一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构及其制备方法与流程

1.本发明属于光伏电池技术领域，具体涉及一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g技术的发展和普及，万物互联的时代正在到来。物联网中数量巨大的低功耗传感器等分布式微电子设备，绝大多数将布置于室内。用光伏电池收集室内的低强度光为这些设备供电，是一种理想的离网式供电方式。室内光的光强普遍在1mw/cm2-0.1mw/cm2，甚至低至0.01mww/cm2，远远小于评价室外发电太阳电池光电转换效率的标准光强(100mw/cm2)。
3.硅异质结电池是一种高效率的硅基太阳电池，其弱光响应优于其他硅基太阳电池(如perc电池等)，因而是较适合用于室内发电的一种硅基太阳电池。常规的硅基太阳电池包括硅基底1、设置于硅基底1一面的发射极2以及设置于硅基底1另一面的背场2，发射极2和硅基底1之间形成的p-n结4自然延伸到硅基底1边缘截面(如图1所示)，使部分边缘截面处于耗尽区5内，而该处钝化膜的质量往往很差或没有钝化膜，到达边缘截面的少数载流子将在耗尽区5发生严重的复合，使得太阳电池的j
02
显著增大，ff，v
oc
降低，效率降低，而在低强度室内光的环境下，效率降低尤为显著。另外，对经切割形成的太阳电池，切断截面的晶格直接暴露，上述边缘复合造成的电池在低强度室内光下的效率降低将更为严重。因此，发展一种新的硅异质结太阳电池结构，降低边缘复合的影响，提高其在室内光下的效率，具有实际意义。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。
5.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
6.本发明实施例提供了一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，其包括：单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述单晶硅基底的第一表面上依次叠设有第一本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层，所述单晶硅基底的第二表面上依次叠设有第二本征非晶硅层、第二掺杂非晶硅层；
7.所述第一本征非晶硅层具有第一区域和第二区域，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第一区域的厚度大于第二区域的厚度，而使所述第一区域与第二区域配合形成第一台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部；
8.其中，所述第一掺杂非晶硅层、反型层是第一导电类型的，所述单晶硅基底和第二掺杂非晶硅层是第二导电类型的；以及
9.还包括分别设置于所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层上的第一透明导电
膜层、第二透明导电膜层，以及分别设置于所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层上的第一电极、第二电极。
10.本发明实施例还提供了一种上述的适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构的制备方法，包括：在单晶硅基底表面形成第一本征非晶硅层、第二本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层、第一透明导电膜层、第二透明导电膜层、第一电极、第二电极的步骤；
11.其中，所述在单晶硅基底表面形成第一本征非晶硅层的步骤具体包括：
12.于所述单晶硅基底的第一表面形成第一本征非晶硅层，并使第一本征非晶硅层的第一区域的厚度大于第二区域的厚度，而使第一区域与第二区域配合形成第一台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提供的一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构及其制备方法，通过将硅基底边缘处的本征非晶硅钝化层的厚度加厚，以使硅基底中形成的反型层终止于硅基底的内部，而不延申到硅基底的边缘，既消除了硅基底边缘处的p-n结及耗尽区，也减少了光生载流子经过反型层到达硅基底边缘的数量，从而有效地抑制了载流子在硅基底边缘的复合，提高了电池在室内光下的光电转化效率。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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的附图。
15.图1是传统硅基太阳电池结构的截面图；
16.图2本发明实施例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的截面图；
17.图3是本发明实施例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的热平衡能带图；
18.图4是本发明实施例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的电子浓度和空穴浓度的位置分布图；
19.图5和图6是本发明实施例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构在制备过程中的示意图；
20.图7是本发明实施例2中提供的一种硅异质结太阳电池的整片电池结构的俯视图；
21.图8是本发明实施例2中提供的一种硅异质结太阳电池的整片电池结构的局部截面图；
22.图9是本发明对比例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的截面图；
23.图10是本发明对比例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的热平衡能带图；
24.图11是本发明对比例1中提供的一种硅异质结太阳电池结构的电子浓度和空穴弄浓度的位置分布图。
具体实施方式
25.鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技
术方案，针对现有的硅异质结太阳电池因受到硅基底边缘复合影响而导致的室内光电转化效率低的问题，本发明实施例提供的一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，通过将硅基底边缘处的本征非晶硅钝化层的厚度加厚，以使硅基底中形成的反型层终止于硅基底的内部，而不延申到硅基底的边缘，既消除了硅基底边缘处的p-n结及耗尽区，也减少了光生载流子经过反型层到达硅基底边缘的数量，从而有效地抑制了载流子在硅基底边缘的复合，提高了电池在室内光下的光电转化效率。
26.如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明中的硅异质结太阳电池结构及其各组成部件的材质均可以是本领域技术人员已知的。
27.本发明实施例提供了一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，其包括单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述单晶硅基底的第一表面上依次叠设有第一本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层，所述单晶硅基底的第二表面上依次叠设有第二本征非晶硅层、第二掺杂非晶硅层；
28.其中，所述第一本征非晶硅层具有第一区域和第二区域，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第一区域的厚度大于第二区域的厚度，而使第一区域与第二区域配合形成第一台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部；
29.其中，所述第一掺杂非晶硅层、反型层是第一导电类型的，所述单晶硅基底和第二掺杂非晶硅层是第二导电类型的，所述第一导电类型可以是n型或p型中的任一者，而所述第二导电类型为另一者。
30.进一步的，所述第一区域的厚度和宽度满足如下条件，即：能够使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内与所述第二区域对应的区域之中。
31.在一些较为具体的实施方式中，所述第一区域的厚度为250nm以上，优选为300～500nm，宽度为2～10mm，所述第二区域的厚度为3-10nm。
32.进一步的，所述第一掺杂非晶硅层具有与所述第一台阶结构相对应的台阶结构。
33.更进一步的，所述硅异质结太阳电池结构还包括分别设置于所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层上的第一透明导电膜层、第二透明导电膜层，以及分别设置于所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层上的第一电极、第二电极。
34.进一步的，所述第一透明导电膜层具有与所述第一台阶结构相对应的台阶结构。
35.在一些较为具体的实施方式中，所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层的厚度为5～20nm，所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层的厚度为70～90nm。
36.本发明实施例还提供了一种上述的适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构的制作方法，其包括：
37.于所述单晶硅基底的第一表面上依次形成第一本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层，并使第一本征非晶硅层的第一区域的厚度大于第二区域的厚度，而使第一区域与第二区域配合形成第一台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部；
38.于所述单晶硅基底的第二表面上依次形成第二本征非晶硅层、第二掺杂非晶硅
层；以及
39.分别于所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层的表面形成第一透明导电膜层、第二透明导电膜层，并分别在所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层上制作第一电极、第二电极。
40.本发明实施例还提供了另一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，具体的，该电池结构为上述硅异质结太阳电池得整片电池结构，其包括单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述单晶硅基底的第一表面上依次叠设有第一本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层，所述单晶硅基底的第二表面上依次叠设有第二本征非晶硅层、第二掺杂非晶硅层；
41.其中，所述第一本征非晶硅层具有第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域围绕第二区域设置，所述第三区域分布在第二区域内，所述第一区域、第三区域的厚度均大于第二区域的厚度，而使第二区域分别与第一区域、第三区域配合形成第一台阶结构、第二台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部；
42.其中，所述第一掺杂非晶硅层、反型层是第一导电类型的，所述单晶硅基底和第二掺杂非晶硅层是第二导电类型的，所述第一导电类型可以是n型或p型中的任一者，而所述第二导电类型为另一者。
43.进一步的，所述第三区域的厚度大于或等于第一区域的厚度，宽度为所述第一区域的宽度的两倍以上。
44.在一些较为具体的实施方式中，所述第一区域的厚度为250nm以上，优选为300～500nm，宽度为2～10mm，所述第二区域的厚度为3-10nm。
45.进一步的，所述第一台阶结构和第二台阶结构相互配合使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内与所述第二区域对应的区域之中。
46.更进一步的，所述第三区域分布有分片电池的切割线，当沿所述切割线分割所述硅异质结太阳电池结构形成分片电池后，每一分片电池的第一本征非晶硅层的第一区域和第三区域连接形成一环形区域，所述环形区域环绕相应的第二区域设置且与该第二区域配合形成所述第一台阶结构。
47.进一步的，所述硅异质结太阳电池结构还包括分别设置于所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层上的第一透明导电膜层、第二透明导电膜层，以及分别设置于所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层上的第一电极、第二电极。
48.进一步的，第一掺杂非晶硅层和第一透明导电膜层分别具有与所述第一台阶结构、第二台阶结构相对应得台阶结构。
49.在一些较为具体的实施方式中，所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层的厚度为5～20nm，所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层的厚度为70～90nm。
50.本发明实施例还提供了一种上述的适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构的制作方法，其包括：
51.于所述单晶硅基底的第一表面上依次形成第一本征非晶硅层、第一掺杂非晶硅层，并使第一本征非晶硅层的第一区域和第三区域的厚度均大于第二区域的厚度，而使第
二区域分别与第一区域、第三区域配合形成第一台阶结构、第二台阶结构，且所述第一区域的厚度足以使由所述第一掺杂非晶硅层在所述单晶硅基底中诱导出的反型层终止在所述单晶硅基底内部；
52.于所述单晶硅基底的第二表面上依次形成第二本征非晶硅层、第二掺杂非晶硅层；
53.分别于所述第一掺杂非晶硅层、第二掺杂非晶硅层的表面形成第一透明导电膜层、第二透明导电膜层，并分别在所述第一透明导电膜层、第二透明导电膜层上制作第一电极、第二电极。
54.进一步的，于所述第三区域上设置分片电池的切割线，并沿所述切割线对所述硅异质结太阳电池结构进行切割，形成分片电池。
55.如下将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，以及，本发明中所涉及的薄膜制备工艺均可以采用本领域技术人员已知的现有工艺，其具体的工艺参数可以根据情况进行选择，在此不作具体的限制。
56.实施例1
57.请参阅图2，为本实施例中的一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，其包括n型单晶硅基底10，所述n型单晶硅基底10具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述n型单晶硅基底10的第一表面上依次叠设有第一本征非晶硅层20、p型非晶硅层30和第一透明导电膜层40，所述n型单晶硅基底10的第二表面上依次叠设有第二本征非晶硅层50、n型非晶硅层60和第二透明导电膜层70，且所述第一透明导电膜层40和第二透明导电膜层70上分别设置有第一电极80和第二电极90。
58.其中，所述第一本征非晶硅层20具有第一区域201和第二区域202，所述第一区域201环绕第二区域202设置，所述第一区域201的厚度大于第二区域202的厚度，而使第一区域201与第二区域202配合形成第一台阶结构，且所述第一区域201的厚度h足以使由所述p型非晶硅层30在所述n型单晶硅基底10中诱导出的p型强反型层101终止在所述n型单晶硅基底10内部，且p型非晶硅层30、第一透明导电膜层40具有与所述第一台阶结构相对应的台阶结构。
59.具体的，p型强反型层101形成在n型单晶硅基底10中且靠近p型非晶硅层30的一侧。同理，在n型单晶硅基底10中靠近n型非晶硅层60的一侧被诱导出一层n 层。
60.具体的，所述第一区域201的厚度h和宽度w满足如下条件，即：能够使由p型非晶硅层30在n型单晶硅基底10中诱导出的p型强反型层101终止在n型单晶硅基底10内与所述第二区域202对应的区域之中，而使n型单晶硅基底10内的光生载流子无法通过p型强反型层101到达n型单晶硅基底10边缘处的耗尽区中发生复合，进而有效地提高硅异质结太阳电池的光电转换效率。
61.其中，第一区域201为环绕第二区域202的环形结构，而第一区域201的宽度w表示该环形结构的环宽。
62.具体的，所述第一区域201的厚度为300～500nm，宽度为2～5mm；所述第二区域202的厚度为3～10nm。
63.具体的，所述p型非晶硅层30、n型非晶硅层60的厚度为5～20nm，所述第一透明导电膜层40、第二透明导电膜层70的厚度为70～90nm。
64.本实施例中的硅异质结太阳电池结构，将n型单晶硅基底10靠近p型非晶硅30一侧边缘处的第一本征非晶硅层20的厚度设置的足够厚，使n型单晶硅基底10中被诱导出的p型强反型层101终止在n型单晶硅基底10的内部，即仅在对应第一本征非晶硅层20的第二区域202的n型单晶硅基底10中形成p型强反型层101，而在对应第一本征非晶硅层20的第一区域201的n型单晶硅基底10中不形成p型强反型层101，进而使n型单晶硅基底10中的光生空穴少子无法通过p型强反型层101传输到n型单晶硅基底10外侧边缘的耗尽区和电子多子进行复合，有效地消除了边缘复合的影响，提高了硅异质结太阳电池在室内使用时的光电转换效率。
65.具体的，请参阅图3，为本实施例中的硅异质结太阳电池在第一台阶结构处的热平衡能带图，示出了n型单晶硅基底10，本征非晶硅层20，p型非晶硅层30的导带，价带和该三者的平衡费米能级。其中曲线6表示导带，曲线7表示平衡费米能级，曲线8表示价带，可以看出，在n型单晶硅基底10靠近p型非晶硅层30一侧的表面能带向上弯曲很小，即内建电势vbi很小。同时，请再参阅图4，为本实施例中的硅异质结太阳电池在第一台阶结构处的电子浓度和空穴浓度的分布图，其中曲线9表示空穴浓度，曲线11表示电子浓度，可以看出，在n型单晶硅基底10中靠近p型非晶硅30一侧的表面处，空穴浓度小于电子浓度，因此不形成p型强反型层101，即p型强反型层101被终止在n型单晶硅基底10的内部。
66.本实施例还提供了一种所述的适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构的制作方法，其包括：
67.1)提供n型单晶硅基底10，并对所述n型单晶硅基底10进行清洗制绒处理，从而在n型单晶硅基底10的第一表面和第二表面形成金字塔陷光结构；
68.2)采用pecvd或热丝cvd等工艺在n型单晶硅基底10的第二表面依次沉积厚度为3nm和10nm的第二本征非晶硅层50和n型非晶硅层60；
69.3)采用pecvd或热丝cvd等工艺在n型单晶硅基底10的第一表面沉积厚度为3nm的第一本征非晶硅层20，该厚度对应第一本征非晶硅层20的第二区域202的厚度，形成如图5所示的结构，
70.4)在已形成的第一本征非晶硅层20上覆设一层金属掩模，使该金属掩模覆盖住第一本征非晶硅层20的第二区域202的相应区域，暴露出第一本征非晶硅层20的第一区域201的相应区域，并使对应该第一区域201的相应区域的宽度为2mm，之后在第一区域201的相应区域沉积厚度为300nm的第一本征非晶硅层20，使第一本征非晶硅层20的第一区域201和第二区域202配合形成第一台阶结构，如图6所示；
71.5)去除步骤4)中的金属掩模，并采用pecvd或热丝cvd等工艺，在已形成的第一本征非晶硅层20上沉积厚度为10nm的p型非晶硅层30；
72.6)采用反应等离子沉积(rpd)或物理气相沉积(pvd)方法分别在上述步骤中所形成的p型非晶硅层30和n型非晶硅层60上沉积厚度为80nm的第一透明导电膜层40和第二透明导电膜层70；
73.7)采用丝网印刷等工艺分别在第一透明导电膜层40和第二透明导电膜层70上印刷低温银浆，形成第一电极80和第二电极90，完成电池的制备。
74.实施例2
75.请参阅图7-8，为本实施例中的一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池的整片电池结构，其与实施例1中的硅异质结太阳电池结构相似，可以通过切割形成多个实施例1中的硅异质结太阳电池结构。
76.具体的，该硅异质结太阳电池结的整片电池结构的第一本征非晶硅层20具有第一区域201、第二区域202和第三区域203，所述第一区域201围绕第二区域202设置，所述第三区域203分布在第二区域202内，所述第一区域201、第三区域203的厚度均大于第二区域202的厚度，而使第二区域202分别与第一区域201、第三区域203配合形成第一台阶结构、第二台阶结构，且所述第一区域201的厚度足以使由所述p型非晶硅层30在所述n型单晶硅基底10中诱导出的p型强反型层101终止在所述n型单晶硅基底10内部。
77.具体的，所述第一台阶结构和第二台阶结构相互配合使由所述p型非晶硅层30在所述n型单晶硅基底10中诱导出的p型强反型层101终止在所述n型单晶硅基底10内与所述第二区域202对应的区域之中。
78.具体的，所述第三区域203的厚度等于第一区域201的厚度，宽度为第一区域201的宽度的两倍，在第三区域203宽度方向的中心位置分布有分片电池的切割线204，通过激光205沿该切割线204分割所述整片电池结构，能够形成多个分片电池(该分片电池即为实施例1中的硅异质结太阳电池结构)，每一分片电池的第一本征非晶硅层20的第一区域201和第三区域203连接形成一环形区域(该环形区域即对应实施例1中硅异质结太阳电池结构的第一本征非晶硅层20的第一区域201)，所述环形区域环绕相应的第二区域202设置且与该第二区域202配合形成第一台阶结构。
79.本实施例还提供了一种所述的适用于室内发电的硅异质结太阳电池的整片电池结构的制作方法，其包括：
80.1)提供n型单晶硅基底10，并对所述n型单晶硅基底10进行清洗制绒处理，从而在n型单晶硅基底10的第一表面和第二表面形成金字塔陷光结构；
81.2)采用pecvd或热丝cvd等工艺在n型单晶硅基底10的第二表面依次沉积厚度为3nm和10nm的第二本征非晶硅层50和n型非晶硅层60；
82.3)采用pecvd或热丝cvd等工艺在n型单晶硅基底10的第一表面沉积厚度为3nm的第一本征非晶硅层20，该厚度对应第一本征非晶硅层20的第二区域202的厚度
83.4)在已形成的第一本征非晶硅层20上覆设一层金属掩模，使该金属掩模覆盖住第一本征非晶硅层20的第二区域202的相应区域，暴露出第一区域201和第三区域203的相应区域，并使第一区域201的宽度为2mm，第三区域203的宽度为4mm，之后在第一区域201和第三区域203的相应区域沉积厚度为300nm的第一本征非晶硅层20，使第一本征非晶硅层20的第二区域202分别和第一区域201、第三区域203配合形成第一台阶结构、第二台阶结构，并在第三区域203的宽度方向的中间位置设置切割线204；
84.5)去除步骤4)中的金属掩模，并采用pecvd或热丝cvd等工艺，在已形成的第一本征非晶硅层20上沉积厚度为10nm的p型非晶硅层30；
85.6)采用反应等离子沉积(rpd)或物理气相沉积(pvd)方法分别在上述步骤中所形成的p型非晶硅层30和n型非晶硅层60上沉积厚度为80nm的第一透明导电膜层40和第二透明导电膜层70；
86.7)采用丝网印刷等工艺分别在第一透明导电膜层40和第二透明导电膜层70上印刷低温银浆，形成第一电极80和第二电极90，完成整片电池的制备。
87.8)通过激光205沿所述切割线204对形成的整片电池进行切割，形成分片电池结构。
88.对比例1
89.请参阅图9，为本对比例中的一种适用于室内发电的硅异质结太阳电池结构，其与实施例1中的硅异质结太阳电池结构相似，区别在于第一本征非晶硅层20不具有所述的第一台阶结构，相应的p型非晶硅层30和第一透明导电膜层40也不具有台阶结构。
90.该对比例中的硅异质结太阳电池结构，在n型单晶硅基底10中靠近p型型非晶硅层30一侧形成的p型强反型层101一直延申到n型单晶硅基底10的边缘，因此光生载流子会沿着p型强反型层101传输到n型单晶硅基底10边缘处的耗尽区发生复合而大大降低硅异质结太阳电池在室内应用时的光电转换效率。
91.具体的，请参阅图10，为本对比例中的硅异质结太阳电池的热平衡能带图，可以看出，在n型单晶硅基底10靠近p型非晶硅层30一侧的表面能带向上弯曲很大，即内建电势vbi很大。同时，请参阅图11，为本对比例中的硅异质结太阳电池中电子浓度和空穴浓度的位置分布图，可见，在n型单晶硅基底10靠近p型非晶硅层30的表面处，空穴浓度远大于电子浓度，整个表面处均形成p型强反型层101，p型强反型层101与n型单晶硅基底10形成的p-n结12一直延伸到n型单晶硅基底10的侧边缘。
92.应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。