CN105870212B - 一种晶体硅太阳能电池二维电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种晶体硅太阳能电池二维电极及其制备方法，所述的二维电极设置在晶硅电池正面和/或背面，包括：局部接触金属电极、透明导电膜和金属电极；局部接触金属电极以规则图案方式排布在减反射膜/钝化膜上，且金属电极穿透减反射膜/钝化膜与晶体硅片形成局部欧姆接触；透明导电膜设置在减反射膜/钝化膜和局部接触金属电极上，金属电极设置在透明导电膜之上，透明导电膜将其上、下的金属电极连接成为晶体硅太阳能电池电极的导电组合体。该电极显著减少了金属电极的遮光面积与浆料的使用量，同时保证了电极良好的导电性，很好的平衡了晶硅电极光遮挡与导电性之间的两难问题，使电池的转换效率提升、生产成本降低。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种晶体硅太阳能电池二维电极及其制备方法。
背景技术
自1954年第一块太阳能电池在贝尔实验室诞生以来，晶体硅太阳能电池得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前，晶体硅太阳能电池占太阳能电池全球市场总额的80％以上，晶体硅电池片的产线转换效率目前已突破20％，全球年新增装机容量约50GW且增速明显，与火力发电的度电成本不断缩小，在未来几年有望与之持平。晶体硅太阳能电池作为一种清洁能源在改变能源结构、缓解环境压力等方面的重要作用日益凸显。
晶体硅太阳能电池要想继续保持竞争力、获得更大的发展与应用，必须进一步提高转换效率，同时降低生产成本。目前晶体硅电池的受光面电极采用银浆丝网印刷的方式形成近百条细栅和若干条主栅，此工序使用的物料成本昂贵，且银电极会造成电池片表面5％--7％的面积形成对光的遮挡，大大降低了电池片的转换效率。
如何在减少遮光面积与保持良好的导电性之间进行平衡，是近几年晶体硅电池技术研究的一个重点。由于浆料技术与印刷技术的进步，晶体硅电池的受光面电极细栅宽度不断减小，根据SEMI预测，到2020年细栅的宽度将减小至35微米以下，同时主栅采用多主栅及无主栅。在这个栅线细化技术过程中，电极的遮光面积有所下降，导电性有所提升，同时获得了效率的提升与成本的下降。但随着栅线宽度的不断减小，电极制备的工艺难度不断加大，进一步提高效率、降低生产成本的空间缩小。
为了彻底解决金属电极的光遮挡及成本问题，透明导电膜在晶体硅电池中的应用日益受到重视。有人提出采用透明导电膜取代金属细栅，但该方法由于仍保留了主栅，电极的光遮面积减少幅度有限，且细栅的取消会造成导电性变差，影响转换效率。还有人采用不同导电率的透明导电膜完全替代受光面金属电极与减反射膜，但该方法自提出至今十余年无法实现量产。还有人将透明导电膜应用于MWT技术，但实现工艺复杂，不易于控制与降低成本。
发明内容
本发明的目的是提供了一种晶体硅太阳能电池二维电极及其制备方法，该电极显著减少了金属电极的遮光面积与浆料的使用量，同时保证了电极良好的导电性，很好的平衡了晶硅电极光遮挡与导电性之间的两难问题，使电池的转换效率提升、生产成本降低。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种晶体硅太阳能电池二维电极，所述的二维电极设置在晶硅电池正面和/或背面，包括：透明导电膜、局部接触金属电极和金属电极；局部接触金属电极以规则图案方式排布在晶体硅太阳能电池的减反射膜/钝化膜上，且局部接触金属电极穿透减反射膜/钝化膜与晶体硅片形成局部欧姆接触；所述金属电极设置于透明导电膜之上；所述的透明导电膜设置在减反射膜/钝化膜及局部接触金属电极之上，并将形成局部欧姆接触的局部接触金属电极及金属电极连接成为晶体硅太阳能电池电极的导电组合体。
所述的透明导电膜为ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨烯薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜的厚度为50～500nm。
穿透减反射膜/钝化膜的局部接触金属电极采用阵列图案排布，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm。
所述二维几何图形的尺寸为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。
金属电极的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm。
所述的局部接触金属电极与金属电极为银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极或金属复合电极。
一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，包括以下步骤：
1)先将晶体硅片依次经过制绒、扩散、刻蚀及沉积减反射膜/钝化膜；
2)在减反射膜/钝化膜上制作与晶体硅片形成局部欧姆接触的局部接触金属电极，制作的方法为：将金属浆料按阵列图案涂敷在晶体硅片的表面，再通过300～900℃热处理得到；或按规则图案对晶体硅片表面的减反射膜/钝化膜进行开孔，再在开孔处制备局部接触金属电极，然后经过200～500℃退火处理得到；
3)在局部接触金属电极上采用溅射、气相沉积、3D打印、印刷、喷涂工艺制作透明导电膜，再在透明导电膜上制作金属电极，透明导电膜将局部接触的局部接触金属电极和金属电极连接成为晶体硅太阳能电池二维电极的导电组合体。
步骤2)中：采用丝网印刷、激光转印、喷墨或3D打印将金属浆料按阵列图案涂敷在晶体硅片的表面；或采用激光或化学腐蚀进行开孔，随后采用气相沉积、光诱导镀或电镀方法在开孔处制备局部接触金属电极。
所述的晶体硅片为P型或者N型的单晶硅片、P型或者N型的多晶硅片。
所述的局部接触金属电极下方的局部硅基体为重掺杂或一般掺杂，重掺杂的方阻为5～50Ω/□，一般掺杂的方阻为50～150Ω/□。
所述的二维电极形成于P型或N型硅基体的表面，或形成于P型或N型发射极表面。
减反射膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、碳化硅薄膜和氧化钛薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为50～100nm；钝化膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化铝薄膜和非晶硅薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为5～50nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的晶体硅太阳能电池二维电极，是在晶硅电池的正面或背面电极采用金属电极与透明导电膜协同作用的形式，局部接触金属电极以特定阵列图形穿透减反射膜与硅基体形成良好的局部欧姆接触，金属电极位于透明导电膜之上，透明导电膜将其上、下的金属电极连接成为一个可作为晶硅电池电极的导电组合体。本发明所述电极可以部分替代传统电池电极的金属细栅和主栅，或者在优化主栅的情况下替代细栅线。采用透明导电膜/金属复合电极作为晶硅电池正面或背面电极的导电整体，使电池片的受光面积增加了3％～5％，同时保持了电极良好的导电性，使晶体硅电池的转换效率显著提升。此外，金属浆料的使用量大幅减少，使得生产成本显著降低，且生产上易于实现、控制。很好的平衡了晶硅电极光遮挡与导电性之间的两难问题，使电池的转换效率提升、生产成本降低。
进一步，透明导电膜之下的局部接触金属电极图案采用点状阵列、线段状阵列或栅线状，与晶体硅片接触点多，能够保证局部欧姆接触良好的同时，减少金属浆料的使用量；透明导电膜之上的金属电极图案采用大间距栅线状，以利于电流的汇集和电池之间的连接。
本发明的晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，透明导电膜之下的局部接触金属电极可采用丝网印刷按特定图形将金属浆料涂敷在电池的表面，再通过烧结形成；还可以按特定图形对电池表面的减反射膜/钝化膜进行局部开孔，然后在开孔处制备导电金属，再经过退火，形成欧姆接触。制备方法简单，原料易得，电池导电性良好。
附图说明
图1是基于正面二维电极的晶体硅电池剖面示意图。
图2是基于背面二维电极的晶体硅电池剖面示意图。
图3是点状局部接触金属电极图案示意图。
图4是线段状局部接触金属电极图案示意图。
其中，1、透明导电膜，2、局部接触金属电极，3、钝化膜/钝化膜，4、晶体硅片，5、金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1和图2，本发明的一种晶体硅太阳能电池二维电极，可应用于晶硅电池的正面、背面电极或者双面太阳能电池电极，采用局部接触金属电极2、金属电极5、透明导电膜协同作用的形式，电极包括：局部接触金属电极2、透明导电膜1和金属电极5；电池的减反射膜/钝化膜3设置在晶硅电池的晶体硅片4表面；局部接触金属电极2以特定阵列图形(二维电极的图形可以采用点状阵列、线段状阵列、栅线状，优先采用点状阵列和线段状阵列图形，见示意图3、4)穿透减反射膜/钝化膜3与硅基体形成良好的局部欧姆接触；透明导电膜1位于局部接触金属电极2之上，金属电极5位于透明导电膜1之上，透明导电膜1将分散的局部接触金属电极2及金属电极5连接成为一个可作为晶硅电池电极的导电组合体。本发明所述电极可以部分替代传统电池电极的金属细栅和主栅，或者在优化主栅的情况下替代细栅线。
上述晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，包括下述步骤：
晶体硅片4经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜3等工序处理，晶体硅片4可以是P型或者N型的单晶硅片、多晶硅片，随后晶硅电池的电极制作按如下步骤。
按特定的图形在晶硅电池的正面和/或背面上制作与硅基体局部接触的阵列分布的局部接触金属电极2，制作可以采用丝网印刷的方法，及激光或化学腐蚀协同气相沉积、光诱导镀、电镀等的方法。金属电极图案可以是为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm。二维几何图形的尺寸为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。具体的，如图3和图4所示，点状图案的直径在50～200um之间，点与点之间的间距在0.8～2mm之间；线段状图案的线宽在40～100um之间，长度在0.05～1.5mm之间，同一行中相邻两个线段电极的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线段电极的间距为0.5～2mm。
阵列状分布的局部接触金属电极2实现的方法有：丝网印刷、激光或化学腐蚀协同气相沉积、光诱导镀、电镀等的方法，优先采用丝网印刷、激光或化学腐蚀协同气相沉积的方法：
①采用丝网印刷按特定图形将金属浆料涂敷在电池的表面，再通过烧结使金属浆料穿透减反射膜及钝化膜3，与硅基体形成良好的欧姆接触；
②采用激光或化学腐蚀按特定图形对电池表面的减反射膜或钝化膜进行开孔，然后再采用气相沉积、光诱导镀、电镀等方法在开孔处制备导电金属，然后经过退火，使阵列分布的金属与硅基体形成良好的欧姆接触。
在阵列分布的局部接触金属电极2上制作透明导电膜1，透明导电膜1可以是ITO(铟锡氧化物)、AZO(掺铝氧化锌)、FTO(掺氟氧化锡)、IWO(掺钨氧化铟)、石墨烯等，制作的方法可以采用溅射、印刷、气相沉积、喷涂等，透明导电膜1的厚度控制在100～500nm。
在透明导电膜1上制作金属电极5，金属电极5的图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，本发明不限于以下实施例。
实施例1：
(1)P型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)在正面采用丝网印刷的方法制作点状银电极，单个点的直径为50um，点与点之间的间距为0.8mm；
(3)在炉体中进行300～900℃下烧结，正面点状银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在点状局部接触银电极上采用溅射法制备100nm的AZO透明导电膜；
(5)在AZO透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银栅线电极，电极图案由1组等距平行的栅线构成，栅线数量为20根，栅线宽度为20um。之后进行热处理。
(6)制作背面电极，此工序也可以在步骤(5)中同步完成。
实施例2：
(1)P型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)在正面与背面采用丝网印刷的方法分别制作点状银电极，单个点的直径为100um，点与点之间的间距为1.5mm；
(3)在炉体中进行300～900℃下烧结，电池正面与背面的点状银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在点状局部接触电极上采用溅射法制备110nm的ITO透明导电膜；
(5)在ITO透明导电膜上采用喷墨的方法制备银电极，电极图案为一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为30根，截面宽度为30um；主栅为4根，截面宽度为1mm。
(6)在200～500℃下进行退火处理。
实施例3：
(1)P型多晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)采用掩膜与化学腐蚀相结合的方法按特定图形对正面与背面的减反射膜进行开孔，特定图案采用线段状阵列，线段的长度为50um，宽度为40um，线段与线段之间的间距为0.5mm。再采用PVD物理气相沉积的方法在正面与背面的开孔处分别沉积镍和铝导电膜，然后经过200～500℃退火处理，最后采用电镀的方法在正面的镍导电膜上先后沉积铜与银导电膜、在背面的铝导电膜上沉积银导电膜；
(3)在正面和背面的线段状电极上采用化学气相沉积的方法制备80nm的石墨烯透明导电膜；
(4)在石墨烯透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银栅线电极，电极图案由10组相互平行的等距平行栅线构成，每组栅线为30根，截面宽度为20um，相邻两组平行栅线之间的间距为2mm。之后进行热处理。
实施例4：
(1)N型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜及减反射膜等工序处理；
(2)在正面采用激光按特定图形对电池表面的减反射膜及钝化膜进行开孔，特定图案采用点状阵列，单个点的直径为100um，点与点之间的间距为1.5mm。然后采用PVD物理气相沉积的方法在开孔处沉积银导电膜；
(3)在200～500℃下进行退火处理，使阵列分布的点状银导电膜与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在点状局部接触银电极上采用溅射法制备150nm的FTO透明导电膜；
(5)在FTO透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银栅线电极，电极图案由1组等距平行的栅线构成，栅线数量为20根，栅线宽度为20um。之后进行热处理。
(6)制作背面电极，此工序也可以在步骤(5)中同步完成。
实施例5：
(1)N型单晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜/减反射膜等工序处理；
(2)在受光面采用丝网印刷的方法制作线段状银电极，线段的长度为200um，宽度为80um，线段与线段之间的间距为1mm；
(3)在炉体中进行300～800℃下烧结，受光面的线段状银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在线段状电极上采用溅射法制备100nm的IWO透明导电膜；
(5)在IWO透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银电极，电极图案由1组等距平行的栅线构成，栅线数量为40根，栅线宽度为30um；
(6)制作背面电极。
实施例6：
(1)N型多晶硅片经过制绒、扩散、刻蚀、沉积钝化膜/减反射膜、制作背电极等工序处理；
(2)在受光面采用丝网印刷的方法制作线段状银电极，线段的长度为1.5mm，宽度为100um，线段与线段之间的间距为2mm；
(3)在炉体中进行300～800℃下烧结，受光面的线段状银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
(4)在线段状电极上采用溅射法制备500nm的AZO透明导电膜，该透明导电膜与线段状银共同形成电池的受光面电极。
以上所述仅为本发明的几种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，所述的二维电极设置在晶硅电池正面和/或背面，包括：透明导电膜(1)、局部接触金属电极(2)和金属电极(5)；局部接触金属电极(2)以规则图案方式排布在晶体硅太阳能电池的减反射膜/钝化膜(3)上，且局部接触金属电极(2)穿透减反射膜/钝化膜(3)与晶体硅片(4)形成局部欧姆接触；所述的透明导电膜(1)覆盖在减反射膜/钝化膜(3)及局部接触金属电极(2)上，金属电极(5)设置在透明导电膜(1)表面且与局部接触金属电极(2)不接触；透明导电膜(1)连接局部接触金属电极(2)和金属电极(5)形成晶体硅太阳能电池电极的导电组合体。
2.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，所述的透明导电膜(1)为ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨烯薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜(1)的厚度为50～500nm。
3.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，穿透减反射膜/钝化膜(3)的局部接触金属电极(2)采用阵列图案排布，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形或扇形。
4.根据权利要求3所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm。
5.根据权利要求3所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，所述二维几何图形中，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，金属电极(5)的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm。
7.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极，其特征在于，所述的局部接触金属电极(2)与金属电极(5)均为银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极或金属复合电极。
8.一种如权利要求1至7任意一项所述的晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)先将晶体硅片(4)依次经过制绒、扩散、刻蚀及沉积减反射膜/钝化膜(3)；
2)在减反射膜/钝化膜(3)上制作与晶体硅片(4)形成局部欧姆接触的局部接触金属电极(2)，制作的方法为：将金属浆料按阵列图案涂敷在晶体硅片(4)的表面，再通过300～900℃热处理得到；或按规则图案对晶体硅片(4)表面的减反射膜/钝化膜(3)进行开孔，再在开孔处制备局部接触金属电极(2)，然后经过200～500℃退火处理得到；
3)在局部接触金属电极(2)上采用溅射、气相沉积、3D打印、印刷、喷涂工艺制作透明导电膜(1)，再在透明导电膜(1)上制作金属电极(5)，透明导电膜(1)将局部接触的局部接触金属电极(2)和金属电极(5)连接成为晶体硅太阳能电池二维电极的导电组合体。
9.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，步骤2)中：采用丝网印刷、激光转印、喷墨或3D打印将金属浆料按阵列图案涂敷在晶体硅片(4)的表面；或采用激光或化学腐蚀进行开孔，随后采用气相沉积、光诱导镀或电镀方法在开孔处制备局部接触金属电极(2)。
10.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，所述的晶体硅片(4)为P型或者N型的单晶硅片、P型或者N型的多晶硅片。
11.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，所述的局部接触金属电极(2)下方的局部硅基体为重掺杂或一般掺杂，重掺杂的方阻为5～50Ω/□，一般掺杂的方阻为50～150Ω/□。
12.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，所述的二维电极形成于P型或N型硅基体的表面，或形成于P型或N型发射极表面。
13.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池二维电极的制备方法，其特征在于，减反射膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、碳化硅薄膜和氧化钛薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为50～100nm；钝化膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化铝薄膜和非晶硅薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为5～50nm。
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