太阳电池及生产方法、电池组件与流程

1.本发明涉及光伏技术领域，特别是涉及一种太阳电池及生产方法、电池组件。


背景技术：

2.目前，太阳电池中的电极多为金属电极，金属电极与硅材料直接接触具有较大的界面复合。
3.为了减小金属电极与硅材料直接接触引起的界面复合，现有技术中通常在两者之间增加介电层。然而，介电层的设置会明显增加电阻损耗。


技术实现要素：

4.本发明提供一种太阳电池及生产方法、电池组件，旨在解决太阳电池中金属电极与硅材料直接接触界面复合严重、电阻损耗大的问题。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种太阳电池，包括：
6.依次层叠设置的发射极层、n型硅基底、背表面场层、金属掺杂非晶硅层；所述金属掺杂非晶硅层中氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％；
7.所述发射极层位于所述n型硅基底的向光面；
8.正面电极位于所述发射极层的向光面；
9.所述背表面场层位于所述n型硅基底的背光面；
10.背面金属电极位于所述金属掺杂非晶硅层的背光面。
11.本发明实施方式中，位于背表面场层和背面金属电极之间的金属掺杂非晶硅层，可以提高对少数载流子的阻挡作用，而选择性地通过多数载流子，以改善载流子选择性，使得背面金属电极和背表面场层的界面复合减小，且减小电阻损耗。同时，金属掺杂非晶硅层呈半金属的导电性，导电性能好，金属掺杂非晶硅层中氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％，丰富的氢原子能够有效钝化n型硅基底、背表面场层的内部缺陷以及界面缺陷，使得背面金属电极和背表面场层的界面复合减小，且减小电阻损耗。而且，上述太阳电池具有一维载流子传输模式，可以提高太阳电池的填充因子。同时，金属掺杂非晶硅层设置在n型硅基底的背光侧，不会影响光的吸收。
12.可选的，从靠近所述背面金属电极向远离所述背面金属电极的方向，所述金属掺杂非晶硅层中金属原子的原子百分比依次降低；
13.所述金属掺杂非晶硅层中，靠近所述背面金属电极处金属原子的原子百分比为30％-100％。
14.可选的，所述太阳电池还包括：隧穿层；所述隧穿层的材料选自：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或非晶硅中的至少一种；所述隧穿层的厚度为0.5nm-3nm；
15.所述隧穿层位于所述背面金属电极和所述金属掺杂非晶硅层之间；
16.或，所述隧穿层位于所述背表面场层和所述金属掺杂非晶硅层之间。
17.可选的，所述太阳电池还包括：背钝化层；所述背钝化层位于所述背表面场层的背
光面；所述背钝化层具有至少一个开孔；
18.所述背面金属电极、所述金属掺杂非晶硅层填充在所述开孔中；
19.所述背面金属电极、所述金属掺杂非晶硅层两者覆盖所述背钝化层中未开孔的部分。
20.可选的，所述开孔在所述n型硅基底的背光面的投影的面积，占所述n型硅基底的背光面的面积的5-30％。
21.可选的，所述背面金属电极为铝电极、银电极、铜电极、钌电极中的至少一种。
22.可选的，所述太阳电池还包括：靠近所述n型硅基底，且与所述正面电极接触的局域重掺层；
23.所述局域重掺层的掺杂类型与所述发射极层的掺杂类型相同，且掺杂浓度大于所述发射极层的掺杂浓度。
24.可选的，所述太阳电池还包括：位于所述发射极层的向光面的前钝化减反射层；所述前钝化减反射层的材料选自：氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅、非晶硅中的至少一种，所述前钝化减反射层的厚度为20nm-200nm。
25.根据本发明的第二方面，还提供一种太阳电池的生产方法，包括如下步骤：
26.提供n型硅基底；
27.在所述n型硅基底的向光面形成发射极层；
28.在所述发射极层的向光面上设置正面电极；
29.在所述n型硅基底的背光面形成背表面场层；
30.在所述背表面场层的背光面沉积本征氢化非晶硅层；
31.在所述本征氢化非晶硅层的背光面沉积背面金属电极，得到电池前体；
32.对所述电池前体退火，所述本征氢化非晶硅层和所述背面金属电极在退火过程中相互扩散，形成金属掺杂非晶硅层；所述金属掺杂非晶硅层中氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％。
33.根据本发明的第三方面，还提供一种电池组件，包括：任一前述的太阳电池。
34.上述太阳电池的生产方法、电池组件，具有与前述太阳电池相同或相似的有益效果。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图；
37.图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图；
38.图3示出了本发明实施方式中的第三种太阳电池的结构示意图；
39.图4示出了本发明实施方式中的第四种太阳电池的结构示意图。
40.附图编号说明：
41.1-正面电极，2-前钝化减反射层，3-发射极层，4-局域重掺层，5-n型硅基底，6-背
表面场层，7-隧穿层，8-金属掺杂非晶硅层，9-背面金属电极，10-背钝化层。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明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发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明实施方式中，参照图1所示，图1示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图。该太阳电池包括：依次层叠设置的发射极层3、n型硅基底5、背表面场层6、金属掺杂非晶硅层8。此处的背表面场层6为硅基的表面场。金属掺杂非晶硅层8由本征氢化非晶硅层和背面金属电极9在退火过程中相互扩散形成。金属掺杂非晶硅层中8氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％。丰富的氢原子能够有效钝化n型硅基底5、背表面场层6的内部缺陷以及界面缺陷，使得背面金属电极6和背表面场层9的界面复合减小，且减小电阻损耗。
44.n型硅基底5的向光面为n型硅基底5接收光照的表面。n型硅基底5的背光面为与向光面相对的表面。发射极层3位于n型硅基底5的向光面。
45.正面电极1位于发射极层3的向光面，正面电极1用于收集发射极层3上的载流子。正面电极1可以为al电极、al/ag电极、ni/cu电极、ni/cu/sn电极、cr/pd/ag电极或ni/cu/ag电极中的任意一种。本发明实施例中，对发射极层3是否为选择接触层不作具体限定。例如，发射极层3可以为空穴选择性接触层。
46.背表面场层6位于n型硅基底5的背光面，进而，金属掺杂非晶硅层8设置在n型硅基底5的背光侧，不会影响光的吸收。对背表面场层6是否为选择接触层不作具体限定。例如，背表面场层6可以为电子选择性接触层。背面金属电极9位于金属掺杂非晶硅层8的背光面。
47.本发明实施方式中，位于背表面场层6和背面金属电极9之间的金属掺杂非晶硅层8，可以提高对少数载流子的阻挡作用，而选择性地通过多数载流子，以改善载流子选择性，使得背面金属电极9和背表面场层6的界面复合减小，且减小电阻损耗。同时，金属掺杂非晶硅层8呈半金属的导电性，导电性能好，金属掺杂非晶硅层8中氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％，丰富的氢原子能够有效钝化n型硅基底5、背表面场层6的内部缺陷以及界面缺陷，使得背面金属电极9和背表面场层6的界面复合减小，且减小电阻损耗。而且，上述太阳电池具有一维载流子传输模式，可以提高太阳电池的填充因子。
48.可选的，从靠近背面金属电极9向远离背面金属电极9的方向，金属掺杂非晶硅层8中金属原子的原子百分比依次降低，金属原子的原子百分比的上述分布更利于改善载流子选择性，使得背面金属电极9和背表面场层6的界面复合减小，且减小电阻损耗，导电性能好。
49.可选的，金属掺杂非晶硅层8中，靠近背面金属电极9处金属原子的原子百分比为30％-100％，利于改善载流子选择性，使得背面金属电极9和背表面场层6的界面复合减小，且减小电阻损耗，导电性能好。
50.可选的，太阳电池还包括隧穿层7，隧穿层7的材料选自：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅或非晶硅中的至少一种；隧穿层7的厚度为0.5nm-3nm。隧穿层7的厚度为
发射极层3、n型硅基底5、背表面场层6、金属掺杂非晶硅层8层叠的方向上的尺寸。上述隧穿层7能够阻止背面金属电极9在退火过程中扩散至背表面场层6甚至扩散至n型硅基底5中。
51.图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图。如图2所示，隧穿层7位于背面金属电极9和金属掺杂非晶硅层8之间，本征氢化非晶硅层和背面金属电极9在退火过程中需要跨过隧穿层7才能相互扩散形成金属掺杂非晶硅层8，在扩散形成金属掺杂非晶硅层8的基础上，能够进一步阻止背面金属电极9在退火过程中扩散至背表面场层6甚至扩散至n型硅基底5中。可以通过调控隧穿层7的厚度和致密程度控制二者相互扩散程度，进而影响本征氢化非晶硅层的掺杂水平。
52.例如，隧穿层7的材料若为sio2，背面金属电极9若为铝电极，金属原子与本征氢化非晶硅层中的si原子不能直接相互扩散，需要通过sio2界面层后扩散到对方中，金属原子以间隙扩散的形式进入si间隙中，si-si键由共价键向金属键转变，减弱了si-si键的键强。本征氢化非晶硅层/sio2界面提供了非晶硅的优先结晶形核位点，退火后在原始al层和界面sio2层中出现si的结晶，由于si在al中的扩散速率大于si在si中的扩散速率，si原子将通过它扩散并溶解于al中，这样率先扩散到al中的si原子将会在al晶界优先成核，并伴随着si原子的继续扩散而长大，由于铝金属具有很强的氧亲和力，al原子很容易从sio2界面层吸引氧原子，消耗sio2界面层的氧，最终减薄界面层，提高界面层的隧穿几率，并对背表面场层6甚至n型硅基底5形成良好保护。
53.或，参照图1所示，隧穿层7位于背表面场层6和金属掺杂非晶硅层8之间，上述隧穿层7能够阻止背金属掺杂非晶硅层8扩散至背表面场层6甚至扩散至n型硅基底5中。
54.需要说明的是，隧穿层7可以由沉积或自然氧化而成的氧化层经过退火，厚度被减薄至少50％而形成。沉积或自然氧化的氧化层从一定程度上阻挡了金属与本征氢化非晶硅层的界面相互扩散。
55.图3示出了本发明实施方式中的第三种太阳电池的结构示意图。图4示出了本发明实施方式中的第四种太阳电池的结构示意图。如图3或图4所示，可选的，太阳电池还包括：背钝化层10，背钝化层10位于背表面场层6的背光面。背钝化层10具有至少一个开孔，开孔的数量和大小不作具体限定。
56.背面金属电极9、金属掺杂非晶硅层8填充在开孔中，背面金属电极9从开孔的背光面延伸出来形成一个整体。通过设置背钝化层10，背表面场层6和背面金属电极9局部接触，降低了接触电阻，降低了复合。位于开孔之外的背面金属电极9、金属掺杂非晶硅层8具有更高的导电率，有助于电流流到接触点，并且提高了开路电压。
57.背面金属电极9、金属掺杂非晶硅层8两者覆盖背钝化层10中未开孔的部分，以保持良好的选择接触、钝化效果等。
58.可选的，开孔在n型硅基底5的背光面的投影的面积，占n型硅基底5的背光面的面积的5-30％，此种情况下接触电阻较小，导电率较高，钝化效果也较好。
59.图3中隧穿层7位于背表面场层6和金属掺杂非晶硅层8之间、图4中，隧穿层7位于背表面场层6和背面金属电极9之间。图4中，在设置背钝化层10的情况下，隧穿层7为整面设置，生产方法较为简单。需要说明的是，图3、图4中，金属掺杂非晶硅层8、隧穿层7的位置可以互换。
60.可选的，背面金属电极9为铝电极、银电极、铜电极、钌电极中的至少一种，上述材
料的背面金属电极9形成的金属掺杂非晶硅层的选择性接触效果好、接触电阻较小、导电率较高、钝化效果也较好。
61.可以通过磁控溅射，将钌(ru)引入到a-si:h中，ru薄膜的厚度2-200nm，然后沉积铝电极、银电极等。ru掺杂极大提高了a-si:h薄膜的电导率。ru的引入使a-si:h的非晶网络产生扰动和结构重组，产生了较多的缺陷，ru原子随机替换其中的si原子，由于原子特性的差异，化学键进一步畸变，并产生较大的局部应力，si原子通过局部随机移动来削弱非晶硅薄膜中巨大的应力，进一步使结构更加紊乱。薄膜电导率随掺杂浓度增加而增加，导电性类似于金属化电导特性，a-si:h薄膜中ru掺杂浓度为原子百分比小于10％。
62.金属ru的引入除了掺杂a-si:h薄膜提高其导电性，还可以作为其上覆电镀铝电极、银电极等的阻挡层，例如铜可以电镀到该层ru上，能够阻挡铜原子的扩散，ru具有很好的热稳定性，与铜和其他介质层都有很好的界面接触，并且不与铜和介质材料发生反应。
63.背面金属电极9可以为全背电极层。即使接触电阻相对较大(如100mωcm2的值)也不会导致显著的效率损失，这种结构还将太阳电池中的电流流动简化为一维，消除了横向电阻损耗，产生高填充因子，并允许使用较低掺杂浓度的晶体硅基底，降低俄歇复合和带隙变窄效应，提高少数载流子的寿命和载流子扩散长度，提高电池电流密度，在低掺杂浓度的晶体硅基底上获得高的转换效率。
64.可选的，太阳电池还包括靠近n型硅基底5，且与正面电极1接触的局域重掺层4，局域重掺层4的掺杂类型与发射极层3的掺杂类型相同，且掺杂浓度大于发射极层3的掺杂浓度。即，发射极层3为p ，局域重掺层4为p ，两者形成了p p 高低结，既能钝化太阳电池的接触，降低接触区域表面复合，同时能与正面电极1形成良好的欧姆接触，进一步提高电池的开路电压和转换效率。
65.可选的，太阳电池还包括位于发射极层3的向光面的前钝化减反射层2。前钝化减反射层2的材料选自：氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、碳化硅、非晶硅中的至少一种，前钝化减反射层2的厚度为20nm-200nm，起到良好的钝化减反效果。前钝化减反射层2的厚度为发射极层3、n型硅基底5、背表面场层6、金属掺杂非晶硅层8层叠的方向上的尺寸。
66.本发明实施方式还提供了一种太阳电池的生产方法，该方法包括如下步骤：
67.步骤s1，提供n型硅基底。
68.步骤s2，在所述n型硅基底的向光面形成发射极层。
69.具体的，可以在n型硅基底5的向光面制绒、扩散形成发射极层3。如，使用直拉法生长的电阻率为2ω.cm的n型180um的c-si晶体硅基底经过清洗、前表面制绒后，在绒面上扩散硼形成发射极层3，扩散的方阻约为110ω/方。
70.步骤s3，在所述发射极层的向光面上设置正面电极。
71.步骤s4，在所述n型硅基底的背光面形成背表面场层。
72.如，在n型硅基底5的背光面扩散磷，形成背表面场层6。
73.步骤s5，在所述背表面场层的背光面沉积本征氢化非晶硅层。
74.可以通过由等离子体激发或热激发支持的化学气相沉积工艺形成，例如通过pecvd在300℃左右沉积本征氢化非晶硅层，厚度5nm-50nm，pecvd沉积本征氢化非晶硅层(a-si:h)具有较高的氢含量(如，10-20％)，可以有效钝化界面缺陷。
75.步骤s6，在所述本征氢化非晶硅层的背光面沉积背面金属电极，得到电池前体。
76.步骤s7，对所述电池前体退火，所述本征氢化非晶硅层和所述背面金属电极在退火过程中相互扩散，形成金属掺杂非晶硅层；所述金属掺杂非晶硅层中氢原子的原子百分比为w，20％≥w≥5％。
77.如，在本征氢化非晶硅层的背光面热蒸发沉积1um左右的铝形成背面金属电极9。若在发射极层的向光面设置有前钝化减反射层2，对前表面钝化减反射层2激光开口，电镀ni/cu/ag金属叠层形成正面电极1(正面电极占n型硅基底的向光面的面积的3％左右)。最后，电池前体在300℃到450℃的温度下退火，以烧结前接触并合金化背面al/a-si:h叠层。在该退火温度下，前钝化减反射层2的质量相对稳定。前钝化减反射层2的厚度和合金化步骤的热处理，在不影响开路电压voc的情况下，获得了良好的填充因子ff。
78.需要说明的是，电池前体退火的温度可以介于200-500℃，退火时间可以为10分钟-60分钟。退火温度需选择背面金属电极与a-si:h相互作用但不与隧穿层相互作用的温度。如对于al/sio2体系，最大稳定温度估计在200-400℃范围内，而al/al2o3相互作用预计将在更低温度下开始。此处的sio2、al2o3为隧穿层的材料。
79.在200℃的退火条件下，si原子在si中的扩散速率比较小，si原子难以重组使其从无序的非静态向有序的晶态转变，而si原子在al中的扩散速率却快得多(d≈5
×
10-12
cm-2
s-1
)，这样扩散到al中的si原子在al中形成晶核，并伴随着si原子的继续扩散而长大，而al在si晶核的形成及长大过程中起到媒介作用。al在si中的扩散是整个反应过程的速度限制阶段。
80.在这个退火温度下，sio2层似乎限制了al进一步向c-si的任何显著移动。al在sio2表面产生聚集，由于相互扩散，si部分溶解于al中，铝层中有少量硅(原子百分比约1％)的存在。但是在底层a-si:h薄膜中al原子百分比介于40-100％。这些浓度远高于掺杂溶解度极限，本征a-si:h层得到有效掺杂，呈半金属相，因此具有高导电性。这是由于a-si:h与金属，特别是铝的低温相互作用。在退火温度远低于al-si共晶温度(577℃)时，si将在低浓度下溶解到al中。如果硅是非晶态的，则溶解速度更快；如果非晶态薄膜具有高氢浓度，则溶解速度更快。一旦溶解，硅原子可以通过铝扩散并在成核点(缺陷、表面、晶界等)结晶，很可能铝掺杂浓度在溶解度极限。
81.可选的，本征氢化非晶硅层、背面金属电极9均可以通过离子束蒸发、电子束蒸发、射频磁控溅射制得。如，两者可以在同一反应室中通过上述三种方式中的任意一种制得。
82.可选的，本征氢化非晶硅层可以在保持真空的条件下，pecvd方式制得。背面金属电极9可以在保持真空的条件下，通过真空热蒸发或离子束蒸发方式制得。两者可以在不同反应室内制得。
83.需要说明的是，真空热蒸发、pecvd具有较低的晶化温度，如180℃。磁控溅射与热蒸发方法具有较高的晶化温度如，500℃。
84.可选的，可以在发射极层的向光面沉积前钝化减反射层2，并在相应位置沉积隧穿层7，前钝化减反射层2通过pecvd在400℃左右沉积的80nm左右的sin
x
和ald在200℃左右沉积的15nm左右的al2o3膜组成。隧穿层7通过热氧化、湿化学氧化、在臭氧存在下通过辐照氧化或lpcvd的方式形成薄的氧化层，厚度0.5nm-3nm。
85.本发明实施方式还提供了一种电池组件，包括：任一前述太阳电池。该组件中的发射极层、n型硅基底、背表面场层、金属掺杂非晶硅层等具体可以参照前述有关记载，并能达
到相同或相似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
86.上面结合附图对本发明的实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。