使用过渡金属氧化物的高效空穴传输层的方法技术

本发明专利技术属于制造具有透明触点和改进的空穴传输层的太阳能电池或光伏(PV)电池的方法领域。所述太阳能电池包括至少一个异质结并且典型地包括两个异质结。本发明专利技术提供具有良好操作特征，例如在转换效率、填充因子和电流增益方面具有良好操作特征的太阳能电池。方面具有良好操作特征的太阳能电池。方面具有良好操作特征的太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用过渡金属氧化物的高效空穴传输层的方法


[0001]本专利技术属于制造具有透明触点和改进的空穴传输层的太阳能电池或光伏(PV)电池的方法领域。所述太阳能电池包含至少一个异质结并且典型地包含两个异质结。本专利技术提供具有良好操作特征，例如在转换效率、填充因子和电流增益方面具有良好操作特征的太阳能电池。

技术介绍

[0002]太阳能电池或光伏(PV)电池是通过所谓的光伏效应将光能，典型地日光能(因此称为“太阳能(solar)”)直接转换成电能的一种电气装置。太阳能电池可被视为光电电池，它具有当暴露于光时会变化并且随电池的类型变化而变化的电特征，例如电流、电压、电阻和填充因子。
[0003]无论来源是日光还是人造光，太阳能电池都被描述为光伏电池。它们还可以用作光电检测器。
[0004]当太阳能电池吸收光时，它可以产生电子
‑
空穴对或激子。为了获得电流，相反类型的电荷载流子被隔开。隔开的电荷载流子被“提取(extracted)”至外部电路，典型地提供DC电流。在实际使用中，DC电流可例如通过使用变压器变换为AC电流。
[0005]典型地，将太阳能电池集合成元件阵列。多个元件可形成面板(panel)，并且多个面板可形成系统。
[0006]晶片型c
‑
Si太阳能电池占总PV市场的超过90％。根据近期预测，在2020年以及之后许多年里，将一直保持这一趋势。由于方法简化，常规的c
‑
Si太阳能电池占据了大部分的市场。作为行业提高功率与成本比的替代方案，硅异质结方法对于PV行业来说变得越来越有吸引力，不过部署适当前层，例如透明导电氧化物(TCO)的方法相对较复杂以及电池固有的低热预算限制了现有生产线的使用，并且因此导致迄今为止其市场份额微不足道。异质结是在两个不相似的晶体半导体层或区域之间出现的界面。与同质结相反，这些半导电材料具有不相等的带隙。同质结涉及典型地由两个类似半导体材料层形成的半导体界面，其中这些半导体材料具有相等的带隙并且典型地具有不同掺杂(在浓度、类型或两者方面都不同)。一个常见的实例是在n型层与p型层之间的界面处的同质结，称为p
‑
n结。在异质结中，使用了先进的技术来精确地控制所涉及的层的沉积厚度以及产生晶格相配的突变界面。异质结可分为三种类型，即跨接间隙(straddling gas)、交错间隙(staggered gap)和断裂间隙(broken gap)。
[0007]太阳能电池的一个缺点是，转换本身并不是很高效，典型地，对于Si
‑
太阳能电池，限于约20％。理论上，单p
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n结晶体硅装置具有约30％的最大功率效率。无限个层可达到86％的最大功率效率。目前，太阳能电池本身所实现的最高比率是约44％。对于市售的硅太阳能电池，记录是约25.6％。考虑到效率，可将前触点移动至后侧或背侧，由此消除阴影区。此外，还将薄硅膜施加至晶片上。太阳能电池还存在各种缺陷，例如复合损失、反射损失、使用过程中的发热、热力学损失、阴影、例如分流电阻和串联电阻的内电阻、泄漏等。太阳能电
池性能的一个技术指标是填充因子(FF)。填充因子可定义为实际最大可获得的功率与开路电压和短路电流的乘积的比率。所述比率被认为是性能评估的关键参数。典型的先进市售太阳能电池具有>0.75的填充因子，而不太先进的电池具有在0.4与0.7之间的填充因子。具有高填充因子的电池典型地具有低等效串联电阻和高等效分流电阻；换句话说，出现较少内部损失。效率仍在不断地提高，因此，每个相对较小的提高都是受欢迎的并且具有重要意义。
[0008]在多层结构方面，涉及所谓的功函数。在物理学中，功函数涉及将电子从固体移到在固体表面外部的真空中的一个点所需的最小热力学功(即，能量)。此处，“外部”意指最终电子位置在原子尺度上远离所述表面，但仍距固体太近而受到真空中环境电场的影响。功函数被认为不是块状材料的特性，而实际上是材料表面的特性，并因此取决于晶面和可能的污染、表面电荷等。功函数可以用eV表示。典型地，在两种不同材料之间的界面处存在失配，例如就功函数来说。在所述界面处会出现功函数“损失”。
[0009]目前，具有全面积前钝化触点的太阳能电池并不具有吸引力，这例如是因为用于构建此类结构的材料的吸收性高。重掺杂多晶硅和a
‑
Si层正是这种情况。在多晶硅情形中，所述方法需要极薄的多晶硅膜以最大限度地减少寄生吸收损失，而在a
‑
Si的情形中，所述方法需要例如额外的透明导电氧化物(TCO)层来支撑载流子的横向传输。
[0010]鉴于过渡金属氧化物(TMO)能够诱导高效载流子选择性并且减少寄生吸收损失，从而产生明显的电流增益，可以考虑将TMO用于c
‑
Si型异质结(SHJ)太阳能电池。在众多TMO中，氧化钼(MoO
x
)有望用作空穴传输层(HTL)。实际上，MoO
x
层与薄本征钝化a
‑
Si:H层和透明导电氧化物(TCO)的组合展示出23.5％的转换效率。然而，与常规的SHJ电池相比，(i)a
‑
Si:H/MoO
x
在空气/水分中展现出较弱的热稳定性，阻碍了载流子选择性。因此，相较于具有掺杂硅载流子选择性HTL的太阳能电池，带有TMO的装置通常具有较低的填充因子(FF)和可能的S形J
‑
V特征。
[0011]Ziegler等人在“用于硅异质结太阳能电池的等离子体增强原子层沉积的MoOx发射极(Plasma
‑
enhanced atomic
‑
layer
‑
deposited MoOx emitters for silicon heterojunction solar cells)”,《应用物理学.A(Appl.Phys.A)》(2015),120:811
‑
816)中叙述了一种在低于200℃的温度下，基于等离子体增强原子层沉积(PE
‑
ALD)以高生长速率沉积MoO
x
来沉积氧化物钼(MoO
x
)的方法。过量化学计量的MoO
x
膜的化学计量可根据等离子体参数调整。最先提出并论述了这些层在硅异质结(SHJ)太阳能电池中充当空穴选择性触点的结果。Kawa在“用于硅基太阳能电池的空穴选择性触点中的氧化钼(Molybdenum Oxide in Hole
‑
selective Contacts for Silicon
‑
based Solar Cells)”,(《硕士论文(Master Thesis.)》TUDelft,2019年9月)中叙述了一项有关将MoO
x
引入太阳能电池的前触点中的研究。为此，沿着制造过程与温度敏感性一起评估钝化的演变。所述层的施加会对钝化质量产生负面影响。此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种单结或异质结Si基太阳能电池(100)，所述太阳能电池包括空穴传输层(12)，其特征在于所述空穴传输层(12)包括至少一种过渡金属氧化物，其中所述空穴传输层(12)具有1.5
‑
9nm的厚度，其中所述空穴传输层(12)被设置于等离子体预处理层(12a)上，其中所述等离子体预处理层是表面钝化层，其中所述表面钝化层是a
‑
Si:H预处理过的层。2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述表面钝化层还包括设置于所述a
‑
Si:H预处理过的层上的硅预处理过的层。3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其中组合的空穴传输层(12)/预处理层(12a)的功函数损失<1.0eV，优选地<0.6eV，更优选地<0.5eV，例如<0.35eV，和/或其中所述等离子体预处理过的表面层的偶极矩<4C/m，优选地<2C/m，更优选地<1C/m，例如<0.7C/m。4.根据权利要求1至3中任一项所述的太阳能电池，其中所述预处理层(12a)是通过用等离子体混合物进行PECVD处理而获得，所述等离子体混合物包括含正掺杂剂的气体，例如含B、Al或Ga的掺杂剂气体，例如B2H6，优选地包括SiH4、H2和气态p掺杂剂。5.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池，其中所述预处理层(12a)包括纳米晶Si、弛豫界面、p掺杂剂、非晶Si、正电荷或其组合。6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池，其中预处理时间为10
‑
1000秒、优选地20
‑
300秒、例如30
‑
100秒，和/或其中预处理期间的功率密度是50
‑
350mW/cm2，优选地是70
‑
200mW/cm2，更优选地是80
‑
100mW/cm2，例如是90mW/cm2，和/或其中预处理在<523K、优选地<473K、更优选地<443K的温度下进行，和/或其中等离子体压力是50
‑
400Pa，优选地是100
‑
300Pa，更优选地是150
‑
250Pa，例如220Pa，和/或其中所述预处理层基本上不含SiO2，例如具有小于1％的SiO2/预处理过的层(原子/原子)，更优选地<1000ppm，甚至更优选地<100ppm，例如<10ppm，和/或条件是不提供所述a
‑
Si:H层的退火，和/或条件是不提供所述a
‑
Si:H层的化学蚀刻，优选地完全不进行化学蚀刻。7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳能电池，其中所述空穴传输层(12)具有2
‑
7nm、优选地2.5
‑
5nm、例如3
‑
4nm的厚度，和/或其中所述空穴传输层(12)在3
‑
4eV范围内具有<20
×
104cm
‑1、优选地<10
×
104cm
‑1的吸收系数，和/或其中所述空穴传输层(12)具有1
‑
2mA/cm2的电流增益。8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳能电池，其中所述空穴传输层(12)是结构化的，例如包括锯齿形结构，包括随机锥形，纹理化，优选地具有1
‑
7μm、例如2
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5μm的高度，以及其组合。9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池，其中所述空穴传输层(12)被设置在透明...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗，
申请(专利权)人：代尔夫特理工大学，
类型：发明
国别省市：