一种光伏电池的钝化层结构、其制备方法及光伏电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种光伏电池的钝化层结构、其制备方法及光伏电池。

背景技术

在N型晶硅电池的P型发射极面，通过在表面硅原子上形成可固定负电荷的氧化铝层，可实现良好的场钝化效应；同时，具有较低的缺陷密度和较高的电荷密度。然而，使用氧化铝层实现场钝化效应存在如下缺点：首先，在沉积氧化铝层的过程中需要用到TMA(三甲基铝)前体，该物质具有一定的危险性，其毒性级别为3级、易燃性级别为3级、易爆性级别为3级。其次，氧化铝层的沉积制备需进行热处理，通过退火条件实现更优的钝化效果；而对于薄膜电池或者低温电池来说，一般要求环境温度低于350℃。

因而，寻找除氧化铝外的其他固定负电荷钝化介质，是光伏电池技术领域面临的新任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏电池的钝化层结构、其制备方法及光伏电池。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种光伏电池的钝化层结构，其位于N型晶硅电池的P型发射极背离硅基底的表面，所述钝化层包括位于P型发射极表面的铪系复合膜层和位于所述铪系复合膜层表面的氮化硅层，所述铪系复合膜层包括层叠设置的铪铝氧化物层和氮氧化铪层中的至少一种。

相对于现有技术而言，本发明所提供的光伏电池的钝化层结构采用了铪铝氧化物层和氮氧化铪层中的至少一种，对光伏电池进行钝化，从而有利于提高场钝化效应。其中，铪铝氧化物为氧化铪中掺入铝元素，氮氧化铪为氧化铪中掺入氮元素，高介电性的氧化铪经铝或氮掺杂后，原有晶胞结构发生改变，由对称相变成不对称相，正负电荷中心不重合，产生电偶极矩，更有利于场钝化效应的形成。氧化铪具有很高的介电常数，氮化铪具有很好的导电性能，两者结合可在材料颞部形成电化学纳米异质结(ENH)，氮氧化铪具有一定的场发射功能及场增强作用。此外，铪不与稀盐酸、稀硫酸和强碱溶液作用，可溶于氢氟酸和王水。氧化铪薄膜具有漏电流高、击穿电场低的不足，而氧化铝薄膜具有漏电流低、击穿电场高的特点，结合氧化铪和氧化铝的特点，铪铝氧化物薄膜在漏电流和击穿电场方面具有较佳的平衡。

本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述铪铝氧化物层中的铝元素的质量百分含量范围为0.1～25％，优选5～15％。

本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述氮氧化铪层中的氮元素的质量百分含量范围为1～8％，优选2～4％。

进一步地，本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述铪系复合膜层还包括层叠设置的氧化铪层、铪铝氮氧化物层中的至少一种。

本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述铪系复合膜层中的单个铪铝氧化物层、氮氧化铪层、氧化铪层、铪铝氮氧化物层的厚度彼此独立地选自如下范围：所述铪铝氧化物层的厚度为0.1～20nm，优选8～12nm；所述氮氧化铪层的厚度为0.1～10nm，优选3～5nm：所述氧化铪层的厚度为0.1～10nm，优选3～5nm：所述铪铝氮氧化物层的厚度为0.1～20nm，优选8～12nm。

进一步地，本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述钝化层的总厚度为75～120nm，所述氮化硅层的厚度大于所述钝化层的总厚度的二分之一。

此外，本发明所提供的光伏电池的钝化层结构中，所述铪系复合膜层的折射率为1.85～2.0，优选1.90～1.95：所述氮化硅层的折射率为1.95～2.25。

本发明的第二方面提供了本发明第一方面所述的钝化层结构的制备方法，包括如下步骤：在N型晶硅电池的P型发射极背离硅基底的表面，采用ALD或离子束溅射沉积所述铪系复合膜层；在所述铪系复合膜层的表面，采用PECVD沉积所述氮化硅层。

在本发明所提供的钝化层结构的制备方法中，所述ALD沉积铪系复合膜层步骤中，膜层前驱体选自四(甲乙胺)铪、四氯化铪、铝烷、二甲基乙胺中的一种或几种；辅助气体为氨气和氧气，所述氨气的流量为1～5L/min，所述氧气的流量为2～10L/min；膜层的生长温度为280～310℃。

本发明的第三方面提供一种光伏电池，其包括本发明第一方面所述的钝化层结构。本发明所提供的光伏电池由于采用了本发明第一方面所述的钝化层结构，在开路电压、短路电流和电池效率等方面均具有较优的性能表现。

可选地，本发明所提供的光伏电池还包含位于所述N型晶硅电池的P型发射极同侧的正面电极、位于所述N型晶硅电池的P型发射极相对侧且依次层叠设置的隧穿层、场钝化层和背面钝化膜层，以及背面电极。

附图说明

图1为根据本发明一实施方式的光伏电池及钝化层结构的示意图；

图2为根据本发明一实施方式的铪系复合膜层的示意图；

图3为根据本发明再一实施方式的铪系复合膜层的示意图；

图4为根据本发明又一实施方式的铪系复合膜层的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚理解本发明的目的、特点和优势，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

光伏电池的钝化层结构及光伏电池

本发明的部分实施方式提供了一种光伏电池的钝化层结构及光伏电池。参考图1所示，该光伏电池包括N型晶硅电池的硅基底1以及位于所述N型晶硅电池的P型发射极2背离所述硅基底1的表面上的钝化层结构。所述钝化层包括位于所述P型发射极表面的铪系复合膜层3和位于所述铪系复合膜层3表面的氮化硅层4，所述铪系复合膜层3包括层叠设置的铪铝氧化物层和氮氧化铪层中的至少一种。此外，在所述N型晶硅电池的P型发射极2同侧还设有正面电极5；在所述N型晶硅电池的P型发射极2的相对侧，依次层叠的隧穿层6、场钝化层7、背面钝化膜层8及背面电极9。

本发明的实施方式所提供的光伏电池的钝化层结构，采用了铪铝氧化物层和氮氧化铪层中的至少一种对光伏电池进行钝化，从而达到较佳的场钝化效应。其中，铪铝氧化物为氧化铪中掺入铝元素，氮氧化铪为氧化铪中掺入氮元素，更有利于场钝化效应的形成。此外，铪不与稀盐酸、稀硫酸和强碱溶液作用，可溶于氢氟酸和王水。氧化铪(HfO

在本发明的部分实施方式中，所述铪铝氧化物层中的铝元素的质量百分含量范围为0.1～25％。在本发明的另一些实施方式中，所述铪铝氧化物层中的铝元素的质量百分含量范围为5～15％。控制铪铝氧化物层中的铝元素的质量百分含量在较优范围，可使铪铝氧化物层在500℃温度条件下退火后的相对介电常数为在较优范围内(12.1左右)，膜层的漏电流密度进一步降低(可低于17μA/cm

在本发明的部分实施方式中，所述氮氧化铪层中的氮元素的质量百分含量范围为1～8％。在本发明的另一些实施方式中，所述氮氧化铪层中的氮元素的质量百分含量范围为2～4％。此时，氮氧化铪层不但具有合适的光吸收率，还具有较高的硬度，有利于避免外力划伤对电池绒面的影响。

在本发明的部分实施方式中，所述铪系复合膜层还进一步包括层叠设置的氧化铪层、铪铝氮氧化物层中的至少一种，从而进一步增强场钝化效应。

图2～4为本发明部分实施方式中的铪系复合膜层的示意图。图2所示的铪系复合膜层包括层叠设置的铪铝氧化物层31和氮氧化铪层32。图3所示的铪系复合膜层包括层叠设置的铪铝氧化物层31、氮氧化铪层32和铪铝氮氧化物层33。图4所示的铪系复合膜层包括层叠设置的铪铝氧化物层31、氮氧化铪层32、铪铝氮氧化物层33和氧化铪层34。当然，图2～4中的铪系复合膜层仅仅是本发明部分实施方式的举例，在实际应用中，膜层的相对位置、组合可均进行调整。

在本发明的部分实施方式中，所述铪铝氧化物层的厚度为0.1～20nm，优选8～12nm。在本发明的部分实施方式中，所述氮氧化铪层的厚度为0.1～10nm，优选3～5nm。在本发明的部分实施方式中，所述氧化铪层的厚度为0.1～10nm，优选3～5nm。在本发明的部分实施方式中，所述铪铝氮氧化物层的厚度为0.1～20nm，优选8～12nm。当铪铝氧化物层、氮氧化铪层、氧化铪层、铪铝氮氧化物层的厚度在上述范围，各膜层对负电荷的固定作用以及膜层折射率也在较佳的范围。

在本发明的部分实施方式中，所述钝化层的总厚度为75～120nm，所述氮化硅层的厚度大于所述钝化层的总厚度的二分之一。钝化层中，氮化硅层中有着丰富的氢，而铪系复合膜层中一般没有氢存在，如果铪系化合物膜层的厚度过大，氮化硅的厚度过小，则无法提供有效的氢钝化。考虑到氢钝化作用与减反射作用的平衡，氮化硅层的厚度大于钝化层的总厚度的二分之一是较优的方案。

在本发明的部分实施方式中，所述铪系复合膜层的折射率为1.85～2.0，优选1.90～1.95：所述氮化硅层的折射率为1.95～2.25。

当然，本发明实施方式中所提供的光伏电池的结构，可有多种变形，只要该光伏电池中采用了本发明第一方面所述的钝化层结构，则在开路电压、短路电流和电池效率等方面均具有较优的性能表现。

制备

根据本发明的第二方面，本发明的部分实施方式还提供了第一方面所述的钝化层结构的制备方法，包括如下步骤：在N型晶硅电池的P型发射极背离硅基底的表面，采用ALD或磁控溅射技术沉积所述铪系复合膜层；在所述铪系复合膜层的表面，采用PECVD沉积所述氮化硅层。

值得说明的是，在本发明的部分实施方式中，铪系复合膜层或氮化硅层采用ALD(原子层沉积)、离子束溅射、磁控溅射、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)等技术，使用本领域常规设备、按照本领域常规的膜层沉积操作步骤进行。其中，离子束溅射制备的薄膜具有吸收小、无定形结构、光学散射低、缺陷密度小等优点，已经成为制备氧化铪薄膜的重要工艺方法。

作为举例，在本发明的部分实施方式中，采用离子束溅射沉积技术，使用离子束溅射沉积设备，沉积所述铪系复合膜层，相关工艺参数如下：

(1)高纯的氧气(氧气纯度>99.999％)、高纯氨气直接充入到离子束溅射沉积设备的真空室内；

(2)选用的靶材为高纯金属铪，高纯金属铝；

(3)氧气流量可控制的范围为0～200sccm；离子束电压的工作范围为300V～1300V，离子束电流的可调范围为200mA～800mA，采用石英灯辐射加热基板，加热温度范围250℃～350℃；工艺时间180s～300s；

(4)样品的基底为超光滑表面的远紫外石英玻璃。

作为另一举例，在本发明的部分实施方式中，采用ALD(原子层沉积)技术、使用板式ALD设备，沉积所述铪系复合膜层，相关工艺参数如下：

(1)预热腔室温度125～180℃；

(2)工艺气体：四(甲乙胺)铪、铝烷；辅助气体为氨气和氧气；

(3)工艺腔温度：200～350℃，沉积压力压力为0.2torr；

(4)循环周期为50～200cycle，沉积膜层厚度根据设定的循环cycle次数实现。

以下结合具体实施例、对比例进一步说明本申请的优势。所用材料未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

实施例1～10

按照如下步骤制备光伏电池：

(1)硅片进行碱制绒，去除损伤层；

(2)通过高温扩散的方式，制备PN结；

(3)除去PSG或BSG，起到避免PN结漏电作用；

(4)在硅片背面采用氮化硅、氧化铝、多晶硅、非晶硅制备钝化层；

(5)在硅片正面制备钝化层：ALD沉积或离子束溅射沉积铪系复合膜层，接着采用PECVD沉积所述氮化硅层，钝化层的具体结构参数如表1所示；

(6)通过丝网印刷，在硅片的正面和背面分别制备电极；

(7)烧结退火，制备得到良好的欧姆接触电极，并且进行氢钝化。

对比例1～2

对比例1～2与实施例1～10的区别仅在于钝化层结构不同，其余结构与制备步骤与实施例1～10相同。对比例1～2的钝化层的具体结构参数亦如表1所示。

表1

对实施例1～10和对比例1～2中的光伏电池进行开路电压、短路电流和电池效率的检测。检测步骤按照本领域常规的HALM、Berger、Sinton、Wavelab等方法进行，检测结果如表2所示：

表2

由表2的测试数据可知，实施例1～10中的光伏电池，基于本发明所提供的钝化层结构，采用了铪铝氧化物层和氮氧化铪层中的至少一种以及氧化铪层、铪铝氮氧化物层对光伏电池进行钝化，达到较佳的场钝化效应，在开路电压、短路电流和电池效率等方面明显优于对比例1和2。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。