一种基于金属纳米颗粒的HJT电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池领域，涉及一种基于金属纳米颗粒的hjt电池及其制备方法。

背景技术：

太阳能光伏发电是一种利用光伏效应将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术，具有资源充足、清洁、安全、寿命长等优点，被认为是最有前途的可再生能源技术之一，已成为可再生能源技术中发展最快、最具活力的研究领域。

异质结太阳能电池(hjt电池)最早由日本三洋公司于1990年成功开发，是以n型单晶硅片为衬底，在经过清洗制绒的n型c-si正面依次沉积厚度为5～10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-si:h)、p型非晶薄膜(p-a-si:h)，从而形成p-n异质结。在硅片背面依次沉积厚度为5～10nm的i-a-si:h薄膜、n型非晶硅薄膜(n-a-si:h)形成背表面场。在掺杂a-si:h薄膜的两侧，再沉积透明导电氧化物薄膜(tco)，最后通过丝网印刷技术在两侧的顶层形成金属集电极。具有制备工艺温度低、高开压高效率、温度系数低且衰减低、结构对称可双面发电等特点，近年来备受关注，已经成为太阳能电池的主要发展方向之一。

现有hjt电池，对波长在800nm以上太阳光的吸收非常微弱，太阳光在长波长范围内有大量的能量流失，而且单晶硅太阳能电池光谱响应最好的波段是在800-1100nm，即现有hjt电池存在对光谱吸收不足、短路电流低、光电转换效率低等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光吸收性能好、短路电流高、光电转换效率高的基于金属纳米颗粒的hjt电池及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于金属纳米颗粒的hjt电池，包括n型硅片，所述n型硅片的受光面和背光面上分别设有本征非晶硅层，所述n型硅片受光面的本征非晶硅层上设有p型掺杂非晶硅层，所述n型硅片背光面的本征非晶硅层上设有n型掺杂非晶硅层，所述p型掺杂非晶硅层上设有第一金属纳米颗粒层，所述第一金属纳米颗粒层上设有受光面tco层，所述n型掺杂非晶硅层上设有背光面tco层，所述受光面tco层和背光面tco层上分别设有金属栅线电极。

上述的hjt电池，进一步改进的，所述受光面tco层与所述金属栅线电极之间还设有第二金属纳米颗粒层。

上述的hjt电池，进一步改进的，所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒、cu纳米颗粒、au纳米颗粒中的至少一种；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的形状为圆锥形、球形、半球形、圆柱形、椭圆体、正方体、长方体、三棱柱中的至少一种；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的尺寸为40nm～110nm；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的界面分布密度为1％～25％。

上述的hjt电池，进一步改进的，所述第一金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒、cu纳米颗粒、au纳米颗粒中的至少一种；所述第一金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的形状为圆锥形、球形、半球形、圆柱形、椭圆体、正方体、长方体、三棱柱中的至少一种；所述第一金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的尺寸为5nm～80nm；所述第一金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的界面分布密度为1％～40％。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种基于金属纳米颗粒的hjt电池，包括n型硅片，所述n型硅片的受光面和背光面上分别设有本征非晶硅层，所述n型硅片受光面的本征非晶硅层上设有p型掺杂非晶硅层，所述n型硅片背光面的本征非晶硅层上设有n型掺杂非晶硅层，所述p型掺杂非晶硅层上设有受光面tco层，所述受光面tco层上设有第二金属纳米颗粒层，所述n型掺杂非晶硅层上设有背光面tco层，所述背光面tco层和第二金属纳米颗粒层上分别设有金属栅线电极。

上述的hjt电池，进一步改进的，所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒、cu纳米颗粒、au纳米颗粒中的至少一种；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的形状为圆锥形、球形、半球形、圆柱形、椭圆体、正方体、长方体、三棱柱中的至少一种；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的尺寸为40nm～110nm；所述第二金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的界面分布密度为1％～25％。

作为一个总的技术构思，本发明提供了一种上述的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺或臭氧清洗工艺对n型硅片进行制绒清洗；

s2、采用pecvd工艺或hwcvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层；

s3、采用pecvd工艺或hwcvd工艺在n型硅片受光面和背光面的沉积本征非晶硅层上分别制备p型掺杂非晶硅层和n型掺杂非晶硅层；

s4、采用旋涂法或丝网印刷技术在p型掺杂非晶硅层上制备第一金属纳米颗粒层；

s5、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在第一金属纳米颗粒层上沉积受光面tco层；

s6、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层上沉积背光面tco层；

s7、采用丝网印刷技术在受光面tco层和背光面tco层上分别制备金属栅线电极，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

作为一个总的技术构思，本发明提供了一种上述的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺或臭氧清洗工艺对n型硅片进行制绒清洗；

s2、采用pecvd工艺或hwcvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层；

s3、采用pecvd工艺或hwcvd工艺在n型硅片受光面和背光面的沉积本征非晶硅层上分别制备p型掺杂非晶硅层和n型掺杂非晶硅层；

s4、采用旋涂法或丝网印刷技术在p型掺杂非晶硅层上制备第一金属纳米颗粒层；

s5、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在第一金属纳米颗粒层上沉积受光面tco层；

s6、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层上沉积背光面tco层；

s7、采用旋涂法或丝网印刷技术在受光面tco层上制备第二金属纳米颗粒层；

s8、采用丝网印刷技术在背光面tco层和第二金属纳米颗粒层上分别制备金属栅线电极，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

作为一个总的技术构思，本发明提供了一种上述的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺或臭氧清洗工艺对n型硅片进行制绒清洗；

s2、采用pecvd工艺或hwcvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层；

s3、采用pecvd工艺或hwcvd工艺在n型硅片受光面和背光面的沉积本征非晶硅层上分别制备p型掺杂非晶硅层和n型掺杂非晶硅层；

s4、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在p型掺杂非晶硅层上沉积受光面tco层；

s5、采用反应等离子体沉积工艺或磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层上沉积背光面tco层；

s6、采用旋涂法或丝网印刷技术在受光面tco层上制备第二金属纳米颗粒层；

s7、采用丝网印刷技术在背光面tco层和第二金属纳米颗粒层上分别制备金属栅线电极，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种基于金属纳米颗粒的hjt电池，该hjt电池中，增加了金属纳米颗粒层，利用金属纳米颗粒与光作用产生的lsp共振而引起的近场增强效应和粒子的散射作用，使得hjt电池内光路径长度增加和光吸收的明显增强，尤其在700nm-1100nm波段，光电流明显提高，进而提高了短路电流和外量子效率，提升了光电转换效率。本发明基于金属纳米颗粒的hjt电池具有光吸收性能好、短路电流高、光电转换效率高等优点，对于提高异质结电池的应用范围具有十分重要的意义。

(2)本发明基于金属纳米颗粒的hjt电池中，通过优化金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的类型、尺寸、形状和界面分布密度，能够进一步增强光吸收效果，从而进一步提高电池的光电转换效率。

(3)本发明提供了一种基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，具有工艺简单、量产门槛低、制备成本低、兼容性好、生产效率高等优点，能够满足大规模制备，利于工业化利用，对于制备成本低、电学性能优异的hjt电池具有十分重要的意义。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例3中基于金属纳米颗粒的hjt电池的结构示意图。

图例说明：

1、n型硅片；2、本征非晶硅层；3、p型掺杂非晶硅层；4、n型掺杂非晶硅层；5、第一金属纳米颗粒层；6、受光面tco层；7、背光面tco层；8、第二金属纳米颗粒层；9、金属栅线电极。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下本发明实施例中，若无特别说明，所采用的材料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备，且所得数据均是三次以上重复实验的平均值。

实施例1

基于金属纳米颗粒的hjt电池，包括n型硅片1，n型硅片1的受光面和背光面上分别设有本征非晶硅层2，n型硅片1受光面的本征非晶硅层2上设有p型掺杂非晶硅层3，n型硅片1背光面的本征非晶硅层2上设有n型掺杂非晶硅层4，p型掺杂非晶硅层3上设有第一金属纳米颗粒层5，第一金属纳米颗粒层5上设有受光面tco层6，n型掺杂非晶硅层4上设有背光面tco层7，受光面tco层6和背光面tco层7上分别设有金属栅线电极9。

本实施例中，第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的形状为半球形；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的尺寸(粒径)为10nm；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的界面分布密度为25％。

本实施例中，本征非晶硅层2为i-a-si:h，厚度为5nm；p型掺杂非晶硅层3为p-a-si:h，厚度为8nm；n型掺杂非晶硅层4为n-a-si:h，厚度为10nm；受光面tco层6为ito层，厚度为85nm；背光面tco层7为ito层，厚度为80nm；金属栅线电极9为ag栅线电极。

一种上述本实施例的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺对n型硅片1进行制绒清洗。

s2、采用pecvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片1的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层2。

s3、采用pecvd工艺在n型硅片1受光面和背光面的沉积本征非晶硅层2上分别制备p型掺杂非晶硅层3和n型掺杂非晶硅层4。

s4、采用旋涂法在p型掺杂非晶硅层3上制备第一金属纳米颗粒层5。

s5、采用磁控溅射工艺在第一金属纳米颗粒层5上沉积受光面tco层6(ito层)。

s6、采用磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层4上沉积背光面tco层7(ito层)。

s7、采用丝网印刷技术在受光面tco层6和背光面tco层7上分别制备金属栅线电极9(ag栅线电极)，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

实施例2

一种基于金属纳米颗粒的hjt电池，包括n型硅片1，n型硅片1的受光面和背光面上分别设有本征非晶硅层2，n型硅片1受光面的本征非晶硅层2上设有p型掺杂非晶硅层3，n型硅片1背光面的本征非晶硅层2上设有n型掺杂非晶硅层4，p型掺杂非晶硅层3上设有受光面tco层6，受光面tco层6上设有第二金属纳米颗粒层8，n型掺杂非晶硅层4上设有背光面tco层7，背光面tco层7和第二金属纳米颗粒层8上分别设有金属栅线电极9。

本实施例中，第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的形状为圆柱形；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的尺寸(粒径)为100nm；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的界面分布密度为10％。

本实施例中，本征非晶硅层2为i-a-si:h，厚度为5nm；p型掺杂非晶硅层3为p-a-si:h，厚度为8nm；n型掺杂非晶硅层4为n-a-si:h，厚度为10nm；受光面tco层6为ito层，厚度为85nm；背光面tco层7为ito层，厚度为80nm；金属栅线电极9为ag栅线电极。

一种上述本实施例的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺对n型硅片1进行制绒清洗。

s2、采用pecvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片1的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层2。

s3、采用pecvd工艺在n型硅片1受光面和背光面的沉积本征非晶硅层2上分别制备p型掺杂非晶硅层3和n型掺杂非晶硅层4。

s4、采用磁控溅射工艺在p型掺杂非晶硅层3上沉积受光面tco层6(ito层)。

s5、采用磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层4上沉积背光面tco层7(ito层)。

s6、采用旋涂法在受光面tco层6上制备第二金属纳米颗粒层8。

s7、采用丝网印刷技术在背光面tco层7和第二金属纳米颗粒层8上分别制备金属栅线电极9(ag栅线电极)，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

实施例3

如图1所示，基于金属纳米颗粒的hjt电池，包括n型硅片1，n型硅片1的受光面和背光面上分别设有本征非晶硅层2，n型硅片1受光面的本征非晶硅层2上设有p型掺杂非晶硅层3，n型硅片1背光面的本征非晶硅层2上设有n型掺杂非晶硅层4，p型掺杂非晶硅层3上设有第一金属纳米颗粒层5，第一金属纳米颗粒层5上设有受光面tco层6，受光面tco层6上设有第二金属纳米颗粒层8，n型掺杂非晶硅层4上设有背光面tco层7，背光面tco层7和第二金属纳米颗粒层8上分别设有金属栅线电极9。

本实施例中，第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒为cu纳米颗粒；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的形状为半球形；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的尺寸(粒径)为10nm；第一金属纳米颗粒层5中金属纳米颗粒的界面分布密度为20％。

本实施例中，第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒为ag纳米颗粒；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的形状为圆柱形；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的尺寸(粒径)为100nm；第二金属纳米颗粒层8中金属纳米颗粒的界面分布密度为10％。

本实施例中，本征非晶硅层2为i-a-si:h，厚度为5nm；p型掺杂非晶硅层3为p-a-si:h，厚度为8nm；n型掺杂非晶硅层4为n-a-si:h，厚度为10nm；受光面tco层6为ito层，厚度为85nm；背光面tco层7为ito层，厚度为80nm；金属栅线电极9为ag栅线电极。

一种上述本实施例的基于金属纳米颗粒的hjt电池的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用rca清洗工艺对n型硅片1进行制绒清洗。

s2、采用pecvd工艺并利用纯硅烷作为前驱物在n型硅片1的受光面和背光面上分别沉积本征非晶硅层2。

s3、采用pecvd工艺在n型硅片1受光面和背光面的沉积本征非晶硅层2上分别制备p型掺杂非晶硅层3和n型掺杂非晶硅层4。

s4、采用旋涂法在p型掺杂非晶硅层3上制备第一金属纳米颗粒层5。

s5、采用磁控溅射工艺在第一金属纳米颗粒层5上沉积受光面tco层6(ito层)。

s6、采用磁控溅射工艺在n型掺杂非晶硅层4上沉积背光面tco层7(ito层)。

s7、采用旋涂法在受光面tco层6上制备第二金属纳米颗粒层8。

s8、采用丝网印刷技术在背光面tco层7和第二金属纳米颗粒层8上分别制备金属栅线电极9(ag栅线电极)，得到基于金属纳米颗粒的hjt电池。

本发明基于金属纳米颗粒的hjt电池，该hjt电池中，增加了金属纳米颗粒层，利用金属纳米颗粒与光作用产生的lsp共振而引起的近场增强效应和粒子的散射作用，使得hjt电池内光路径长度增加和光吸收的明显增强，尤其在700nm-1100nm波段，光电流明显提高，进而提高了短路电流和外量子效率，提升了光电转换效率。本发明基于金属纳米颗粒的hjt电池具有光吸收性能好、短路电流高、光电转换效率高等优点，对于提高异质结电池的应用范围具有十分重要的意义。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。