，保護層為SiNX、A10X、Si0X、PDMS、PMMA等的單層或疊層；在氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氟酸+硝酸(HF+HN03)、氫氟酸+硝酸+醋酸(HF+HN03+CH3C00H)或乙二胺鄰苯二酹(Ethylene DiaminePyrocatechol)化學刻蝕體系中進行刻蝕,將晶體娃襯底從背面減薄至5?50um;去除保護層(或并背面邊框保護層)；4)制作背面結構:在背面淀積異質(zhì)結娃基鈍化層(2?10nm)及背面場(2?50nm);在背面淀積TCO/金屬電極；5)根據(jù)情形，即制作刻蝕保護層前已制作的太陽電池成品或半成品正面結構，(或)再進一步完成正面結構。
[0008]采用厚度>80um，電阻率為0.1?1000 Ω.cm的晶體硅片作為襯底；所述晶體硅襯底是P型或η型單晶硅片，或是P型或η型多晶硅片。
[0009]對晶體硅襯底進行預處理，包括常規(guī)清洗、去除損傷層、適度拋光或適度陷光化(制續(xù)化)等。
[0010]在正面形成高陷光性的柱形陣列結構，也可以是孔形、錐形等陣列結構，柱、孔、錐等表面還可以疊加上更小尺度的陷光粗糙結構；制作技術可以采用光刻/電子束刻寫、RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等技術，也可以采用壓印/單分散層微球、激光燒蝕等技術，可以是其中一種技術的單獨使用，也可以是其中多種技術的聯(lián)合使用。
[0011]正面發(fā)射區(qū)是摻雜的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H 或 a/nc/uc_S1x:H等,可以是其中一種的單層，也可以是其中多種的疊層。
[0012]正面電極為TCO/金屬電極，TCO材料可以是IT0、FT0、AZ0等，金屬材料可以是Ag、Al等，制作技術涵蓋濺射、蒸鍍、絲網(wǎng)印刷等。
[0013]背面場是慘雜的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H 或 a/nc/uc_S1x:H等,可以是其中一種的單層，也可以是其中多種的疊層。
[0014]背面電極是TCO/金屬電極，TCO材料可以是IT0、FT0、AZ0等，金屬材料可以是Ag、Al等，制作技術涵蓋濺射、蒸鍍、絲網(wǎng)印刷等；背面TCO層也可以缺省。
[0015]制作減薄背面刻蝕保護層前先在晶體硅襯底上制作至一定的正面結構，即正面結構的部分或全部，例如制作至形成高陷光性的柱形陣列結構，或制作至淀積完異質(zhì)結娃基鈍化層及發(fā)射區(qū)，或制作至淀積完TCO/金屬電極；甚至襯底先不制作正面結構，同時也不再需要制作正面保護層，直接在化學刻蝕體系里從雙面減薄襯底至呈現(xiàn)柔性，再將其制成柔性電池，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0016]在已制作的正面結構上制作保護層(或在背面也制作邊框保護層)，保護層可以是SiNx、A10x、Si0x等，也可以是PDMS、PMMA等，可以是其中一種的單層，也可以是其中多種的疊層；如果在背面制作了邊框保護層，背面減薄刻蝕后，襯底將具有一個原襯底厚度的硬邊框，該邊框的存在可以保護中部的柔性襯底區(qū)域，非常便于后續(xù)的操作與工藝處理，中部柔性區(qū)域全部電池工藝完成后，可以用激光切片機切除該邊框，便獲得了中部的柔性電池。
[0017]用化學刻蝕方法從背面將襯底減薄到5?50um，呈現(xiàn)非常優(yōu)良的柔性，化學刻蝕體系可以是氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)等堿性體系，也可以是氫氟酸+硝酸(HF+HN03)、氫氟酸+硝酸+醋酸(HF+HN03+CH3C00H)等酸性體系，還可以是乙二胺鄰苯二酌.(Ethylene DiaminePyrocatechol)等體系。
[0018]正面和背面在制作時可以采用正面鈍化層、背面鈍化層。正面鈍化層是本征的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H 或 a/nc/uc_S1x:H 等，可以是其中一種的單層，也可以是其中多種的疊層；正面鈍化層也可以缺省。背面鈍化層是本征的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc-SiCx:H或a/nc/uc-S1x:H等,可以是其中一種的單層,也可以是其中多種的疊層；背面鈍化層也可以缺省。
[0019]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用和常規(guī)非柔性晶體硅電池相兼容的光刻/電子束刻寫及RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等技術在正面形成柱形陣列結構，對太陽光譜具有優(yōu)良的陷光性，改善了短路電流密度；采用異質(zhì)結結構進一步大幅度的提高了電池的轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流等；徑向結沿柱形材料的徑向分離光生載流子對，進一步提高了載流子對的分離幾率，并降低了載流子對的復合幾率；利用易于低成本大規(guī)模化的化學刻蝕方法，僅從背面將晶體硅襯底減薄至呈現(xiàn)柔性；本發(fā)明使用化學刻蝕方法，易于低成本大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化；晶體硅作為柔性電池的吸收基區(qū)，具有優(yōu)良的光電性能，是獲得高效柔性電池的基礎。本發(fā)明最終獲得的柔性晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率非常高，遠高于一般的柔性薄膜電池，甚至高于常規(guī)非柔性單晶硅或多晶硅太陽電池，因此具有更加多樣而廣泛的應用前旦
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明提供的一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的結構示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明提供的一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備流程圖。

【具體實施方式】
[0022]為使本發(fā)明的技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖1和圖2，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0023]圖中所示，I背面TCO/金屬電極、2背面場、3背面鈍化層、4柔性晶體硅、5正面鈍化層、6正面發(fā)射區(qū)、7正面TC0、8正面金屬電極。
[0024]一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池及其制備方法，其特征在于:實現(xiàn)完整正面結構的制備方法:將晶體硅襯底預處理；利用光刻/電子束刻寫及RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等，在正面形成高陷光性的柱形陣列結構；在正面淀積異質(zhì)結硅基鈍化層及發(fā)射區(qū)；在正面淀積TCO/金屬電極。實現(xiàn)背面結構的制備方法:在背面淀積異質(zhì)結硅基鈍化層及背面場；在背面淀積TCO/金屬電極。保護正面減薄背面實現(xiàn)柔性的制備方法:在正面制作至一定的正面結構后，制作保護層將正面結構保護好(或在背面也制作邊框保護層)，用化學刻蝕方法從背面將襯底減薄至呈現(xiàn)柔性(例如5?50um)，去除保護層(或并邊框保護層)。
[0025]實施例1，正面制作至形成高陷光性的柱形陣列結構，保護正面刻蝕背面:
[0026]I)采用厚度200±20um，電阻率為I?3Ω.cm的p型單晶硅片作為襯底。
[0027]2)對襯底進行常規(guī)堿制絨。
[0028]3)采用接觸式紫外光刻，在正面光刻膠上形成圓孔形陣列；在其上蒸鍍0.1?1um的金屬鉻，通過剝離光刻膠的方法形成鉻的圓形陣列；以金屬鉻的圓形陣列為掩膜版，采用氟基RIE刻蝕，形成晶體硅的柱形陣列；化學濕法去除金屬鉻及硅的表面損傷；最終在正面形成直徑2?20um、周期4?40um、高度3?1um的晶體娃柱形陣列結構。
[0029]4)PECVD正面淀積300?600nm的SiNx作為保護層，背面淀積寬度?5mm，厚度300?600um的SiNx作為邊框保護層。
[0030]5)使用NaOH溶液，從背面將襯底減薄至20?40um，襯底呈現(xiàn)非常優(yōu)良的柔性。
[0031]6)去除正面的SiNx保護層及背面的SiNx邊框保護層。
[0032]7)正面PECVD先淀積2?1nm的本征a_S1: H,再淀積10?20nm的η型a_S1: H,形成正面鈍化層及異質(zhì)結。
[0033]8)背面PECVD先淀積2?1nm的本征a_S1:H，再淀積10?20nm的重摻雜p型a-S1:H,形成背面鈍化層及背面場。
[0034]9)在正面磁控濺射淀積50?150nm的TC0，并在其上電子束蒸鍍具有柵線版形的銀電極，形成正面電極。
[0035]10)在背面熱蒸鍍0.5?2.5um的金屬鋁層，作為背面電極。
[0036]11)在較低溫度下熱退火。
[0037]12)使用激光切片機切除硬邊框，獲得中部的柔性電池。
[0038]實施例2，正面制作至淀積完TCO/金屬電極，保護正面刻蝕背面:
[0039]I)采用厚度200±20um，電阻率為50?500 Ω.cm的η型單晶硅片作為襯底。
[0040]2)對襯底進行常規(guī)化學拋光。
[0041]3)采用接觸式紫外光刻，在正面光刻膠上形成圓形陣列；在其上電子束蒸鍍5?500nm的金屬銀，通過剝離光刻膠的方法形成銀的圓孔形陣列；以圓孔形陣列的金屬銀作催化輔助，進行化學濕法刻蝕，形成晶體硅的柱形陣列；化學濕法去除金屬銀及硅的表面損傷；最終在正面形成直徑2?20um、周期4?40um、高度3?1um的晶體娃柱形陣列結構。
[0042]4)正面PECVD先淀積2?1nm的本征a_S1: H,再淀積10?20nm的p型a_S1: H,形成正面鈍化層及異質(zhì)結。
[0043]5)在正面磁控濺射淀積50?150nm的TC0，并在其上電子束蒸鍍具有柵線版形的銀電極，形成正面電極。
[0044]6)正面旋涂50?10um的PDMS作為保護層，烘培固化。
[0045]7)使用HF+HN03+CH3C00H溶液，從背面將襯底減薄至20?40um，襯底呈現(xiàn)非常優(yōu)良的柔性。
[0046]8)去除正面的PDMS保護層。
[0047]9)背面PECVD先淀積2?1nm的本征a_S1: H，再淀積10?20nm的重摻雜η型a-S1:H,形成背面鈍化層及背面場。
[0048]10)在背面熱蒸鍍0.5?2.5um的金屬鋁層，作為背面電極。
[0049]11)在較低溫度下熱退火。
[0050]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是步驟包括:1)采用厚度80?500um，電阻率0.1?1000Ω ^cm的晶體硅片作為襯底；2)先在晶體硅片襯底上制作太陽電池正面結構或半成品正面結構；完整的正面結構的制備方法為:將晶體硅襯底預處理；利用光刻/電子束刻寫及RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等，在正面形成高陷光性的柱形陣列結構；在正面淀積異質(zhì)結娃基鈍化層(2?10nm)及發(fā)射區(qū)(2?50nm)；在正面淀積TCO/金屬電極；3)保護好已制作的正面結構從背面減薄襯底:在已制作的太陽電池正面結構或半成品正面結構上制作10nm?10um的保護層或同時在背面也制作邊框保護，保護層為SiNx、AlOx, S1x, PDMS, PMMA等的單層或疊層；在氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氟酸+硝酸(HF+HN03)、氫氟酸+硝酸+醋酸(HF+HN03+CH3C00H)或乙二胺鄰苯二酚化學刻蝕體系中進行刻蝕，將晶體硅襯底從背面減薄至5?50um ;去除保護層或同時包括背面邊框保護層；4)制作背面結構:在背面淀積異質(zhì)結硅基鈍化層2?10nm及背面場2?50nm ;在背面淀積TCO/金屬電極；5)根據(jù)情形，即制作刻蝕保護層前已制作的太陽電池成品或半成品正面結構，或再進一步完成正面結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是采用厚度>80um，電阻率為0.1?1000 Ω.cm的晶體硅片作為襯底；所述晶體硅襯底是P型或η型單晶硅片，或是P型或η型多晶硅片；對襯底進行預處理，包括常規(guī)清洗、去除損傷層、適度拋光或適度陷光化即制絨化。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是在正面形成高陷光性的柱形陣列結構，也可以是孔形、錐形等陣列結構，柱、孔、錐等表面還可以疊加上更小尺度的陷光粗糙結構；制作技術可以采用光刻/電子束刻寫、RIE刻蝕/金屬催化輔助刻蝕等技術，也可以采用壓印/單分散層微球、激光燒蝕等技術，是其中一種技術的單獨使用，或是其中多種技術的聯(lián)合使用。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是正面發(fā)射區(qū)是摻雜的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H或a/nc/uc_S1x:H,是其中一種的單層材料，或其中多種的疊層。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是正面電極為TCO/金屬電極，TCO材料是IT0、FT0、AZ0，金屬材料是Ag、Al，制作技術包括濺射、蒸鍍、絲網(wǎng)印刷；背面電極是TCO/金屬電極，TCO材料是IT0、FT0、AZ0，金屬材料可以是Ag、Al，制作技術包括濺射、蒸鍍、絲網(wǎng)印刷；背面T⑶層能夠缺省。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是背面場是摻雜的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H或a/nc/uc_S1x:H,是其中一種的單層，或是其中多種的疊層。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是，制作減薄背面刻蝕保護層前先在晶體硅襯底上制作至一定的正面結構，即正面結構的部分或全部，制作至形成高陷光性的柱形陣列結構、制作至淀積完異質(zhì)結娃基鈍化層及發(fā)射區(qū)或制作至淀積完TCO/金屬電極；或當襯底先不制作正面結構，同時也不再需要制作正面保護層，直接在化學刻蝕體系里從雙面減薄襯底至呈現(xiàn)柔性，再將其制成柔性電池。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是，在已制作的正面結構上制作保護層或在背面也制作邊框保護層，保護層是SiNx、AlOx, S1x,或是PDMS、PMMA,是其中一種的單層，或是其中多種的疊層；如果在背面制作了邊框保護層，背面減薄刻蝕后，襯底將具有一個原襯底厚度的硬邊框，該邊框的存在能保護中部的柔性襯底區(qū)域，非常便于后續(xù)的操作與工藝處理。中部柔性區(qū)域全部電池工藝完成后，可以用激光切片機切除該邊框，便獲得中部的柔性電池。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池的制備方法，其特征是用化學刻蝕方法從背面將襯底減薄到5?50um，化學刻蝕液是氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)堿性體系，或是氫氟酸+硝酸(HF+HN03)、氫氟酸+硝酸+醋酸(HF+HN03+CH3C00H)酸性體系，或是乙二胺鄰苯二酌.(Ethylene DiaminePyrocatechol)體系O
10.根據(jù)權利要求1-9之I所述的制備方法得到的柔性高陷光性徑向結異質(zhì)結高效晶體硅太陽電池，其特征是正面和背面在制作時釆用正面鈍化層、背面鈍化層；正面鈍化層是本征的a/nc/uc-S1: H、a/nc/uc-SiCx: H或a/nc/uc_S1x:H，是其中一種的單層或是其中多種的疊層；背面鈍化層是本征的a/nc/uc-S1:H、a/nc/uc_SiCx:H或a/nc/uc_S1x:H，是其中一種的單層，或是其中多種的疊層；鈍化層能夠缺省。
【文檔編號】H01L31/072GK104201234SQ201410295530
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2014年6月26日
【發(fā)明者】余林蔚, 李成棟 申請人:余林蔚, 李成棟