本發明屬于光伏領域，具體涉及一種晶硅柔性電池及其制備方法。

背景技術：

目前市面上的太陽能電池很難將柔性、高效以及高電池壽命結合起來。傳統晶硅電池擁有較高的電池效率和穩定性以及電池壽命，但做成柔性電池后，在反復彎折的過程中容易出現裂紋和碎片，反復彎折性不好。而新型的太陽能電池如染料敏化太陽能電池、銅銦錫太陽能電池等，可以做成具有反復彎折的柔性電池，但是這些電池的壽命和穩定性都較差。因此，尋求一種不僅穩定性和壽命高，而且反復彎折性能好的太陽能電池成為當務之急。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有良好陷光結構和大光吸收角、光生載流子吸收長度短、光吸收效率高、光電轉化效率高和彎折性能優異的晶硅柔性電池及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種晶硅柔性電池，所述晶硅柔性電池包括封裝膜和設于封裝膜內的電池組件，所述電池組件由下至上依次由鋁背電極層、單晶硅基底層、圓柱形硅陣列結構層、PN結層、SiNx鈍化層和ITO薄膜層組成。

上述的晶硅柔性電池中，優選的，所述圓柱形硅陣列結構層的陣列單元的直徑為1μm～2μm，陣列單元的高為2μm～4μm，相鄰陣列單元之間的中心間距為3μm～8μm；和/或，所述PN結層的結深為0.2μm～0.42μm；和/或，所述SiNx鈍化層中，Si與N的原子比(即1/x)在0.743與1.014之間，所述SiNx鈍化層的厚度為50nm～80nm。

上述的晶硅柔性電池中，優選的，所述單晶硅基底層的厚度為20μm～100μm；和/或，所述ITO薄膜層的光透過率T＞90％，電阻率ρ＜4×10^-4Ω·cm，折射率n為2.1～2.5。

作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種上述的晶硅柔性電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)化學刻蝕：在單晶硅上進行化學刻蝕，刻蝕出圓柱形硅陣列結構，得到圓柱形硅陣列結構層；

(2)擴散：在圓柱形硅陣列結構層上采用擴散工藝制備PN結，得到PN結層；

(3)制備SiNx鈍化層：在PN結層上采用PECVD工藝制備SiNx鈍化層；

(4)鍍ITO薄膜層：在SiNx鈍化層上采用PECVD工藝鍍ITO薄膜，得到ITO薄膜層(即Sn摻雜In₂O₃薄膜)；

(5)刻蝕硅背面：在步驟(1)保留的單晶硅背面進行刻蝕剪薄，得到單晶硅基底層；

(6)鍍鋁背電極：在單晶硅基底層的背面絲網印刷鋁漿，經燒結后，得到鋁背電極層；

(7)封裝：將步驟(1)～(6)分別制備的各結構層組成的電池組件進行封裝，得到晶硅柔性電池。

上述的晶硅柔性電池的制備方法中，優選的，所述步驟(2)中，所述擴散工藝包括如下過程：先在O₂和N₂氣氛中于600℃～800℃下氧化3min～5min，然后通POCl₃、O₂和N₂，在擴散溫度為800℃～825℃下擴散3min～5min，再升高溫度至810℃～835℃，在POCl₃、O₂和N₂氣氛中深擴散3min～5min，進一步推深PN結。

上述的晶硅柔性電池的制備方法中，優選的，所述步驟(3)中，所述PECVD工藝的條件為：真空壓力為180Pa～230Pa，鍍膜溫度為430℃～450℃，通入SiH₄和NH₃，SiH₄與NH₃的氣體流量比為4200∶500，射頻功率為3500W～4000W。

上述的晶硅柔性電池的制備方法中，優選的，所述步驟(6)中，所述燒結過程如下：先將鋁漿烘干，烘干溫度為100℃～200℃，烘干時間為10min～20min，然后在400℃～450℃下燒結30min～60min，再于600℃～900℃下燒結10min～25min，形成歐姆接觸。

上述的晶硅柔性電池的制備方法中，優選的，所述步驟(7)中，所述封裝的材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本發明中，鋁背電極層的厚度一般為20μm～30μm。

本發明中，SiNx充當鈍化層、光吸收層的作用，當折射率最小時，三層折射率之間符合以下關系：

其中，n₁為SiNx的折射率，n₀為單晶硅的折射率，n₀＝2.39，n₂為封裝材料PDMS的折射率，n₂＝1.40，根據公式(1)可知SiNx的折射率，n₁＝1.83薄膜的效果光學性質最優，為了提高少子壽命，n₁取1.9-2.1之間；

根據SiNx的折射率與Si與N元素含量比(原子比)的經驗公式：

Si與N比(即1/x)在0.743與1.014之間。

本發明的創新點在于：

本發明在傳統晶硅電池的基礎上，設計出一種全新的晶硅電池結構，可以反復彎折，是一種高效的柔性電池。本發明是一種3D結構的太陽能電池，在圓柱形硅陣列結構上形成PN結，具有良好的陷光性能，短的光生載流子吸收長度，電池效率高，特殊的3-D微米棒結構可使晶硅柔性電池彎折或者重復彎折，很難產生裂紋，彎曲對電池性能的影響非常小，電池壽命更高。考慮到晶硅具有較長的少子擴散長度，且硅表面有較高的激子復合率，因此圓柱狀硅陣列結構進行了優化，將納米棒的尺度定在微米數量級，這樣在保證這種新型電池在具有較的光吸收效率、光電轉化效率的同時，降低由于表面復合而造成的損耗。本發明在鍍透明導電層ITO之后，擁有刻蝕剪薄的過程，使其更適合于柔性電池。本發明不需要焊接光柵，減少了增光面積，簡化了制備步驟，有益于提高產能，降低成本。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

1、本發明制備的晶硅柔性電池具有與現有技術完全不同的結構設計，特別是具有特殊的3-D微米棒結構(即圓柱形陣列結構)，這種特殊的3-D微米棒結構在彎折或者重復彎折時很難產生裂紋，彎曲對電池性能的影響非常小，電池壽命更高。

2、本發明制備的晶硅柔性電池的光吸收效率更高：(1)擁有良好的陷光結構，大光吸收角；(2)短的光子吸收長度；(3)不需要光柵，可減少遮光面積。

3、本發明制備的晶硅柔性電池的光電轉化效率更高：(1)短的光生載流子吸收長度；(2)更大的PN結面積，可及時進行光電轉化；(3)硅具有較長的少子擴散長度，且硅表面有較高的激子復合率，因此圓柱狀硅陣列結構的尺度在微米數量級，這樣在保證這種新型電池在具有較高的光吸收效率、光電轉化效率的同時，降低由于表面復合而造成的損耗。

附圖說明

圖1為本發明的晶硅柔性電池的結構示意圖。

圖例說明：

1、鋁背電極層；2、單晶硅基底層；3、圓柱形硅陣列結構層；4、PN結層；5、SiNx鈍化層；6、ITO薄膜層；7、封裝膜。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而限制本發明的保護范圍。

以下實施例中所采用的材料和儀器均為市售。

實施例：

一種本發明的晶硅柔性電池，如圖1所示，該晶硅柔性電池包括封裝膜7和設于封裝膜7內的電池組件，電池組件由下至上依次由鋁背電極層1、單晶硅基底層2、圓柱形硅陣列結構層3、PN結層4、SiNx鈍化層5和ITO薄膜層6組成。

本實施例中，圓柱形硅陣列結構層3的陣列單元的直徑為1.511μm，陣列單元的高為3.24μm，相鄰陣列單元之間的中心間距為5.32μm。PN結層4的結深為0.252μm；SiNx鈍化層5中，Si與N的原子比為0.875，SiNx鈍化層5的厚度為68nm。

本實施例中，單晶硅基底層2的厚度為55μm；ITO薄膜層6的光透過率T＞90％，電阻率ρ＜4×10^-4Ω·cm，折射率n為2.1，鋁背電極層1的厚度為27μm。

一種上述本實施例的晶硅柔性電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)化學刻蝕：在單晶硅上進行化學刻蝕，刻蝕出圓柱形硅陣列結構，得到圓柱形硅陣列結構層3；

(2)擴散：在圓柱形硅陣列結構層3上采用擴散工藝制備PN結，得到PN結層4；

(3)制備SiNx鈍化層5：在PN結層4上采用PECVD工藝制備SiNx鈍化層5，其中，Si與N的原子比為0.875；

(4)鍍ITO薄膜層6：在SiNx鈍化層5上采用PECVD工藝鍍ITO薄膜，得到ITO薄膜層6；

(5)刻蝕硅背面：在步驟(1)保留的單晶硅背面進行刻蝕剪薄，使單晶硅的厚度為55μm，得到單晶硅基底層2；

(6)鍍鋁背電極：在單晶硅基底層2的背面采用絲網印刷刷涂鋁漿，經燒結后，得到鋁背電極層1；此時也得到了電池組件，即步驟(1)～步驟(6)制備的各結構層共同組成了電池組件；

(7)封裝：采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對電池組件進行封裝，形成封裝膜7，最終得到晶硅柔性電池。

本實施例的步驟(2)中，擴散工藝條件為：先將帶圓柱形硅陣列結構層3的單晶硅在O₂和N₂氣氛中于800℃下氧化3min，然后通POCl₃、O₂和N₂，在擴散溫度為825℃下擴散5min，再升高溫度至835℃，在POCl₃、O₂和N₂氣氛中深擴散5min，進一步推深PN結。

本實施例的步驟(3)中，制備SiNx鈍化層的PECVD工藝條件為：將步驟(2)得到的中間產品放入PECVD管中進行鈍化膜的生長，抽真空至真空度為226.65Pa，并將爐管溫度升至430℃，通入SiH₄和NH₃，SiH₄與NH₃的氣體流量比為4200sccm∶500sccm(單位為每分鐘標準立方厘米)，射頻功率為3800W。

本實施例的步驟(6)中，先將鋁漿烘干，烘干溫度為150℃，烘干時間為10min，然后在400℃下燒結45min，再于800℃下燒結10min，形成歐姆接觸。

經檢測，本發明制備的晶硅柔性電池(3-D微米棒結構)在入射角0～60°時，電池效率沒有變化，而普通晶硅電池當入射角到60°時電池效率下降12％。可見本發明的晶硅柔性電池具有良好的陷光結構和大光吸收角。

普通晶硅電池光生載流子擴散長度為產生光生載流子的位置到細柵線的距離，這取決于細柵的距離，為厘米的量級。而本發明的光生載流子擴散長度為圓柱形硅陣列結構上PN結到ITO的距離(即PN結的深度加上SiNx鈍化層的厚度)，PN結深H可在.2μm～0.42μm，一般為0.252μm，可見本發明大大降低了光生載流子吸收長度，可大大提高電池的電學性能。

本發明的晶硅柔性電池在200次反復彎折試驗后，沒有出現裂紋、氣泡或者破損，其電池為初始效率的93％。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神實質和技術方案的情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。