一种具有复合电极层的异质结太阳能电池的制作方法

1.本实用新型涉及新能源领域，具体而言，涉及一种具有复合电极层的异质结太阳能电池。


背景技术：

2.异质结太阳能电池(hit)技术作为近年来引起行业高度关注的高效技术路线，因其光电转换效率高、性能优异、降本空间大，平价上网前景好，成为行业公认的下一代商业光伏产业技术。
3.对于高效异质结电池来说，目前的难点之一在于成本的降低，在异质结发展的道路上，电极层是必须的材料之一，在提效降低成本的大趋势下，电极层的性能提升和成本下降需求比较迫切，通过电极层的改善可实现降低成本和效率提升，对异质结电池的发展将会有很大的贡献。
4.itrpv预测到2025年异质结电池将有10％市场份额，随着异质结电池的进一步扩产，降低成本成为产业可持续发展的关键。目前异质结电池结构pn面均采用氧化铟锡电极层(ito)，极大增加了异质结电池的非硅成本。因此在保证电池性能和组件可靠性情况下有必要把ito的厚度缩减或采用更加廉价的材料完全替代ito。
5.azo(al掺杂zno)薄膜是一种可替代ito的透明导电氧化物薄膜材料。它具有原料丰富，无毒等优点，因而有望被应用在太阳能电池上。探索azo运用于太阳能电池上的工艺使在降成本的基础上电池效率不受影响或提升并保证可靠性是关键。异质结电池相对其他高效电池采用薄片硅片是其技术优势，但随着硅片的减薄长波段光会越多穿透硅片而导致isc会有所损失，因此如何把该波段利用起来是保证效率的关键。
6.sin或sion等含硅薄膜相比tco有更好的可靠性以及透过率。由于含硅薄膜导电性较差，为了保证电池的可靠性和导通性，目前公开技术中用等离子化学气相沉积或原子层沉积含硅薄膜后需要在电极位置用化学刻蚀法、激光开槽或印刷腐蚀材料等去除含硅薄膜，这些方法复杂且会影响电池性能，因此需要更简单的方法实现电极的导出。


技术实现要素：

7.为克服现有技术中异质结电池结构中的氧化铟锡电极层(ito)，极大增加了异质结电池的非硅成本，而采用其他更廉价材料替代ito时，其电池性能和组件可靠性均会受影响的问题，本专利提供了一种具有复合电极层的异质结太阳能电池，包括以n型或p型单晶硅c-si为衬底，在衬底上表面依次沉积本征非晶硅层、n型非晶硅层和上电极层，所述上电极层包括front ito层；在衬底下表面依次沉积本征非晶硅层、p型非晶硅层和下电极层，所述下电极层从上到下依次包括tco层、金属膜层和含硅薄膜层。
8.复合电极层技术被认为是解决异质结成本问题和效率问题的重要手段，可以提高电池片的转换效率，降低电池片的tco材料成本，提高组件输出功率，提高相关产品的市场竞争力。本专利通过在背面开发出包括tco层、金属膜层和含硅薄膜层的复合电极层替代原
有单层ito层，达到或者超过原来单层ito材料的性能提升效率，并能极大降低成本，成功制作出低铟异质结电池。
9.优选地，所述tco层包括rear ito层，所述rear ito层厚度为1-40nm。
10.优选地，所述tco层包括由azo层和rear ito层组成的复合层，所述azo层厚度小于90nm。下表面azo层的引入可以极大减少ito膜厚，并且底层沉积薄ito不会影响底层与非晶硅的接触电阻，保证电池的电性能。由于azo相对ito导电性较差，溅射电压相对ito高，底层增加ito层还可以减少在沉积azo时高能粒子对非晶硅表面的损伤，保证电性能的voc不会下降。
11.优选地，所述azo层和rear ito层的复合层方阻为10-300ω/
□
。
12.优选地，所述金属膜层包括cu、al、au、ag、pt、cr、rh及pd中的任一种，其厚度为3-20nm。当金属膜层＜3nm时，会极大影响金属薄膜的导电性，并且大量金属颗粒以孤岛形式存在也会影响透过率，当金属膜层＞20nm厚度时，厚的金属膜层反射率非常高，透过率随之降低，因此综合考虑电池的双面率和电池性能以及可靠性，金属膜层的厚度范围设定在3-20nm。
13.优选地，所述含硅薄膜层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及碳化硅中的任一种，膜厚为1-80nm，折射率为1.80-2.25。
14.优选地，所述front ito层厚度为60-90nm，方阻为30-250ω/
□
。
15.优选地，所述电池上下表面印刷有金属电极。
16.优选地，所述下电极层整体厚度≥40nm。
17.本专利还提供了一种上述具有复合电极层的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
18.步骤一，n型或p型单晶硅片经制绒得到所需绒面；
19.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
20.步骤三，采用磁控溅射法自上而下在上表面沉积一层front ito层，采用磁控溅射法或反应等离子法自下而上在下表面依次沉积一层tco层，金属膜层，基底温度范围为25-250℃；
21.步骤四，将步骤三中得到的硅片下表面与掩膜组件贴合，采用磁控溅射法或反应等离子法在其下表面沉积一层含硅薄膜层，基底温度为25-250℃；
22.步骤五，在步骤四中硅片上下表面印刷金属电极，经固化和光注入得到所需的太阳能电池。
23.增加金属膜层有如下优点：1、可以减少与栅线的接触电阻，使栅线可以采用更加廉价的金属比如银包铜或铜以及可以采用更少的细栅线根数来降低成本；2、与tco组合增加收集载流子的能力，降低串联电阻，可以减少tco层的厚度；3、采用磁控溅射制备的金属薄膜比较均匀致密，该金属膜层可以对长波光线有很好的反射作用(特别是＞900nm波长)，增加电池对光的吸收提升短路电流，特别对＜100nm薄片电池有很好的提效作用。
24.sin或sion等含硅薄膜相比tco有更好的可靠性以及透过率。用磁控溅射法沉积可以在低温条件下制备含硅薄膜，不会影响底层非晶硅层。在下表面金属膜层外引入sin或sion等含硅薄膜层可以防止金属膜层的氧化，并且sin或sion等含硅薄膜质硬耐磨，疏水性
好，化学稳定性好可以保护tco层和金属膜层，延长太阳能电池组件的使用寿命。由于sin或sion等含硅薄膜导电性差，因此在细栅线位置采用掩膜托盘结构设计或掩膜档框使其未沉积含硅薄膜，金属电极直接与金属膜层接触，不影响电池电流的导出。该方法简单，不涉及激光开槽、化学刻蚀法等复杂工序极大保证了电池片的转换效率和良率。
25.优选地，步骤四中，所述掩膜组件为掩膜托盘，其表面由若干平行设置的掩膜档条组成，硅片下表面朝下放入掩膜托盘时，所述掩膜档条在自下而上沉积膜层时正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住，避免在金属细栅位置沉积膜层。
26.优选地，步骤四中，所述掩膜组件为掩膜档框，其表面由若干平行设置的掩膜档条及用于固定所述掩膜档条的横条组成，两条以上所述横条将所述掩膜档条固定在同一平面上，硅片下表面朝上放入托盘后，在其上放掩膜档框时，所述掩膜档条在自上而下沉积膜层时正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住，避免在金属细栅位置沉积膜层。
27.优选地，所述横条有两条或两条以上，所述横条在自上而下沉积膜层时正好挡在下表面金属主栅电极位置处。
28.有益效果：
29.采用本专利技术方案产生的有益效果如下：
30.(1)通过在背面开发出包括tco层、金属膜层和含硅薄膜层的复合电极层替代原有单层ito层，达到或者超过原来单层ito材料的性能提升效率，并能极大降低成本，成功制作出低铟异质结电池。
31.(2)下表面azo层的引入可以极大减少ito膜厚，并且底层沉积薄ito不会影响底层与非晶硅的接触电阻，保证电池的电性能。由于azo相对ito导电性较差，溅射电压相对ito高，底层增加ito层还可以减少在沉积azo时高能粒子对非晶硅表面的损伤，保证电性能的voc不会下降。
32.(3)增加金属膜层有如下优点：1、可以减少与栅线的接触电阻，使栅线可以采用更加廉价的金属比如银包铜或铜以及可以采用更少的细栅线根数来降低成本；2、与tco组合增加收集载流子的能力，降低串联电阻，可以减少tco层的厚度；3、采用磁控溅射制备的金属薄膜比较均匀致密，该金属膜层可以对长波光线有很好的反射作用(特别是＞900nm波长)，增加电池对光的吸收提升短路电流，特别对＜100nm薄片电池有很好的提效作用。
33.(4)sin或sion等含硅薄膜相比tco有更好的可靠性以及透过率。用磁控溅射法沉积可以在低温条件下制备含硅薄膜，不会影响底层非晶硅层。在下表面金属膜层外引入含硅薄膜可以防止金属膜层的氧化，并且sin或sion等含硅薄膜质硬耐磨，疏水性好，化学稳定性好可以保护tco层和金属膜层，延长太阳能电池组件的使用寿命。由于sin或sion等含硅薄膜导电性差，因此在细栅线位置采用掩膜托盘结构设计或掩膜档框使其未沉积含硅薄膜，金属电极直接与金属膜层接触，不影响电池电流的导出。该方法简单，不涉及激光开槽、化学刻蚀法等复杂工序极大保证了电池片的转换效率和良率。
附图说明
34.为了更清楚地说明本专利实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他相关的附图。
35.图1是本专利较佳之电池层结构图；
36.图2是本专利实施例一中掩膜托盘结构图；
37.图3是本专利实施例二中掩膜档框结构图。
38.图中，1、衬底；2、第一本征非晶硅层；3、n型非晶硅层；4、上电极层；5、第二本征非晶硅层；6、p型非晶硅层；7、下电极层；71、rear ito层；72、azo层；73、金属膜层；74、含硅薄膜层；10、金属电极。
具体实施方式
39.为使本专利实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利实施方式中的附图，对本专利实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本专利的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利的范围，而是仅仅表示本专利的选定实施方式。基于本专利中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利保护的范围。
40.本实施方式通过在背面开发出包括tco层、金属膜层和含硅薄膜层的复合电极层替代原有单层ito层，达到或者超过原来单层ito材料的性能提升效率，并能极大降低成本，成功制作出低铟异质结电池。具体实施方式如下：
41.如图1所示，具有复合电极层的异质结太阳能电池包括以n型或p型单晶硅c-si为衬底1，在衬底1上表面依次沉积第一本征非晶硅层2(a-sih(i))、n型非晶硅层3和上电极层4；在衬底1下表面依次沉积第二本征非晶硅层5(a-sih(i))、p型非晶硅层6和下电极层7，所述下电极层7从上到下依次包括rear ito层71、azo层72、金属膜层73和含硅薄膜层74。
42.复合电极层技术被认为是解决异质结成本问题和效率问题的重要手段，可以提高电池片的转换效率，降低电池片的tco材料成本，提高组件输出功率，提高相关产品的市场竞争力。本专利通过在背面开发出包括tco层、金属膜层和含硅薄膜层的复合电极层替代原有单层ito层，达到或者超过原来单层ito材料的性能提升效率，并能极大降低成本，成功制作出低铟异质结电池。
43.下电极层中各层厚度及性能对复合电极层的整体性能起到非常关键的作用，这里优选rear ito层厚度为1-40nm；azo层厚度为0-90nm，azo层和rear ito层的复合层方阻为10-300ω/
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。下表面azo层的引入可以极大减少ito膜厚，并且底层沉积薄ito不会影响底层与非晶硅的接触电阻，保证电池的电性能。由于azo相对ito导电性较差，溅射电压相对ito高，底层增加ito层还可以减少在沉积azo时高能粒子对非晶硅表面的损伤，保证电性能的voc不会下降。
44.作为一种优选的实施方式，所述金属膜层包括cu、al、au、ag、pt、cr、rh及pd中的任一种，其厚度为3-20nm。当金属膜层＜3nm时，会极大影响金属薄膜的导电性，并且大量金属颗粒以孤岛形式存在也会影响透过率，当金属膜层＞20nm厚度时，厚的金属膜层反射率非常高，透过率随之降低，因此综合考虑电池的双面率和电池性能以及可靠性，金属膜层的厚
度范围设定在3-20nm。
45.作为一种优选的实施方式，所述含硅薄膜层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及碳化硅中的任一种，膜厚为1-80nm，折射率为1.80-2.25。
46.作为一种优选的实施方式，所述上电极层为front ito层，其厚度为60-90nm，方阻为30-250ω/
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。
47.作为一种优选的实施方式，所述电池上下表面印刷有金属电极。
48.作为一种优选的实施方式，所述下电极层整体厚度≥40nm。
49.本实施方式还提供了一种上述具有复合电极层的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
50.步骤一，n型或p型单晶硅片经制绒得到所需绒面；
51.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
52.步骤三，采用磁控溅射法自上而下在上表面沉积一层厚度为60-90nm的front ito层，采用磁控溅射法或反应等离子法自下而上在下表面依次沉积一层厚度为1-40nm的rear ito层，厚度为0-90nm的azo层，厚度为3-20nm的金属膜层，基底温度范围为25-250℃；
53.步骤四，将步骤三中得到的硅片下表面与掩膜组件贴合，采用磁控溅射法或反应等离子法在其下表面沉积一层厚度为1-80nm的含硅薄膜层，基底温度为25-250℃；
54.步骤五，在步骤四中硅片上下表面印刷金属电极10，经固化和光注入得到所需的太阳能电池。
55.作为一种优选的实施方式，步骤四中，所述掩膜组件为掩膜托盘，其表面由若干平行设置的掩膜档条组成，硅片下表面朝下放入掩膜托盘时，所述掩膜档条在自下而上沉积膜层时正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住，避免在金属细栅位置沉积膜层。
56.作为一种优选的实施方式，步骤四中，所述掩膜组件为掩膜档框，其表面由若干平行设置的掩膜档条及用于固定所述掩膜档条的横条组成，两条以上所述横条将所述掩膜档条固定在同一平面上，硅片下表面朝上放入托盘后，在其上放掩膜档框时，所述掩膜档条在自上而下沉积膜层时正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住，避免在金属细栅位置沉积膜层。
57.作为一种优选的实施方式，所述横条有两条或两条以上，并且在自上而下沉积膜层时正好挡在下表面金属主栅电极位置处。
58.下面采用三组实施例和一组对比例对采用本实施方式中电池结构及其制备方法的有益效果进行进一步的评述。
59.实施例一：
60.一种具有复合电极层的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
61.步骤一，n型单晶硅片经制绒得到所需绒面；
62.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
63.步骤三，在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在40:1，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，采用磁控溅射法自上而下在上表面沉积一层厚度为75nm的front ito层，功率密度为5.07kw/m，该front ito层方阻为65ω/
□
，基底温度设定
为150℃；氩气与氧气的气体流量比设定为33:1，腔体压强保持为0.3pa，打开溅射电源，自下而上在下表面依次沉积一层厚度为10nm的rear ito层，功率密度为4.39kw/m；然后氩气与氢气、氧气的气体流量比设定在63:2:1，腔体压强保持为0.4pa，打开溅射电源，功率密度为3.82kw/m，在下表面沉积一层50nm的azo层，该rear ito层和azo层的复合层方阻为120ω/
□
。最后氩气气体流量为200sccm，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，溅射靶材为al靶材，功率密度设为1.23kw/m，在下表面沉积一层8nm的al层，基底温度设定为130℃。
64.步骤四，将氩气与氮气的气体流量比设定为4:1，腔体压强保持为0.6pa，打开溅射电源，功率密度为8.5kw/m，硅片下表面朝下放入与下表面细栅线位置一致的掩膜托盘8上，掩膜托盘8结构如图2所示，其表面由若干平行设置的掩膜档条81组成，硅片下表面朝下放入掩膜托盘8时，所述掩膜档条81正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住；用自下而上磁控溅射法在栅线位置外沉积一层sin层，该层膜厚为10nm，折射率为2.07，基底温度设定为150℃。
65.步骤五，在步骤四中硅片上下表面印刷金属电极，经固化和光注入得到所需的太阳能电池。
66.实施例二：
67.一种具有复合电极层的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
68.步骤一，n型单晶硅片经制绒得到所需绒面；
69.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
70.步骤三，在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在40:1，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，功率密度为5.07kw/m，采用磁控溅射法自上而下在上表面沉积一层厚度为75nm的front ito层，该front ito层方阻为65ω/
□
，基底温度设定为150℃；将氩气与氧气的气体流量比设定为33:1，腔体压强保持为0.3pa，打开溅射电源，功率密度为4.39kw/m，自下而上在下表面沉积一层5nm的rear ito层。然后氩气与氢气、氧气的气体流量比设定在63:2:1，腔体压强保持为0.4pa，打开溅射电源，功率密度为3.82kw/m，在下表面沉积一层60nm的azo层，该rear ito层和azo层的复合层方阻为150ω/
□
；将氩气气体流量设定为200sccm，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，溅射靶材为al靶材，功率密度设为1.23kw/m，自下而上在下表面沉积一层10nm的al层，基底温度设定为130℃。
71.步骤四，将氩气与氮气的气体流量比设定为4:1，腔体压强保持为0.6pa，打开溅射电源，功率密度为8.5kw/m，硅片下表面朝上，并在硅片上放入与下表面栅线位置一致的掩膜档框9，掩膜档框9结构如图3所示，其表面由若干平行设置的掩膜档条91及用于固定所述掩膜档条的横条92组成，两条以上所述横条将所述掩膜档条固定在同一平面上，硅片下表面朝上放入掩膜档框时，所述掩膜档条和横条正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住。采用磁控溅射法自上而下在栅线位置外沉积一层sin层，该层膜厚为5nm，折射率为2.15。基底温度设定为150℃；
72.步骤五，在步骤四中硅片上下表面印刷金属电极，经固化和光注入得到所需的太阳能电池。
73.实施例三：
74.一种具有复合电极层的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
75.步骤一，n型单晶硅片经制绒得到所需绒面；
76.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
77.步骤三，在室温条件下通入氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比设定在40:1，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，功率密度为5.07kw/m，采用磁控溅射法自上而下在上表面沉积一层厚度为75nm的front ito层，该front ito层方阻为65ω/
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，基底温度设定为150℃；将氩气与氧气的气体流量比设定为33:1，腔体压强保持为0.3pa，打开溅射电源，功率密度为4.39kw/m，自下而上在下表面沉积一层40nm的rear ito层，该rear ito层的方阻为90ω/
□
；将氩气气体流量设定为200sccm，腔体压强保持为0.5pa，打开溅射电源，溅射靶材为al靶材，功率密度设为1.23kw/m，自下而上在下表面沉积一层10nm的al层，基底温度设定为130℃。
78.步骤四，将氩气与氮气的气体流量比设定为4:1，腔体压强保持为0.6pa，打开溅射电源，功率密度为8.5kw/m，硅片下表面朝下放入与下表面细栅线位置一致的掩膜托盘8上，掩膜托盘8结构如图2所示，其表面由若干平行设置的掩膜档条81组成，硅片下表面朝下放入掩膜托盘8时，所述掩膜档条81正好挡在下表面金属细栅电极位置处将其遮挡住；用自下而上磁控溅射法在栅线位置外沉积一层sin层，该层膜厚为30nm，折射率为1.95，基底温度设定为150℃。
79.步骤五，在步骤四中硅片上下表面印刷金属电极，经固化和光注入得到所需的太阳能电池。
80.对比例一：
81.常规异质结太阳能电池生产过程：
82.步骤一，n型单晶硅片首先在清洗制绒机中制绒得到所需的绒面；
83.步骤二，上表面沉积本征非晶硅层及n型非晶硅层、下表面沉积本征非晶硅层及p型非晶硅层；
84.步骤三，在上下表面各沉积一层ito透明导电氧化物薄膜；
85.步骤四，在步骤三中硅片上下表面印刷金属电极，经固化和光注入得到太阳能电池。
86.分别对实施例一、实施例二、实施例三及对比例一中的电池在相同条件下进行测试，测试结果如表1。
87.表1实施例和对比例电池测试结果
88.组别实施例一实施例二实施例三对比例一jsc(ma/mm2)38.2838.3238.3538.23voc(v)0.74590.74600.74530.7455eff(％)24.2024.2224.2424.06ff(％)84.7784.7384.8084.44
89.如表1所示，实施例均采用复合电极层结构，效率相对对比例一提升0.14％-0.18％，其中jsc提升了0.06-0.12ma/mm2。实施例一中ito总膜厚降低了43％，实施例二中ito总膜厚降低了47％，实施例三虽然效率较高，但由于复合电极层中未采用azo膜层，ito总膜厚只降低了23％。
90.以上所述仅为本专利的优选实施方式而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。