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CN104103715B - 一种双层结构ito电极晶体硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种双层结构ito电极晶体硅太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,包括制绒、热扩散制p‑n结、去磷硅玻璃、制备ITO电极、背面印刷Al背场和Ag电极、正面印刷Ag主栅线。通过磁控溅射制备双层结构ITO电极,在沉积ITO复合导电薄膜和ITO薄膜并退火结束后,在硅片背面印刷Al背场和Ag电极,在硅片正面ITO薄膜上仅印刷Ag主栅线而无需印刷Ag副栅线。ITO电极透光率和电导率高且钝化效果好,串联电阻小,电池转换效率可提高0.1%~0.2%;减少了Ag浆料的用量,降低了电池的生产成本。

Description

一种双层结构 ITO 电极晶体硅太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能应用技术领域,特别是涉及一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法。
背景技术
电极制作是太阳能电池生产的最后一道工序,它承担着收集硅片中的载流子并将其输送至外部电路的责任,是太阳能电池制程中的关键环节之一。目前,电极的制造主要通过丝网印刷金属浆料,在硅片正面形成Ag电极,在硅片背面形成Ag背电极和Al背场。由于Ag为贵金属,其大约占非硅成本的30%,使得太阳能电池的成本居高不下;此外,由于正面Ag栅线的遮光作用,降低了到达太阳能电池发射极的光子数量,降低了太阳能电池的电流密度,而减少遮光面积需要降低Ag栅线宽度,这对金属浆料性能和网版质量提出了更高的要求;正电极为栅指状分布,使得电池发射极的横向电阻大,引起太阳能电池的串联电阻增大,电池的转换效率难以提高。因此,贵金属电极的这些缺点制约了太阳能电池的飞速发展。
ITO具有高电导率、高透过率、优异的耐磨损性、机械强度和化学稳定性,是目前Ag电极最有潜力的替换材料,具体表现为:可以全部或者部分取代太阳能电池正面的Ag电极,降低太阳能电池制备成本;ITO薄膜透明,其光透过率可达90%以上,可利用的太阳光子数量增多,太阳能电池的电流密度增大;ITO薄膜电阻率低,由于其在硅片表面均匀分布,使得太阳能电池的横向电阻低,大大降低了太阳能电池的串联电阻。
目前用于晶硅电池的正面电极方案如图1所示,其优缺点分别如下:将ITO直接沉积于发射结上,这种方法很简单,电池的制造成本低,但由于ITO薄膜本身无钝化效果,硅片表面的复合速度快,使得电极收集的电流减少,转换效率下降;而且ITO薄膜无退火或者退火工艺不合适,ITO薄膜的电阻率偏高,在正面ITO薄膜上需要印刷Ag电极,即需要印刷主栅和部分的副栅线,Ag的耗量降低量有限。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足,提出了一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,ITO电极透光率和电导率高且钝化效果好,串联电阻小,电池转换效率可提高0.1%~0.2%;而且工艺简单,正面不印刷Ag副栅线,大大节约Ag浆料的用量,降低了生产成本。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是,一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,包括制绒、热扩散制p-n结、去磷硅玻璃、制备ITO电极、背面印刷Al背场和Ag电极、正面印刷Ag主栅线,所述的制备ITO电极在磁控溅射设备中进行,其特征在于,所述的制备ITO电极按照以下步骤进行:
⑴将去磷硅玻璃的硅片置于阳极,将ITO陶瓷靶以及二氧化硅靶和/或氮化硅靶置于阴极,通入Ar和H2混合气体,启动射频电源,开始磁控溅射,在N+层上沉积一层ITO复合导电薄膜,根据溅射功率大小控制ITO复合导电薄膜中ITO∶二氧化硅∶氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3∶0.01~0.3,或者ITO∶二氧化硅或氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3,并使ITO复合导电薄膜的厚度为10~30nm,光透过率为85%~90%,折射率为1.7~1.9,电阻率5×10-4~1×10-3Ω.cm;
⑵将磁控溅射腔中的气体抽走,继续通入Ar和H2混合气体,并将ITO陶瓷靶材以外的溅射靶材屏蔽,再次开始磁控溅射,在ITO复合导电薄膜上沉积一层纯的ITO薄膜,控制ITO薄膜厚度为30~80nm,光透过率为92%以上,折射率为1.8~1.9,电阻率为1×10-5~3×10-4Ω.cm;
⑶在磁控溅射工艺过程中,硅片的温度控制在250~400℃,使得ITO复合导电薄膜和ITO薄膜沉积过程中一边沉积一边退火;在ITO薄膜沉积结束后,将硅片的温度提高50~150℃,抽走磁控溅射腔体中气体,然后充入H2,继续退火2~20min。
本发明通过磁控溅射制备双层结构ITO电极,在沉积ITO复合导电薄膜和ITO薄膜并退火结束后,在硅片背面印刷Al背场和Ag电极,在硅片正面ITO薄膜上仅印刷Ag主栅线而无需印刷Ag副栅线。
在本发明中,磁控溅射设备的阴极上设置多个独立的溅射靶材放置区,不同的靶材分别放置,每个靶材对应的电源不同,其功率可以调节,功率越大,溅射出来的组分越多,这个组分在复合薄膜中的比例越高。将ITO陶瓷靶-二氧化硅靶、ITO陶瓷靶-氮化硅靶或ITO陶瓷靶-二氧化硅靶-氮化硅靶组合进行溅射,就能获得相应的ITO复合导电薄膜。
本发明设计双层结构ITO电极,在磁控溅射设备中先后沉积ITO复合导电薄膜和ITO薄膜,并且双层结构即ITO复合导电薄膜和ITO薄膜的制备与退火在磁控溅射设备中一次性完成,工艺简单;ITO电极透光率和电导率高且钝化效果好,串联电阻小,电池转换效率可提高0.1%~0.2%;在硅片正面ITO薄膜上仅印刷Ag主栅线而不必印刷Ag副栅线,大大减少了Ag浆料的用量,降低了电池的生产成本。
附图说明
图1现有技术晶体硅太阳能电池结构示意图,正面ITO薄膜层上印刷有Ag主栅线和Ag副栅线。其中:1-背面Ag电极、2-Al背场、3-P型Si基片、4-N+层、5- ITO薄膜层、6-正面Ag电极(包括主栅线和副栅线)。
图2本发明晶体硅太阳能电池结构示意图。其中,1-背面Ag电极、2-Al背场、3-P型Si基片、4-N+层、7-ITO复合导电薄膜、8- ITO薄膜层、9-正面Ag主栅线。
具体实施方式
实施例1:一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:湿法制绒;
步骤2:热扩散制p-n结;
步骤3:去磷硅玻璃,并干燥;
步骤4:在磁控溅射设备中制备ITO电极,磁控溅射设备的阴极上设置3个独立的溅射靶材放置区,以分别放置不同的靶材并使每个靶材对应不同的溅射功率和电源;制备过程如下:
⑴将去磷硅玻璃的硅片置于阳极,将ITO陶瓷靶和二氧化硅靶放入溅射靶材放置区,通入Ar和H2混合气体,启动射频电源,开始磁控溅射,在N+层上沉积一层ITO复合导电薄膜,根据溅射功率大小控制ITO复合导电薄膜中ITO∶二氧化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3,并使ITO复合导电薄膜的厚度为10~30nm,光透过率为85%~90%,折射率为1.7~1.9,电阻率5×10-4~1×10-3Ω.cm;
⑵将磁控溅射腔中的气体抽走,继续通入Ar和H2混合气体,并将二氧化硅溅射靶材屏蔽,再次开始磁控溅射,在ITO复合导电薄膜上沉积一层纯的ITO薄膜,控制ITO薄膜厚度为30~80nm,光透过率为92%以上,折射率为1.8~1.9,电阻率为1×10-5~3×10-4Ω.cm;
⑶在磁控溅射工艺过程中,硅片的温度控制在250~400℃,使得ITO复合导电薄膜和ITO薄膜沉积过程中一边沉积一边退火;在ITO薄膜沉积结束后,将硅片的温度提高50~150℃,抽走磁控溅射腔体中气体,然后充入H2,继续退火2~20min;
步骤5:在硅片背面印刷Al背场和Ag电极;
步骤6:在硅片正面ITO薄膜上仅印刷Ag主栅线。
由上述制备方法获得的晶体硅太阳能电池结构如图2所示。它由下而上包括:背面Ag电极1、Al背场2、P型Si基片3、N+层4、ITO复合导电薄膜7、ITO薄膜层8和Ag主栅线9。其光利用率高、串联电阻小,电池的转换效率能在现有技术的基础上提高0.1%-0.2%。
实施例2:另一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,其中:
步骤1:干法制绒;
步骤4中⑴:将去磷硅玻璃的硅片置于阳极,将ITO陶瓷靶和氮化硅靶放入溅射靶材放置区,通入Ar和H2混合气体,启动射频电源,开始磁控溅射,在N+层上沉积一层ITO复合导电薄膜,根据溅射功率大小控制ITO复合导电薄膜中ITO∶氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3,并使ITO复合导电薄膜的厚度为10~30nm,光透过率为85%~90%,折射率为1.7~1.9,电阻率5×10-4~1×10-3Ω.cm;
步骤4中⑵:将磁控溅射腔中的气体抽走,继续通入Ar和H2混合气体,并将氮化硅溅射靶材屏蔽,再次开始磁控溅射,在ITO复合导电薄膜上沉积一层纯的ITO薄膜,控制ITO薄膜厚度为30~80nm,光透过率为92%以上,折射率为1.8~1.9,电阻率为1×10-5~3×10-4Ω.cm;
其余各步骤均与实施例1相同。
实施例3:又一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,其中:
步骤4中⑴:将去磷硅玻璃的硅片置于阳极,将ITO陶瓷靶、二氧化硅靶和氮化硅靶放入溅射靶材放置区,通入Ar和H2混合气体,启动射频电源,开始磁控溅射,在N+层上沉积一层ITO复合导电薄膜,根据溅射功率大小控制ITO复合导电薄膜中ITO∶二氧化硅∶氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3∶0.01~0.3,并使ITO复合导电薄膜的厚度为10~30nm,光透过率为85%~90%,折射率为1.7~1.9,电阻率5×10-4~1×10-3Ω.cm;
步骤4中⑵:将磁控溅射腔中的气体抽走,继续通入Ar和H2混合气体,并将二氧化硅和氮化硅溅射靶材屏蔽,再次开始磁控溅射,在ITO复合导电薄膜上沉积一层纯的ITO薄膜,控制ITO薄膜厚度为30~80nm,光透过率为92%以上,折射率为1.8~1.9,电阻率为1×10-5~3×10-4Ω.cm;
其余各步骤均与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,包括制绒、热扩散制p-n结、去磷硅玻璃、制备ITO电极、背面印刷Al背场和Ag电极、正面印刷Ag主栅线,所述的制备ITO电极在磁控溅射设备中进行,其特征在于,所述的制备ITO电极按照以下步骤进行:
⑴将去磷硅玻璃的硅片置于阳极,将ITO陶瓷靶以及二氧化硅靶和/或氮化硅靶置于阴极,通入Ar和H2混合气体,启动射频电源,开始磁控溅射,在N+层上沉积一层ITO复合导电薄膜,根据溅射功率大小控制ITO复合导电薄膜中ITO∶二氧化硅∶氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3∶0.01~0.3,或者ITO∶二氧化硅或氮化硅的摩尔比为1∶0.01~0.3,并使ITO复合导电薄膜的厚度为10~30nm,光透过率为85%~90%,折射率为1.7~1.9,电阻率5×10-4~1×10-3Ω.cm;
⑵将磁控溅射腔中的气体抽走,继续通入Ar和H2混合气体,并将ITO陶瓷靶材以外的溅射靶材屏蔽,再次开始磁控溅射,在ITO复合导电薄膜上沉积一层纯的ITO薄膜,控制ITO薄膜厚度为30~80nm,光透过率为92%以上,折射率为1.8~1.9,电阻率为1×10-5~3×10-4Ω.cm;
⑶在磁控溅射工艺过程中,硅片的温度控制在250~400℃,使得ITO复合导电薄膜和ITO薄膜沉积过程中一边沉积一边退火;在ITO薄膜沉积结束后,将硅片的温度提高50~150℃,抽走磁控溅射腔体中气体,然后充入H2,继续退火2~20min。
2.根据权利要求1所述的一种双层结构ITO电极晶体硅太阳能电池的制备方法,其特征在于,退火结束后,在硅片背面印刷Al背场和Ag电极,在硅片正面ITO薄膜上仅印刷Ag主栅线而无需印刷Ag副栅线。
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