背接触异质结太阳电池及其发射极、太阳电池制备方法与流程

本发明涉及太阳电池技术领域，特别是涉及一种背接触异质结太阳电池及其发射极、太阳电池制备方法。

背景技术：

背接触异质结(heterojunctionbackcontact，简称hbc)太阳电池作为高效太阳电池的一种，其结合了叉指状背接触(interdigitatedbackcontat，简称ibc)太阳电池与异质结(heterojunctionwithintrinsicthinlayer，简称hit)太阳电池的优点，可以大大提高太阳电池效率。

一般的hbc太阳电池的结构从上到下依次包括钝化层、晶体硅层、非晶硅钝化层、发射极以及发射极电极和基区电极。其中，基于ibc太阳电池的优势，hbc太阳电池的前表面也无金属电极，而是通过掩膜或者光刻工艺在硅片的背表面形成叉指状结构的发射极与背场区域，并在发射极和背场区域设置相应的发射极电极和基区电极，，从而避免因硅片的前表面设置金属电极而造成的遮光损失，提高电池效率。而基于hit太阳电池的优势，hbc太阳电池又是由晶体硅(c-si)和重掺杂的非晶硅(a-si:h)形成的高效电池结构，并且在重掺杂的非晶硅与晶体硅的界面引入一层本征非晶硅作为钝化层，如此，既可以降低晶体硅片的体区复合，又可以降低界面复合，使hbc太阳电池具有较高的开路电压和短路电流。综上，由晶体硅(c-si)和重掺杂的非晶硅(a-si:h)形成的hbc太阳电池不仅效率高，而且也是达到晶体硅太阳电池效率极限(30％)的一个重要途径。

虽然hbc太阳电池的电池效率高，但是现阶段的hbc太阳电池的发射极是通过重掺杂非晶硅形成的，而非晶硅的掺杂源为硼烷或者磷烷，均易燃易爆且剧毒，这些都会增加hbc电池的成本，阻碍hbc电池的大规模运用；与此同时，而随着掺杂浓度的增加，会增加发射极的复合(即表面复合和俄歇复合)，从而降低电池的开路电压，而电池开路电压的降低也进一步限制了电池效率的提升，使得hbc太阳电池的效率无法获得更高的提升。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种背接触异质结太阳电池发射极，使背接触异质结太阳电池的效率可以获得进一步提升。

一种背接触异质结太阳电池发射极，由上至下包括至少一层crox薄膜。

作为优选方案，当所述crox薄膜为两层以上时，相邻两层所述crox薄膜之间还设有金属薄膜。

作为优选方案，当所述背接触异质结太阳电池发射极为一层crox薄膜时，所述crox薄膜的厚度为5-20nm；或者当所述背接触异质结太阳电池的发射极包括两层crox薄膜时，两层所述crox薄膜的厚度与设于两层所述crox薄膜之间的金属薄膜的厚度总和为5-20nm；或者当所述背接触异质结太阳电池的发射极包括两层crox薄膜时，两层所述crox薄膜的厚度均为5nm，设于两层所述crox薄膜之间的金属薄膜的厚度为4nm。

作为优选方案，所述金属薄膜为au薄膜、ag薄膜、pd薄膜、cu薄膜、ni薄膜、mo薄膜、w薄膜以及al薄膜中的一种。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种背接触异质结太阳电池，包括：硅基体、设于所述硅基体的前表面的第一钝化层、设于所述硅基体的背表面的第二钝化层、设于所述第二钝化层的背表面的如上所述的发射极、设于所述发射极上的发射极电极以及设于所述第二钝化层上的基区电极。

作为优选方案，所述背接触异质结太阳电池还包括设于所述基区电极与所述第二钝化层之间的背场层，或者所述背接触异质结太阳电池还包括设于所述第一钝化层的前表面的减反射膜。

作为优选方案，所述背场层为lifx薄膜、tio2薄膜、mgfx薄膜以及cs2co3薄膜中的一种。

作为优选方案，所述基区电极与所述发射极电极之间形成叉指状结构，且两个相邻的所述基区电极与所述发射极电极之间不接触。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种用于制备上述背接触异质结太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

选取晶体硅片，清洗后形成所述硅基体；

在所述硅基体的前表面和后表面分别沉积所述第一钝化层和所述第二钝化层；

在所述第二钝化层的背表面固定定位模板，将第一金属掩模板嵌入所述定位模板内，在所述第二钝化层的背表面依次沉积所述crox薄膜和/或金属薄膜、所述发射极电极；

取下所述第一金属掩模板，将与所述第一金属掩模板相匹配的第二金属掩模板嵌入所述定位模板内，采用蒸发法在所述第二钝化层的背表面沉积所述基区电极。

作为优选方案，在所述第二钝化层的背表面沉积所述基区电极的步骤包括在所述第二钝化层的背表面依次沉积背场层和所述基区电极；或者在所述硅基体的前表面沉积所述第一钝化层的步骤之后还包括在所述第一钝化层的前表面沉积所述减反射膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过在所述硅基体的背表面沉积crox薄膜以作为太阳电池的发射极，该设置一方面可以使设于所述发射极上的发射极电极不会对所述硅基体的前表面形成光遮挡，提高所述硅基体的光吸收率；另一方面，采用crox薄膜作为发射极，该crox薄膜不仅可以在所述硅基体的背表面的接触区域引起费米能级的移动，使其接近硅的导带，即crox薄膜能够诱导硅表面能带弯曲产生空间电荷区，使其可以获得载流子选择性接触，保证发射极的作用；而且采用crox薄膜作为发射极也使得该发射极在制备过程中不需要进行掺杂即可实现，从而不会出现发射极的复合(即表面复合和俄歇复合)，如此，也使得采用crox薄膜作为发射极的背接触异质结太阳电池的开路电压获得提高，从而整体提升太阳电池的效率；

(2)采用crox薄膜或者在相邻两层crox薄膜之间增设金属薄膜以作为太阳电池的发射极，此结构的太阳电池尚无文献和专利报道，是一种全新材料的硅基太阳电池；

(3)本发明的发射极由于采用了crox薄膜，因此，在其制备过程中既无需掺杂又可以低温进行，如此，不仅可以避免传统太阳电池发射极制备过程中因掺杂源导致的易燃易爆气体的使用，提高安全性和太阳电池的稳定性，而且可以降低生产成本，便于hbc太阳电池的大规模生产；

(4)采用该发射极的太阳电池在制备过程中，通过引入氧偏压可以降低发射极体区缺陷态，改善发射极体区复合；

(5)本发明的太阳电池通过在所述硅基体的前表面和背表面设置第一钝化层和第二钝化层，可以在与硅基体的接触界面进行钝化，以减少界面缺陷态，提高背接触异质结太阳电池的开路电压，从而进一步提升电池效率。

附图说明

图1是本发明实施例中的背接触异质结太阳电池发射极应用于背接触异质结太阳电池的结构示意图，图中，背接触异质结太阳电池的发射极为一层crox薄膜；

图2是本发明实施例中的背接触异质结太阳电池发射极应用于背接触异质结太阳电池的结构示意图，图中，背接触异质结太阳电池的发射极为三层膜结构，由上至下依次包括crox薄膜、au薄膜以及crox薄膜；

图3是本发明实施例中的背接触异质结太阳电池制备方法的示意图，图中包括a、b、c、d、e五个图，每个图分别对应不同步骤下的背接触异质结太阳电池的结构；

图4是本发明实施例中的定位网版的结构示意图；

图5是本发明实施例中的第一金属掩模板的结构示意图；

图6是本发明实施例中的第二金属掩模板的结构示意图；

图7是本发明实施例中的背接触异质结太阳电池制备方法的流程图；

图8是本发明实施例中不同背接触异质结太阳电池的外量子效率(eqe)随波长(wavelength)的变化曲线图；

图9是本发明实施例中不同背接触异质结太阳电池的suns-voc测试结果图，图中反映了不同背接触异质结太阳电池的有效太阳数(effectivesuns)随开路电压(voc)的变化曲线图；

图10是本发明实施例中发射极分别为crox薄膜与wox薄膜的背接触异质结太阳电池的效率(efficiency)随时间(days，即天数)的变化曲线图；

其中，1、硅基体；2、第一钝化层；3、第二钝化层；4、发射极；41、crox薄膜；42、金属薄膜；5、发射极电极；6、背场层；7、基区电极；8、减反射膜；9、定位模板；91、第一金属掩模板；92、第二金属掩模板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明的背接触异质结太阳电池，其包括硅基体1、设于所述硅基体1的前表面的第一钝化层2、设于所述硅基体1的背表面的第二钝化层3、设于所述第二钝化层3的背表面的所述发射极4、设于所述发射极4上的发射极电极5以及设于所述第二钝化层3上的基区电极7。

其中，所述发射极4为本发明的背接触异质结太阳电池发射极4，在本实施例中，该发射极4是由一层厚度为5-20nm的crox薄膜41构成，当然该发射极4的结构也不仅仅限于一层crox薄膜41的结构。本发明的背接触异质结太阳电池是将吸收的光能转换为电能，其中，电池的光吸收层主要是所述硅基体1，而所述硅基体1吸收光子后产生的电子空穴将会分别输送至所述基区电极7和所述发射极电极5。

一般的，所述基区电极7是设置在所述硅基体1的背表面，而所述发射极电极5是设置在所述发射极4上，由于本实施例中的所述发射极4是设置在所述硅基体1的背表面，因而也使得所述发射极电极5也位于所述硅基体1的背表面，避免对所述硅基体1的前表面形成光遮挡，以提高所述硅基体1的光吸收率，从而提高电池效率。与此同时，由于本实施例中的所述发射极4又是采用的crox薄膜41，而crox薄膜41采用的材料是高功函数材料，该材料可以在所述硅基体1的背表面的接触区域引起费米能级的移动，使其接近硅的导带，即crox薄膜41能够诱导硅表面能带弯曲产生空间电荷区，使其可以获得载流子选择性接触，起到发射极4的作用(即载流子的传输与收集)；而且，采用crox薄膜41作为发射极4也使得该发射极4在制备过程中不需要进行掺杂即可实现，从而不会出现发射极4的复合(即表面复合和俄歇复合)，如此，也使得采用该发射极4的背接触异质结太阳电池的开路电压获得提高，从而整体提升电池的效率。

此外，由于发射极4在制备过程中无需掺杂，因而不仅可以避免传统太阳电池发射极4制备过程中因掺杂源导致的易燃易爆气体的使用，提高安全性，而且可以降低生产成本，便于hbc太阳电池的大规模生产。

为了降低所述硅基体1的前表面与后表面的复合，本实施例中还在所述硅基体1的前表面设置了所述第一钝化层2，在所述硅基体1的背表面与所述发射极4之间设置了所述第二钝化层3，所述第一钝化层2和所述第二钝化层3均为siox薄膜，当然也可以采用tio2、al2o3等薄膜作为钝化层。具体的，所述siox薄膜可以在与硅基体1的接触界面进行钝化，以减少界面缺陷态，以提高背接触异质结太阳电池的开路电压，从而进一步提升电池效率。

此外，本实施例中在所述第二钝化层3与所述基区电极7之间还设置了背场层6。具体的，该背场层6为lifx薄膜，当然也可以是tio2薄膜、mgfx薄膜以及cs2co3薄膜等低功函数材料制作的薄膜。由于lifx薄膜采用的材料为低功函数材料，因此，与具有高功函数材料的上述发射极4一起，可以很好地促进硅基体1表面接触区域的费米能级的移动，促进载流子对的分离，以获得更好的载流子选择性传输，从而进一步提升电池效率。

可以理解的是，为了尽可能的吸收光，进一步提高电池效率，还可以增设陷光结构。具体的，本实施例中还在背接触异质结太阳电池的所述第一钝化层2的前表面设置了一层减反射膜8，该减反射膜8是通过在所述硅基体1的表面制备金字塔绒面而形成的陷光结构，可以进一步提高电池的光吸收率，从而提高电池效率

为了获得上述的背接触异质结太阳电池，本实施例中采用如图7所示的步骤进行制备：

步骤s100：选取晶体硅片，清洗后形成所述硅基体。

具体的，选取n型单晶硅片，采用rca清洗工艺对硅片进行清洗，以将硅片上的切割痕迹以及杂质等清除，以使后续工艺中的硅基体1(如图3中的图a所示)可以具有较高的纯净度，避免影响整体电池的效率。

其中，rca清洗工艺中主要通过配比为h2so4：h2o2＝3：1的spm溶液以去除硅片上的有机物、通过配比为hf：h2o＝1：30的dhf溶液以去除硅片上的氧化层、通过配比为nh4oh：h2o2：h2o＝1：1：5的apm溶液以去除硅片上的颗粒杂质、通过配比为hcl：h2o2：h2o＝1：1：6的hpm溶液以去除硅片上的金属杂质。

步骤s200：如图3中的图b所示，采用等离子体增强化学气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，简称pecvd)在所述硅基体1的前表面和后表面分别沉积所述第一钝化层2和所述第二钝化层3，即sinx薄膜。其中，沉积功率为2400w，沉积气压为20pa，氨气和硅烷的气体流量比为2:1，沉积温度为450℃，沉积出来的sinx薄膜的厚度为75nm。此外，也可以根据需要在所述第二钝化层3上沉积减反射膜8(如图3中的c所示)。

步骤s300：如图3中的图d所示，在所述第二钝化层3的背表面固定定位模板9(如图4所示)，将第一金属掩模板91(如图5所示)嵌入所述定位模板9所形成的框内，采用蒸发法通过电阻式热蒸发镀膜机在所述第二钝化层3的背表面依次沉积所述发射极4(crox薄膜41)和所述发射极电极5(al薄膜)。

所述第一金属掩模板91与所述定位模板9是配套的，其中所述定位模板9为框架结构，其形状一般与所述硅基体1的形状对应，可以对所述第一金属掩模板91形成很好地限位作用，避免所述第一掩模板在制备过程中发生移动。而所述第一掩模板为梳子形状，当将所述第一掩模板罩在所述第二钝化层3的背表面时，所述第一掩模板可以对其部分区域进行遮挡，而所述crox薄膜41就沉积在所述第二钝化层3的背表面未被所述第一掩模板覆盖的区域，从而也使得所述crox薄膜41形成的发射极4和沉积在所述crox薄膜41上的发射极电极5也为梳子形状。

上述沉积过程中，需控制真空度大约为5×10^-4pa，并通入氧气，而氧偏压为3×10^-2pa，镀膜速率为如此，沉积的crox薄膜41厚度可以控制在5-20nm，而发射极电极5的厚度为1μm，如此，既可以保证所述发射极4与所述发射极电极5充分的接触，又可以保证所述发射极电极5上的电阻损失较低。由于该沉积过程是在常温下进行的，因此，不仅设备简单、成本低，而且可以避免因高温引起的材料间的相互扩散，保证电池效率。此外，由于沉积过程中，还引入了氧偏压，因此，还可以降低发射极4体区缺陷态，改善发射极4体区复合。当然也可以采用其他的方法沉积所述crox薄膜41。

步骤s400：如图3中的图e所示，待所述发射极4与所述发射极电极5制备好后，取下所述第一金属掩模板91，将与所述第一金属掩模板91相匹配的第二金属掩模板92(如图6所示)嵌入所述定位模板9内，依然采用蒸发法通过电阻式热蒸发镀膜机在所述第二钝化层3的背表面沉积所述基区电极7。

当然，为了提高电池效率，还可以采用蒸发法通过电阻式热蒸发镀膜机在所述第二钝化层3的背表面先沉积所述背场层6(lifx薄膜)，之后在所述背场层6上沉积所述基区电极7(al薄膜)，而本实施例中，所述背场层6厚度为1.5nm，所述基区电极7为1μm。

此过程中，由于采用的第二金属掩模板92是与所述第一金属掩模板91形状相匹配，也为梳子形状，如此，在沉积时，通过将所述第二金属掩模板92固定于所述定位模板9内后，所述第二金属掩模板92可以很好地覆盖所述发射极4与所述发射极电极5，从而避免后续形成的所述背场层6与所述基区电极7分别与所述发射极4、所述发射极电极5连接。而较佳的，本实施例中采用的掩模板可以使得所述基区电极7与所述发射极电极5之间形成叉指状结构，且两个相邻的所述基区电极7与所述发射极电极5之间不接触。具体的，在本实施例中两个相邻的所述基区电极7与所述发射极电极5之间的距离为75μm，当然这个间距越小越好。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1不同处在于，本实施例中背接触异质结太阳电池的发射极4为三层膜结构，其由上至下分别为一层crox薄膜41、一层金属薄膜42、一层crox薄膜41，其中crox薄膜41的厚度均为5nm，金属薄膜42的厚度为4nm。本实施例中的金属薄膜42为au薄膜，当然也可以是其他高功功函数材料的金属薄膜42，例如ag薄膜、pd薄膜、cu薄膜、ni薄膜、mo薄膜、w薄膜以及al薄膜等。可以理解的是，背接触异质结太阳电池发射极4还可以是由多层crox薄膜41构成，且相邻两层crox薄膜41之间设有金属薄膜42，而不仅仅限于本实施例中的结构。

相应的，本实施例中的背接触异质结太阳电池在制备过程中，与实施例1的不同处在于，本实施例中在沉积所述发射极4时，需采用实施例1中的工艺依次沉积5nm的crox薄膜41、4nm的au薄膜和5nm的crox薄膜41。当然，本实施例中也可以采用其他方法沉积所述crox薄膜41和所述金属薄膜42。

本实施例中的背接触异质结太阳电池的发射极4由于采用了金属氧化物薄膜/金属薄膜42/金属氧化物薄膜(omo)的结构，因此，不仅可以使所述发射极4免掺杂且低温制备，而且还可以提高金属氧化物的载流子浓度，以形成低发射极4体区、界面复合和低接触电阻的诱导型p-n结，从而提高电池效率。

实施例3：

本实施例采用实施例1的制备方法所制备出的具有不同厚度的crox薄膜41、不同厚度的背场层(lifx薄膜)的背接触异质结太阳电池(电池面积为4cm²)，该太阳电池的前表面均采用了sinx/siox叠层减反钝化膜，该太阳电池的器件性能参数是在stc条件下测试获得的)，该太阳电池的器件性能参数如表一所示：

表一

从表一中可以发现，发射极为5nmcrox的背接触异质结太阳电池，其光电转换效率达到最大值为13.55％，相比于发射极为10nm、15nm和20nmcrox的背接触异质结太阳电池，其填充因子最高为59.80％。

表一中显示，随着crox薄膜厚度的增加，会引起太阳电池串联电阻增加，从而导致填充因子降低，由此说明crox薄膜体电阻率较大。而发射极为5nmcrox的背接触异质结太阳电池的开路电压降低，是因为薄膜还处于不连续的状态，在硅片表面无法达到完全的覆盖，具有较高的复合电流密度。而发射极为10nmcrox薄膜由于在沉积过程中可以达到连读状态，因此可以对发射极区域形成较好的钝化性能，使其所对应的太阳电池的开路电压达到600mv。

通过比较背场层分别为2nmlifx薄膜和1nmlifx薄膜的背接触异质结太阳电池，可以发现随着lifx薄膜厚度的降低，对应的太阳电池的开路电压和填充因子有所下降，因此背场层的设置可以降低表面复合。具体的，如图8所示，图8所示的曲线为对应表一中引入2×10^-2pa氧偏压的不同背接触异质结太阳电池的外量子效率(简称eqe)。从图中可以看到，采用2nmlifx作为背场层的背接触异质结太阳电池，而eqe在波长(wavelength)范围为400nm-850nm，最高达到了90％以上，说明发射极与背场层存在较小的复合。而采用1nmlifx作为背场层的背接触异质结太阳电池的eqe会降低。主要是因为背接触电池存在电学遮挡，1nmlifx的背场层存在较大的复合，少数载流子在硅体区横向传输到发射极的过程中被复合，导致短路电流密度降低2ma/cm²。

通过比较发射极为5nmcrox薄膜且制备过程中没有引入氧偏压的背接触异质结太阳电池与发射极为5nmcrox薄膜且制备过程中引入氧偏压的背接触异质结太阳电池可以发现，发射极为5nmcrox薄膜且制备过程中没有引入氧偏压的背接触异质结太阳电池的开路电压降低了65mv，而其填充因子降低了2.8％。而这主要是因为cro3在热蒸发过程中产生大量的氧缺位，引起crox/n-si能带弯曲量降低，会降低填充因子和开路电压。因此，引入氧偏压可以减少crox薄膜中氧缺位的形成，提高电池的性能。

进一步的，如图9所示，图9为表一所对应的不同背接触异质结太阳电池的suns-voc测试结果曲线图，从图9中可以看到，不同厚度的crox薄膜所对应的背接触异质结太阳电池在高的光注入下的开路电压未出现反向偏转的现象，因此上述各背接触异质结太阳电池中不存在肖特基结，形成了有效的诱导型p-n结。同时，此结果也表明，发射极采用crox薄膜时所制备出的背接触异质结太阳电池具有高效率的潜力。

实施例4：

本实施例中对发射极为一层5nmcrox薄膜、一层10nmcrox薄膜和两层5nmcrox薄膜(中间为4nmau薄膜)的背接触异质结太阳电池的性能参数做了比较，具体参见表二。其中，发射极为5nmcrox薄膜或发射极为一层10nmcrox薄膜的背接触异质结太阳电池均采用实施例1中的制备方法，而发射极为两层5nmcrox薄膜的背接触异质结太阳电池采用实施例2的制备方法，且三个电池在制备过程中相对应的步骤都一致。

表二

从表二中可以发现发射极为二层5nmcrox薄膜的背接触异质结太阳电池相比于其他两个背接触异质结太阳电池，其电池效率分别提升了1.88％和3.47％。而将4nmau薄膜插入到10nmcrox薄膜中显著提高了太阳电池的开路电压和填充因子，而这主要是因为4nmau提高了crox薄膜中载流子的浓度，降低了10nmcrox薄膜的体电阻。

图10比较了发射极分别为5nmcrox薄膜和10nmwox薄膜的背接触异质结太阳电池的稳定性，从图中的曲线可以看出，发射极为10nmwox薄膜的背接触异质结太阳电池出现了持续性衰减，即电池效率随着时间的延长持续下降，而这主要是因为空气中的水分、碳杂质等影响。而发射极为5nmcrox薄膜的背接触异质结太阳电池在前10天内出现衰减，而后效率又提高到15％。因此，发射极采用crox薄膜可以使其对应的背接触异质结太阳电池具有更高的稳定性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。