阅读说明：本技术 一种高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法 (Preparation method of high-efficiency double-sided light-receiving flexible silicon heterojunction solar cell ) 是由 张丽平 姚宇波 刘正新 孟凡英 石建华 刘文柱 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法,包括：提供一经过制绒清洗得到的表面清洁的柔性晶体硅衬底；在柔性衬底的相对两侧分别沉积非晶硅薄膜钝化层；在非晶硅薄膜钝化层上分别沉积第一TCO薄膜形成第一受光面和具有增强的红外波段光谱响应的背反射复合薄膜形成第二受光面,其中,背反射复合薄膜由第二TCO薄膜和金属纳米颗粒构成；在第一TCO薄膜和背反射复合薄膜上分别形成金属栅极。本发明利用第二受光面中不同分布的金属纳米颗粒的表面等离子体激元效应增强红外波段的光谱响应,克服柔性硅异质结太阳电池由于基底厚度不足引起的红外区域光谱响应差的缺点,有效提升柔性硅异质结太阳电池的短路电流和转换效率。(The invention relates to a preparation method of a high-efficiency double-sided light-receiving flexible silicon heterojunction solar cell, which comprises the following steps: providing a flexible crystalline silicon substrate with a clean surface obtained through texturing and cleaning; respectively depositing amorphous silicon thin film passivation layers on two opposite sides of the flexible substrate; respectively depositing a first TCO film on the amorphous silicon film passivation layer to form a first light receiving surface and a back reflection composite film with enhanced infrared band spectral response to form a second light receiving surface, wherein the back reflection composite film is composed of a second TCO film and metal nano-particles; and respectively forming metal gates on the first TCO film and the back reflection composite film. According to the invention, the surface plasmon effect of the metal nanoparticles distributed in the second light receiving surface in different ways is utilized to enhance the spectral response of the infrared band, so that the defect of poor spectral response of the infrared region of the flexible silicon heterojunction solar cell caused by insufficient substrate thickness is overcome, and the short-circuit current and the conversion efficiency of the flexible silicon heterojunction solar cell are effectively improved.)

一种高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池制造，更具体地涉及一种高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法。

背景技术

能源是一个国家赖以生存和发展的动力。在化石能源日益枯竭和环境问题凸显的时代，新型可替代能源的发展将为国民经济持续发展提供有力的保障。太阳能可以稳定而持续的输出，在清洁能源中更具竞争力。目前，各种构型的晶体硅(c-Si)组件占据市场份额的90％以上，从发电量和节约成本两方面考虑，高效组件在光伏系统安装中占有绝对优势。获得高效率晶体硅太阳电池是获得高效组件的基础，高效硅异质结(SHJ)太阳电池的开发可以获得更高效率的组件。同时为了进一步扩大光伏装机量，降低成本是必经之路，晶体硅基底的薄片化趋势受到人们的重视。此外，充当吸收层的晶体硅减薄后，SHJ太阳电池具有可弯曲的柔性特征，制成的组件同样有柔性特征，可装在有曲度的表面实现电力输出，因此柔性组件在降低成本的同时有更广泛的用途。

然而，由数值模拟和实际器件性能输出可知：SHJ太阳电池的I-V参数会随着硅片减薄而变化，其中开路电压和填充因子随着晶体硅基底厚度减薄而增加，而短路电流由于基底减薄导致光生载流子数量减少而降低。因此，晶体硅基底越薄导致短路电流的损失就越高，电池的转换效率就降低越多。

发明内容

为了解决现有技术中为了降低成本减薄晶体硅衬底导致的硅异质结太阳电池的短路电流和转换效率降低的问题，本发明提供一种高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法。

根据本发明的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法，其包括如下步骤：S1，提供一经过制绒清洗得到的表面清洁的柔性晶体硅衬底；S2，在柔性晶体硅衬底的相对两侧分别沉积非晶硅薄膜钝化层；S3，在非晶硅薄膜钝化层上分别沉积第一TCO(透明导电氧化物)薄膜形成第一受光面和具有增强的红外波段光谱响应的背反射复合薄膜形成第二受光面，其中，背反射复合薄膜由第二TCO薄膜和金属纳米颗粒构成；S4，在第一TCO薄膜和背反射复合薄膜上分别形成金属栅极。

本发明利用第二受光面中不同分布的金属纳米颗粒的表面等离子体激元效应增强红外波段的光谱响应，克服柔性硅异质结太阳电池由于基底厚度不足引起的红外区域光谱响应差的缺点，有效提升柔性硅异质结太阳电池的短路电流和转换效率。本发明的背反射复合薄膜具有陷光作用兼具高效反射和高效收集载流子的能力，通过高效的光陷获改善柔性硅异质结太阳电池的红外响应和吸收。本发明的背反射复合薄膜可采用椭圆偏振光谱仪测试表征，氧化物和金属纳米颗粒的成分比例及复合薄膜的折射率通过等效媒介理论拟合和计算。本发明的背反射复合薄膜的反射机制包括等离子体激元近场增强效应和多次散射光的再次反射原理。本发明的不同形状的背反射复合薄膜可以减少对太阳电池背面光吸收的阻挡，调节太阳电池的短路电流大小。

优选地，TCO薄膜为ITO、IWO、IGO和/或IOH薄膜。应该理解，TCO薄膜还可以是其他可以导电的氧化物材料。更优选地，TCO薄膜为包含铟基的透明导电氧化物薄膜。在优选的实施例中，TCO薄膜包括铟锡氧、铟钨氧、和/或铟镓氧等。

优选地，金属纳米颗粒为金、银、铟和/或铝。应该理解，金属纳米颗粒还可以是其他能够配合TCO增强红外波段光谱响应的金属颗粒。

优选地，金属纳米颗粒的粒径为100～300nm。更优选地，金属纳米颗粒的粒径为100～250nm，从而更为有效地收集和陷获入射光。

优选地，背反射复合薄膜通过热蒸发、电子束蒸发、物理气相沉积、磁控溅射法和反应等离子体沉积(RPD)中的至少一种方法制备。

优选地，背反射复合薄膜为夹心结构或周期***替沉积堆叠结构。

优选地，背反射复合薄膜的制备工艺包括：在非晶硅薄膜钝化层上制备第一子TCO薄膜；在第一子TCO薄膜上制备金属薄膜；金属薄膜退火形成金属纳米颗粒；在金属纳米颗粒上制备第二子TCO薄膜。

优选地，金属薄膜通过小于等于200℃的低温退火形成金属纳米颗粒。在优选的实施例中，金属薄膜在150℃～200℃的N₂、H₂或Ar中退火60～90分钟形成金属纳米颗粒。

优选地，在制备金属薄膜的过程中借助于掩膜板或光刻，控制金属薄膜沉积出不同的形状图案，对电池全面积覆盖比例在5％～98％之间。

优选地，所述步骤S1具体为：提供柔性晶体硅衬底，利用碱溶液(例如KOH、NaOH等)对其各向异性腐蚀进行表面制绒后进行清洗(例如利用RCA1和RCA2溶液或氧化方法进行清洗)。

优选地，所述步骤S2具体为：在柔性衬底的第一表面制备第一本征非晶硅薄膜和n型掺杂非晶硅薄膜，在柔性衬底的与第一表面相对的第二表面制备第二本征非晶硅薄膜和p型掺杂非晶硅薄膜。

优选地，所述步骤S3具体为：在n型掺杂非晶硅薄膜上制备第一TCO薄膜，在p型掺杂非晶硅薄膜上制备背反射复合薄膜。在优选的实施例中，通过真空化学气相沉积在该柔性衬底上制备第一本征非晶硅薄膜、n型掺杂非晶硅薄膜、第二本征非晶硅薄膜和p型掺杂非晶硅薄膜。

根据本发明的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法，通过吸收层减薄的柔性衬底来降低柔性硅异质结太阳电池的生产成本，使其能够应用在特殊曲面上；通过背反射复合薄膜来提高红外部分的光谱响应，对进一步获得高效率柔性硅异质结太阳电池并拓展其应用领域具有突出的意义。根据本发明的背反射结构的制备方法，还可以用于提升任何因为吸收层薄而缺失红外响应的太阳电池光电转换效率。所以，本发明可以对大规模生产的硅异质结太阳电池降低成本且提高转换效率，具有高度产业化利用价值。

附图说明

图1显示为本发明的双面受光的高效率柔性SHJ太阳电池结构示意图；

图2显示为背反射结构的制备流程图；

图3显示为第二受光面上背反射结构的陷光原理示意图；

图4显示为第二受光面上背反射结构的反射光谱图。

具体实施方式

在本文中，柔性衬底指的是厚度小于等于100μm的衬底。

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

例1

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法首先包括提供柔性衬底101。具体地，该柔性衬底101为厚度小于等于100μm，面积为125×125mm²的n型单晶硅。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来是对柔性衬底101进行制绒清洗。具体地，利用KOH、NaOH等碱溶液对柔性衬底101各向异性腐蚀进行表面制绒，利用RCA1和RCA2溶液对硅片进行清洗。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来在该柔性衬底101的第一表面制备第一本征非晶硅薄膜102和n型掺杂非晶硅薄膜103，然后在柔性衬底101的第二表面制备第二本征非晶硅薄膜104和p型掺杂非晶硅薄膜105。具体地，通过真空化学气相沉积在该柔性衬底101上制备第一本征非晶硅薄膜102、n型掺杂非晶硅薄膜103、第二本征非晶硅薄膜104和p型掺杂非晶硅薄膜105。在优选的实施例中，真空化学气相沉积为等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)，第一本征非晶硅薄膜102厚度为5nm，n型掺杂非晶硅薄膜103厚度为8nm，第二本征非晶硅薄膜104厚度为5nm，p型掺杂非晶硅薄膜105厚度为10nm。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来在n型掺杂非晶硅薄膜103上制备第一透明导电氧化物(TCO)薄膜106形成第一受光面。具体地，通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备第一TCO薄膜106，第一TCO薄膜106的材料选用任意可以导电的氧化物。在优选的实施例中，采用反应等离子体沉积(RPD)方法制备第一TCO薄膜106，选用掺钨的氧化铟(IWO)作为第一TCO薄膜106的材料，沉积厚度为80nm。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来以图2所示流程图制备由第二TCO薄膜107和金属纳米颗粒108构成的背反射复合薄膜109形成第二受光面。具体地，通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备厚度为d₁的第一子TCO薄膜，d₁可选取范围为20～30nm，通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等方法制备金、银、铝等金属薄膜，厚度范围为10～20nm，然后在150℃～200℃的N₂、H₂、Ar等不同气氛中退火60～90分钟形成金属纳米颗粒108，后续在金属纳米颗粒108上通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备厚度为d₂的第二子TCO薄膜，d₂可选取范围为40～70nm，厚度分别为d₁和d₂的子TCO薄膜共同构成第二TCO薄膜107，第二TCO薄膜107的材料选用任意可以导电的氧化物。在优选的实施例中，采用反应等离子体沉积(RPD)方法制备厚度分别为d₁和d₂的子TCO薄膜，d₁为20nm，d₂为60nm，选用掺钨的氧化铟(IWO)作为第二TCO薄膜107的材料，通过真空蒸镀的方法制备金属银薄膜，用掩膜板控制金属薄膜沉积区域，本例中的掩膜板有三个3mm×100mm的区域，分别对应丝网印刷背电极主栅的覆盖区域，沉积的金属银薄膜厚度为10nm，在全面积覆盖比例为5.7％，然后在180℃的N₂气氛中退火形成银纳米颗粒，退火时间为60分钟，退火形成的银纳米颗粒粒径为100～250nm。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来对背反射复合薄膜109进行测试表征。具体地，采用椭圆偏振分光光谱仪测试表征，通过等效媒介理论对氧化物和金属纳米颗粒的成分比例及复合薄膜的折射率进行拟合和计算。

如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来分别在第一TCO薄膜106和复合薄膜109上制作前金属栅极110和后金属栅极111。具体地，通过丝网印刷的方法制备银栅线电极。

例2

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法首先包括提供柔性衬底101。具体地，该柔性衬底101为厚度小于等于100μm，面积为125×125mm²的n型单晶硅。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来是对柔性衬底101进行制绒清洗。具体地，利用KOH、NaOH等碱溶液对柔性衬底101各向异性腐蚀进行表面制绒，利用RCA1和RCA2溶液对硅片进行清洗。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来在该柔性衬底101的第一表面制备第一本征非晶硅薄膜102和n型掺杂非晶硅薄膜103，然后在柔性衬底101的第二表面制备第二本征非晶硅薄膜104和p型掺杂非晶硅薄膜105。具体地，通过真空化学气相沉积在该柔性衬底101上制备第一本征非晶硅薄膜102、n型掺杂非晶硅薄膜103、第二本征非晶硅薄膜104和p型掺杂非晶硅薄膜105。在优选的实施例中，真空化学气相沉积为等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)，第一本征非晶硅薄膜102厚度为5nm，n型掺杂非晶硅薄膜103厚度为8nm，第二本征非晶硅薄膜104厚度为5nm，p型掺杂非晶硅薄膜105厚度为10nm。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来在n型掺杂非晶硅薄膜103上制备透明导电氧化物(TCO)薄膜106形成第一受光面。具体地，通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备第一TCO薄膜106，第一TCO薄膜106的材料选用任意可以导电的氧化物。在优选的实施例中，采用磁控溅射的方法制备第一TCO薄膜106，选用掺锡的氧化铟(ITO)作为第一TCO薄膜106的材料，沉积厚度为80nm。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来以图2所示流程图制备由第二TCO薄膜107和金属纳米颗粒108构成的背反射复合薄膜109形成第二受光面。具体地，通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备厚度为d₁的第一子TCO薄膜，d₁可选取范围为20～30nm，通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等方法制备金、银、铝等金属薄膜，厚度范围为10～20nm，然后在150℃～200℃的N₂、H₂、Ar等不同气氛中退火60～90分钟形成金属纳米颗粒108，后续在金属纳米颗粒上通过磁控溅射、反应等离子体沉积(RPD)等方法制备厚度为d₂的第二子TCO薄膜，d₂可选取范围为50～70nm，厚度分别为d₁和d₂的子TCO薄膜共同构成第二TCO薄膜107，第二TCO薄膜107的材料选用任意可以导电的氧化物。在优选的实施例中，采用磁控溅射的方法制备厚度分别为d₁和d₂的子TCO薄膜，d₁为30nm，d₂为50nm，选用氧化铟锡(ITO)作为第二TCO薄膜107的材料，通过磁控溅射的方法制备金属银薄膜，用特制的掩膜板控制金属薄膜沉积区域，本例中掩膜板有9个30mm×30mm的区域，沉积的金属银薄膜厚度为12nm，在全面积覆盖比例为52％，然后在180℃的N₂气氛中退火形成银纳米颗粒，退火时间为60分钟，退火形成的银纳米颗粒粒径为100～290nm。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来对背反射复合薄膜109进行测试表征。具体地，采用椭圆偏振光谱仪测试表征，通过等效媒介理论对氧化物和金属纳米颗粒的成分比例及复合薄膜的折射率进行拟合和计算。

如图1所示，根据本发明的第二种实施方式的高效率双面受光柔性硅异质结太阳电池的制备方法的制作方法接下来分别在第一TCO薄膜106和复合薄膜109上制作前金属栅极110和后金属栅极111。具体地，通过丝网印刷的方法制备银栅线电极。

如图3所示，根据本发明的方法制备的第二受光面上的背反射结构，利用金属纳米颗粒的表面等离子体激元增强效应，可以对到达金属纳米颗粒表面的光进行有效的光管理，通过多次高角度散射有效延长光路，提高电池的光学吸收。具体地，到达金属纳米颗粒表面的光包括从第一受光面进入电池而未被电池完全吸收的光、颗粒之间散射的光、后金属栅极反射的光以及从第二受光面进入的光。

根据本发明的方法制备的第二受光面上背反射结构的反射光谱图如图4所示，对比TCO薄膜，由TCO薄膜和金属纳米颗粒组成的背反射薄膜能够有效增强对800～1200nm波段红外光的反射。应用于柔性硅异质结太阳电池时，背反射复合薄膜能够将在单程光路中未被完全吸收的近硅带隙的红外光反射回电池中，延长红外光在电池中的光路，减少由于硅片基底减薄造成的红外光逃逸损失，有效提升电池对红外光的吸收，从而提升电池的红外光谱响应。

总之，根据本发明的方法制备的背反射结构可以有效提升双面受光柔性硅异质结电池的光学吸收，特别是红外波段的光谱响应得到了明显的提升，从而有效地提高了柔性硅异质结电池的短路电流和转换效率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。