CN120603332B - 一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池及制备方法。该电池包括背面结构和正面结构，背面结构包括电极层，正面结构包括单晶硅基底和与单晶硅基底接触的宽禁带半导体膜层，宽禁带半导体膜层和单晶硅基底形成异质结；宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV且厚度为20nm‑100nm，能够在紫外波段吸收光子并产生光生载流子，光生载流子能够经由异质结注入单晶硅基底，并最终输运至电极层参与光电转换。本发明方案提升了TOPCon背接触太阳能电池的紫外稳定性与转换效率。

Description

一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池及制备方法。

背景技术

TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）背接触太阳电池将正负极均布置在电池背面，从而使电池正面实现无金属遮挡，提高了入射光利用率，同时提升外观一致性与器件效率。当前量产TOPCon电池效率已突破26%，成为光伏产业主流高效技术路线。

然而，在实际应用中，TOPCon背接触电池在紫外光，尤其是200nm-400nm波段的照射下易出现性能衰退问题，即紫外衰减（UVID）现象。研究表明，紫外辐照易导致硅表面Si-H键断裂、界面态密度增加，从而削弱钝化效果，提升表面复合，降低器件寿命和稳定性。当前主流应对方法是在正面增加厚度较大的AlO_x层，以反射大部分紫外光，避免其进入电池主结构。然而，该方法同时增加了可见光的寄生反射和吸收，典型效率损失达0.2%左右。

因此，迫切需要一种能够兼顾紫外光吸收与低反射，同时具有良好界面钝化性能的新型结构。

发明内容

为了解决以上问题，根据本发明的第一方面，提供了一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，包括背面结构和正面结构，所述背面结构包括电极层，所述正面结构包括单晶硅基底和与所述单晶硅基底接触的宽禁带半导体膜层，所述宽禁带半导体膜层和所述单晶硅基底形成异质结；

所述宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm，能够在紫外波段吸收光子并产生光生载流子，所述光生载流子能够经由所述异质结注入所述单晶硅基底，并最终输运至所述电极层参与光电转换。

可选地，所述宽禁带半导体膜层为单层或由一种或多种宽带隙半导体材料组成的多层复合结构。

可选地，所述多层复合结构中相邻层之间的导带台阶绝对值变化小于或等于0.2eV。

可选地，所述多层复合结构中每一层厚度为10nm-40nm；

所述多层复合结构中每一层材料的带隙宽度均大于3eV。

可选地，所述多层复合结构为折射率渐变结构，其折射率由最外层至靠近所述单晶硅基底的方向逐层增加，且相邻两层之间折射率变化不大于0.5。

可选地，所述宽禁带半导体膜层为厚度为60nm-100nm的单层结构，且所述宽禁带半导体膜层的材料选自折射率为1.8-2.6的宽禁带半导体材料。

可选地，所述宽禁带半导体膜层的外表面形成有周期为100nm-300nm、深度为10nm-50nm的纳米结构阵列，所述纳米结构用于增强紫外光耦合效率并降低表面反射。

可选地，所述单晶硅基底选择为n型单晶硅基底，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-3。

根据本发明的第二方面，提供了一种如前述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

提供单晶硅基底；

在所述单晶硅基底的正面形成带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm的宽禁带半导体膜层，以使所述宽禁带半导体膜层和所述单晶硅基底形成异质结，从而得到TOPCon背接触太阳能电池的正面结构。

可选地，所述制备方法还包括如下步骤：

在所述宽禁带半导体膜层沉积完成之后，在温度为200℃-400℃下退火5min-30min。

本发明实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池通过在单晶硅基底正面设置宽禁带半导体膜层，构建宽禁带半导体膜层与单晶硅基底之间的异质结结构，实现了紫外光高效吸收与光生载流子定向注入的协同优化，从根本上解决了紫外衰减问题。具体地，宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV，能够有效吸收波长小于400nm的紫外光子并产生光生载流子，增强了紫外光能的利用效率。因此，本发明方案可以显著提升TOPCon背接触太阳能电池的紫外稳定性和光电转换性能，有效克服了紫外衰减问题，实现了器件效率和长期可靠性的显著提升。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的正面结构的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的制备方法的示意性流程图；

图3示出了根据本发明实施例一的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的示意性结构图；

图4示出了根据本发明实施例一的TiO₂/n-Si异质结能带和载流子输运示意图；

图5示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的X射线衍射图谱；

图6示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的扫描电子显微镜图；

图7示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的能谱分析图谱；

图8示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱透过率图谱；

图9示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱吸收率图谱；

图10示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱反射率图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的正面结构的示意性结构图，该低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池包括背面结构和正面结构，背面结构包括电极层。如图1所示，该低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的正面结构包括单晶硅基底和与单晶硅基底接触的宽禁带半导体膜层，该宽禁带半导体膜层和单晶硅基底形成异质结。宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm，能够在紫外波段吸收光子并产生光生载流子，该光生载流子能够经由异质结注入单晶硅基底，并最终输运至背面结构中的电极层参与光电转换。

该宽禁带半导体膜层的带隙宽度例如可以为3eV、3.5eV、4eV、5eV或6eV，也可以为3eV-6eV中任一其他值。若带隙宽度过小，宽禁带半导体膜层会在可见光波段产生寄生吸收，影响单晶硅基底对可见光的有效利用，从而降低器件的短路电流密度与整体光电转换效率。若带隙宽度过大，则紫外光吸收能力不足，难以产生足够的光生载流子参与光电转换。通过将带隙宽度控制在上述范围内，宽禁带半导体膜层能够有效吸收紫外波段光子并产生光生载流子，同时对可见光具有较低吸收与反射，从而兼顾紫外响应能力与可见光透过率，有利于提升整体光谱响应并抑制紫外衰减。

该宽禁带半导体膜层的厚度为20nm、40nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm，也可以为20nm-100nm中任一其他值。若膜层厚度过小，则对紫外光的吸收不充分，难以有效产生足够的光生载流子，影响整体紫外响应能力。若厚度过大，则会引入额外的载流子复合路径，并造成较大的串联电阻，同时增加制备成本与复杂度，不利于器件整体性能的提升。将宽禁带半导体膜层的厚度控制在上述范围内，有助于在保证紫外光有效吸收的同时，避免对载流子输运路径产生不利影响，从而提升光生载流子注入效率与太阳电池的光电转换效率。

该宽禁带半导体膜层具备在紫外波段（λ<400nm）对光子的有效吸收能力，且其吸收系数α在紫外波段内大于10⁴cm^-1，从而确保大部分入射紫外光能被有效吸收，并能够激发电子从价带跃迁至导带，形成光生载流子。在一些实施方式中，该宽禁带半导体膜层在紫外激发后所生成的光生载流子具有高于10^-7s的寿命，使得光生电子在发生复合前具备充足时间迁移至异质结界面并注入所述单晶硅基底，进而参与后续的载流子输运与收集过程。因此，该宽禁带半导体膜层不仅具有对紫外光的强吸收能力，还具备良好的光电响应特性，可协助形成有效的电子注入通道，有助于增强器件对紫外波段的响应能力，降低界面缺陷引发的复合概率，从而有效抑制因紫外辐照引起的界面钝化性能退化问题，提升电池的光电转换效率与长期运行稳定性。

当前TOPCon器件中应对UVID的方式一般是在正面沉积较厚的Al₂O₃层，用以反射紫外光，防止其进入硅基底并破坏Si-H键。然而该方法本质上是避免紫外光进入器件，而非利用紫外光，不能提升紫外波段的光电响应，且会损失部分可见光。此外，虽然宽禁带氧化物虽具有紫外吸收能力，但由于其与单晶硅之间存在晶格常数差异较大、电学性能匹配不佳、界面缺陷态密度较高等问题，导致其在与硅基底形成异质结时难以兼顾能带匹配与界面钝化性能，传统技术对这些界面物理规律研究不充分，缺乏能带工程和掺杂调控的系统解决方案，限制了其在高效硅电池中的实际应用。针对上述问题，本申请首次提出在TOPCon背接触太阳电池正面结构中引入宽禁带半导体膜层，并通过能带结构设计使其与单晶硅基底形成异质结，不仅能增强对紫外光的响应能力，同时通过优化导带、价带台阶及界面质量，有效缓解UVID效应，并显著提升电池效率和稳定性。

综上，本发明实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池通过在单晶硅基底正面设置宽禁带半导体膜层，构建宽禁带半导体膜层与单晶硅基底之间的异质结结构，实现了紫外光高效吸收与光生载流子定向注入的协同优化，从根本上解决了紫外衰减问题。具体地，宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV，能够有效吸收波长小于400nm的紫外光子并产生光生载流子，增强了紫外光能的利用效率。因此，本发明方案可以显著提升TOPCon背接触太阳能电池的紫外稳定性和光电转换性能，有效克服了紫外衰减问题，实现了器件效率和长期可靠性的显著提升。

在一些实施例中，该导带台阶例如可以为0.1eV、0.2eV、0.3eV、0.4eV或0.5eV，也可以为0.1eV-0.5eV中任一其他值。若导带台阶过大，势垒高度过高，显著降低光生电子从宽禁带半导体膜层注入至单晶硅基底的效率，导致电子注入受阻，从而抑制紫外区段产生的光生电流，甚至增加界面复合概率，若导带台阶过小，则难以实现有效的电子选择性传输，可能导致电子发生反向扩散流失，削弱电势垒作用，进而降低光生载流子的收集效率。因此，通过将导带台阶控制在上述范围内，有利于在形成稳固势垒的同时保证电子顺利注入，兼顾选择性输运与载流子收集效率，实现在紫外吸收增强条件下的界面复合抑制。

在一些实施例中，该价带台阶例如可以为0.1eV、0.5eV、1eV或1.5eV，也可以为0.1eV-1.5eV中任一其他值。若价带台阶过大，空穴在异质结界面的跨越难度增大，不利于空穴的有效阻挡，可能导致部分空穴滞留于界面区域，增加载流子复合几率，从而降低器件的开路电压和填充因子。若价带台阶过小，则难以有效形成空穴阻挡层，可能导致空穴向宽禁带半导体膜层扩散，从而造成电荷选择性失效，降低器件效率和稳定性。因此，通过将价带台阶控制在上述范围内，有助于抑制光生空穴的反向扩散与界面复合，增强电荷选择性输运行为，并在有效提升电子注入效率的同时维持器件的整体光电性能稳定性，实现电池在紫外吸收能力与复合抑制之间的协同优化。

在一些实施例中，该费米能级差例如可以为0.05eV、0.1eV、0.5eV或1eV，也可以为0.05eV-1eV中任一其他值。若费米能级差过大，表明异质结两侧材料之间存在较强能带错位，会导致界面势垒显著增强，从而阻碍光生电子的有效注入与输运，降低器件的短路电流密度和整体光电转换效率。而若费米能级差过小，尽管有利于载流子注入，但会降低能带弯曲程度，不利于形成稳定的内建电场，从而削弱载流子分离能力，并会导致光生电子和空穴在界面区域发生复合。因此，将费米能级差控制在上述范围内，有利于在保证电子高效注入的同时维持界面势垒合理分布，增强异质结处的电场作用，抑制载流子复合并提升电荷分离效率，进而提高电池在紫外条件下的稳定输出和光电性能。

在一些实施例中，该界面缺陷态密度例如可以为1×10¹⁰cm^-2·eV^-1、1×10¹¹cm^-2·eV^-1或1×10¹²cm^-2·eV^-1，也可以为1×10¹⁰cm^-2·eV^-1-1×10¹²cm^-2·eV^-1中任一其他值。若界面缺陷态密度过高，异质结界面将存在大量陷阱态，易引发光生电子与空穴的非辐射复合，显著降低少子寿命与开路电压，进而造成光电转换效率下降，尤其在紫外辐照条件下更易加剧性能衰减。通过将界面缺陷态密度控制在上述范围内，可以有效抑制界面复合损失，保障光生载流子在异质结界面的高效分离与输运，提升器件的开路电压、短路电流密度及填充因子，从而增强电池在紫外波段的稳定性与整体光电转换性能。

本发明方案中，将异质结的导带台阶、价带台阶及费米能级差等严格控制在特定范围内，实现了载流子的选择性输运，显著降低了界面复合，提高了光生载流子的收集效率和电池整体光电转换效率。同时，界面缺陷态密度被有效抑制，减少了载流子复合中心的产生，保证了异质结界面的高质量，增强了器件的稳定性与耐久性。因此，本发明通过宽禁带半导体膜层的高效紫外吸收、异质结界面能带精确匹配及低缺陷界面质量的多维协同设计，显著提升了TOPCon背接触太阳能电池的紫外稳定性和光电转换性能，有效克服了紫外衰减问题，实现了器件效率和长期可靠性的显著提升。

在一个实施例中，该宽禁带半导体膜层为单层结构。该单层结构的厚度为60nm-100nm，例如可以为60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。该厚度范围能够确保该宽禁带半导体膜层在紫外波段对光子的有效吸收，同时避免因过厚引起的载流子复合增加或因过薄导致的吸收不足，达到吸收效率与载流子输运性能的平衡。该单层结构的宽禁带半导体膜层材料的折射率为1.8-2.6，例如可以为1.8、2、2.2、2.4或2.6。该折射率范围有利于减小膜层表面对可见光的反射，提高光的耦合效率，进而提升器件的整体光吸收能力。同时，该折射率范围与单晶硅基底的折射率匹配合理，有助于降低界面光学损耗。该单层结构的宽禁带半导体膜层材料例如可以选择SnO₂、GaN、ZnO或锐钛矿型TiO₂。

在另一个实施例中，该宽禁带半导体膜层为由一种或多种宽带隙半导体材料组成的多层复合结构。该多层结构可以包括两层或三层不同材料的叠层形式，具体设计可以根据光学折射率匹配、带隙宽度梯度调控、电学导通性能以及界面质量控制等多方面因素进行优化，以实现更优的紫外吸收效率和更低的界面复合损失。

在一个实施例中，该多层复合结构为折射率渐变结构，其折射率沿入射光传播方向，即自器件最外层向单晶硅基底方向逐层递增，以优化光的透射效率与载流子的输运特性。该渐变结构的折射率从外至内逐层升高，且相邻两层之间的折射率差值不大于0.5，以避免界面反射与电荷障碍的突变带来的负面影响。例如，该多层结构的最外层结构靠近入光侧，折射率选择1.8-2的宽禁带材料，用作抗反射层和紫外吸收增强层，例如可选用ZnO、Al掺杂ZnO、SiO₂掺杂ZnO等。该多层结构的中间层结构用于实现对高能紫外光子的有效吸收，同时具备一定的电子迁移率，利于光生电子的定向传输，折射率选择2-2.2的宽禁带材料，例如可以选用TiO₂、SnO₂或GaN等氧化物或氮化物材料。该多层结构的最内层结构与单晶硅基底形成异质结结构，结合适当的导带台阶、价带台阶及低界面缺陷密度等，可以实现电子选择性注入和界面复合抑制的协同优化，折射率为2.2-2.5的材料，例如高结晶度TiO₂、ZnSnO或合适能带匹配的复合氧化物材料。通过上述折射率递增设计，不仅可在光学上形成类梯度折射结构，显著提升紫外与可见光波段的入射耦合效率，还能在电学上形成平滑的能带过渡，减少载流子在层间迁移时的能垒，提高电子的注入效率与迁移速度，进而提高器件的整体光电转换效率。此外，该渐变结构的宽禁带膜层还具有优异的界面兼容性与工艺可实现性，可通过原子层沉积（ALD）、磁控溅射、或多步溶胶-凝胶法等分层沉积方式实现不同折射率材料的精确控制，确保膜层厚度、折射率分布及界面质量符合设计要求。因此，该折射率渐变结构不仅能增强器件对紫外光的吸收能力，还可以抑制界面复合与紫外衰减效应，在不牺牲可见光利用效率的前提下，显著提升电池的转换效率与长期稳定性。

在一些实施例中，该多层复合结构中相邻层之间的导带台阶绝对值变化小于或等于0.2eV。该能带匹配策略能够有效降低载流子在层间迁移过程中遇到的能垒，提高电子的注入与传输效率，进一步优化异质结的光电性能。在传统异质结构中，若导带台阶变化过大，会形成势垒，阻碍光生电子的迁移，增加界面复合概率，从而影响器件效率。而在本实施例中，复合结构中各层材料的导带最低点逐层接近单晶硅基底的导带位置，导带台阶变化被精确控制在小于或等于0.2eV，确保电子在各层之间的迁移过程呈现出近似连续的势垒过渡，有效避免电子瓶颈现象。同时，该结构对空穴传输形成较高的阻隔，确保光生空穴不易在界面复合，从而提升光生电子与空穴的空间分离效率，有助于提高开路电压（Voc）与短路电流（Jsc）。导带台阶的逐层微调也利于与单晶硅基底能带的精准对接，实现载流子从最外层到单晶硅基体的高效注入，提升整体的载流子收集率和光电转换效率。

为实现上述能带渐变结构，可以选用具有不同禁带宽度与电子亲和能的宽禁带材料进行多层设计。例如，最外层可以选用带隙较大的材料如Al₂O₃或MgO，具有高电子阻挡性和强紫外吸收特性。中间层可以使用ZnO、TiO₂等材料，根据不同晶相和掺杂状态实现不同导带位置。靠近单晶硅基底一侧的最内层选择与硅导带位置差距较小的材料，如ZnSnO或调控后的SnO₂，确保电子顺利注入单晶硅基体。为保证导带台阶变化控制在上述范围内，可以通过调节材料组成、晶相结构或轻微掺杂如轻微掺杂Al、In、Ga、F、Nb等精确调控各层导带边的位置。综上，采用导带台阶小于或等于0.2eV的能带渐变设计，能够在保持光学性能的同时显著改善载流子的跨层迁移路径，降低界面复合，提高电池的开路电压与填充因子，进一步提升TOPCon背接触太阳电池在紫外光响应、转换效率和长期稳定性等方面的综合性能。

在一个实施例中，为实现折射率渐变与导带台阶渐变的协同设计，该多层复合结构可通过合理选取不同宽禁带半导体材料进行分层构建，其中，最外层可选用折射率较低、带隙较宽的材料，例如Al₂O₃或MgO，以有效提升器件的抗紫外能力并实现良好的入射光耦合。中间层可选用折射率及导带位置居中的材料，如ZnO、TiO₂或Zn_1-xMg_xO（0<x<0.4），以实现折射率与能带的逐级过渡，降低界面反射与能带不连续引起的载流子阻滞。最内层，即与单晶硅基底接触的层优选具有较高导带最低位置、良好电子选择性传输性能且界面质量可控的材料，如SnO₂、ZnSnO、In₂O₃或Ga掺杂ZnO（GZO），以实现与硅基底之间合理的导带台阶、低界面缺陷密度及良好的电子注入能力。通过上述多层异质结构的材料与能带工程设计，可以在确保紫外光吸收与载流子产生的同时，实现有效的载流子选择性输运与复合抑制，从而显著提升太阳电池的紫外响应性能、光电转换效率及长期稳定性。

在一些实施例中，该多层复合结构中每一层厚度为10nm-40nm，例如可以为10nm、20nm、30nm或40nm。首先，厚度控制在10nm以上，可保证宽禁带半导体材料在紫外波段（λ<400nm）具备足够的光吸收路径，从而有效生成光生载流子，而厚度不超过40nm，则可以避免光生载流子在膜层中迁移路径过长而导致的非辐射复合损失，从而提升紫外响应效率。其次，适中的层厚有助于界面应力和缺陷调控。若单层膜层过厚，可能导致由于热膨胀系数差异或晶格失配引起的应力积累，形成结构缺陷甚至微裂纹，从而降低界面钝化效果并引发载流子复合。而将每一层厚度限定在上述范围内，可以降低各层之间的机械应力梯度，改善界面完整性与器件可靠性。再次，通过在各层之间设定上述范围内的膜厚，不仅实现了结构上渐变的折射率分布，还能逐层构建导带台阶渐变结构，从而避免电子在输运过程中遇到能垒过大或能谷过深的问题，确保电子顺利注入至硅基底并避免滞留。此外，该厚度区间还与主流制备工艺如ALD、PECVD、磁控溅射等高度兼容，能够在批量生产中实现较好的均匀性与重复性，有利于后续工艺集成和良率控制。因此，通过将每层膜厚设计在上述范围内，不仅实现了紫外吸收、能带匹配与光学优化的平衡，还提升了异质结界面的稳定性与电子选择性输运能力，从而增强了电池在紫外波段的光电性能，显著提升了TOPCon背接触太阳能电池的整体效率与长期运行稳定性。

在一些实施例中，多层复合结构中每一层材料的带隙宽度均大于3eV，例如可以为3eV、3.5eV、4.0eV、5.0eV或更高，也可以为3eV-6eV范围内的任一其他值。首先，带隙大于3eV的材料通常具备良好的紫外吸收特性，可有效吸收波长小于400nm的紫外光子，激发出高能光生载流子，从而提升器件在紫外波段的光响应能力，扩展整体光谱利用范围，缓解传统TOPCon器件在短波段的效率衰减问题。其次，带隙大于3eV的宽带隙材料具有较低的本征载流子浓度与优异的绝缘特性，能够在异质结中形成有效的电荷选择性界面，有助于实现电子的定向输运与空穴的有效阻挡，防止载流子反向扩散所导致的界面复合，进而提升器件的开路电压和填充因子。此外，控制各层带隙均在大于3eV的范围内，也有助于形成导带与价带的渐变结构，通过精准调控相邻层之间的导带台阶与价带台阶，可以构建连续可调的能带偏移体系，从而避免载流子在界面处因能带突变而形成势垒，降低输运效率。再者，带隙大于3eV的材料通常表现出较强的抗光致缺陷能力与热稳定性，在长期紫外辐照下不易产生结构劣化或界面Si-H键断裂，从而有效抑制紫外诱导的性能退化。因此，通过采用带隙宽度均大于3eV的多层复合结构材料设计，既提升了紫外光的吸收能力，又优化了异质结的能带匹配与界面电学特性，在实现紫外响应增强、界面复合抑制与稳定性提升之间建立了有机平衡。

在一些实施例中，宽禁带半导体膜层的外表面形成有纳米结构阵列，该纳米结构用于增强紫外光耦合效率并降低表面反射，进一步提升太阳能电池对紫外波段光子的捕获与利用能力。该纳米结构阵列的周期为100nm-300nm，例如可以为100nm、200nm或300nm。该纳米结构阵列的深度为10nm-50nm，例如可以为10nm、20nm、30nm、40nm或50nm。该纳米结构阵列可以通过纳米压印光刻、湿法刻蚀、激光干涉曝光等技术实现。

本发明实施例的纳米结构阵列通过亚波长光学耦合机制，能够有效打破平面界面的光学对称性，在紫外波段引发光的前向散射与局域驻波共振，从而显著增强入射紫外光在宽禁带半导体膜层内的驻留时间与光程长度，提高紫外光子吸收概率。其次，该纳米结构阵列可以在宽禁带半导体膜层与空气之间形成渐变有效折射率界面，实现类似仿生复眼的宽带减反功能，显著降低界面反射率，尤其在短波紫外区域表现出优异的抗反射性能，从而减少光子损耗并提升入射光耦合效率。此外，合理设定纳米结构的周期与深度，有助于匹配宽禁带材料的本征吸收带边与硅基底吸收带宽，在不显著影响可见光通过率的同时，增强紫外区域的光耦合与捕获，确保整体光谱利用的协同优化。再者，纳米结构阵列的构建不影响其下方异质结界面的物理完整性与电学性能，因而可以在不牺牲界面质量与载流子输运效率的前提下实现对光学性能的增强。综上，通过在宽禁带半导体膜层表面构建纳米结构阵列，能够在紫外波段显著提升光耦合与吸收效率，降低反射损耗，并协同提高电池整体光谱响应能力，进一步缓解紫外衰减效应。

在一个优选的实施例中，该单晶硅基底选择为n型单晶硅基底，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-3，例如可以为1×10¹⁵、1×10¹⁶或1×10¹⁷cm^-3。n型硅相较于p型硅具有更低的本征缺陷密度与金属杂质复合活性，能够显著提高少子寿命与载流子扩散长度，从而提升光生载流子的收集效率和整体光电转换效率。其次，适中的n型掺杂浓度有助于控制硅基底的费米能级位置与导带位置，从而实现与宽禁带半导体膜层之间的能带结构匹配与界面电势调控，有利于形成理想的异质结能带对准关系，降低载流子注入势垒，提高电子注入与输运效率。再者，合理控制的掺杂浓度还可以有效平衡载流子浓度与电阻率，在确保高少子寿命的同时保持适当的基底导电性，进而有助于降低串联电阻损耗、改善填充因子（FF）和开路电压（Voc）。此外，n型单晶硅在与TOPCon电池背面结构集成时具备更优的电子选择性与隧穿稳定性，其背面少子复合速度显著低于p型器件，有利于实现整体器件的双面钝化与双极传输性能优化。综上，通过采用掺杂浓度在1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-3范围内的n型单晶硅基底，能够在提升载流子寿命、调节能带结构、降低复合损耗及优化电性能等方面实现多重协同优化，有效支撑宽禁带半导体膜层和硅基体形成的异质结结构的高效运行；

图2示出了根据本发明一个实施例的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的制备方法的示意性流程图，该低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池为前述太阳能电池。如图2所示，该制备方法包括：

步骤S100，提供单晶硅基底；

步骤S200，在单晶硅基底的正面形成带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm的宽禁带半导体膜层，以使宽禁带半导体膜层和单晶硅基底形成异质结，异质结的导带台阶＜0.5eV，价带台阶为1.5eV，费米能级差小于或等于1eV，界面缺陷态密度小于或等于1×10¹²cm^-2·eV^-1，从而得到TOPCon背接触太阳能电池的正面结构。

在一个实施例中，该制备方法还包括如下步骤：在宽禁带半导体膜层沉积完成之后，在温度为200℃-400℃下退火5min-30min。退火过程中，可以选用氮气、氩气、N₂和H₂混合气、或氧气，具体气氛根据膜层材料和目标界面钝化效果选择。该热处理过程有助于修复沉积过程中引入的界面损伤，促进化学键重构，例如Si-O、Si-N或Ti-O等稳定键的形成，降低界面缺陷态密度，从而抑制载流子复合，改善带隙对齐，确保导带台阶、价带台阶及费米能级差处于优化窗口内。

在正面结构制备完成后，可以依照现有技术在硅基底背面继续构建TOPCon背面结构。例如，沉积厚度为1.5nm-2.5nm的隧穿SiO_x层，沉积100nm-200nm的n型掺杂多晶硅层，经磷扩散或离子注入形成n型掺杂，快速热处理或高温退火，提高多晶硅结晶度与载流子选择性，选择性刻蚀开窗后沉积金属电极。

以下以具体实施例和对比例来详细说明本申请技术效果。

实施例一：

本发明实施例提供了一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

1）采用碱抛工艺，将n型单晶硅基底进行抛光处理，该n型单晶硅基底为<100>晶向，电阻率为2Ω·cm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3；

2）在单晶硅基底背面利用ALD工艺制备厚度为1nm-2nm的二氧化硅（SiO₂）及厚度为200nm-300nm的本征氢化非晶硅（i-aSi:H）；

3）采用硼扩散工艺（B扩）在背面p区进行掺杂，将i-a-Si:H转化为p型多晶硅层（p-polySi），并在表面生成硼硅玻璃（BSG），扩散条件为900℃下扩散20min；

4）利用激光刻蚀工艺去除n区和中间隔离区（gap）表面的BSG层，并进一步去除对应区域下方的p-polySi层，形成区域隔离结构；

5）在上述清除区域沉积厚度为200nm-300nm的i-a-Si:H膜层；

6）采用磷扩散工艺（P扩），将i-a-Si:H转化为n型多晶硅（n-polySi）层，并在其表面形成磷硅玻璃（PSG），扩散条件为在950℃下扩散20min；

7）激光去除p区和gap区的PSG残留；

8）用HF/HNO₃混合溶液对硅片进行化学抛光；

9）使用NaOH/IPA碱性溶液对正面及gap区表面进行制绒处理，形成金字塔状微结构，并通过HF溶液彻底清除正面及gap区域残留的BSG和PSG掩膜；

10）在正面通过ALD工艺制备厚度为50nm的单层宽禁带半导体薄膜，该膜层与单晶硅基底构成异质结，该宽禁带半导体薄膜锐钛矿型为TiO₂；

11）在完成的背面TOPCon结构之上沉积AlO_x/SiN_x叠层膜，其中，AlO_x层的厚度为20nm，SiN_x的厚度为60nm；

12）通过丝网印刷工艺，在背面p区与n区分别印刷对应的Ag导电浆料，随后在800℃下烧结20min，形成欧姆接触，完成器件金属化。

图3示出了根据本发明实施例一的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的示意性结构图，该低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池由上述制备方法制备获得。图4示出了根据本发明实施例一的TiO₂/n-Si异质结能带和载流子输运示意图。如图4所示，该TiO₂/n-Si异质结形成从Si指向TiO₂的内建电场E_bi；因此TiO₂膜层中紫外光生载流子在此内建电场的作用下经TOPCon背接触太阳能电池本体并输运到背面正负极，从而提高电池的光电转化效率。

图5示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的X射线衍射图谱。由图5可知，该膜层在2θ位于25.3°处出现明显的衍射峰，该衍射峰为TiO₂（101）晶面的特征峰，表明TiO₂层具有良好的结晶性。图6示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的扫描电子显微镜图。由图6可知，该TiO₂层膜层表面结构均匀、致密且平整，未见明显孔洞或颗粒聚集，表明其表面质量较高。图7示出了根据本发明实施例一的TiO₂层的能谱分析图谱。由图7可知，该膜层中Ti:O原子比为31.64:68.36，接近TiO₂的理论化学计量比，说明该膜层组分均匀、成分控制良好。上述结果表明，通过本发明实施例的工艺可以制备出结晶性良好、表面致密平整且组分接近理想比例的高质量TiO₂薄膜。

实施例二：

该实施例二与实施例一的区别仅在于步骤10）中宽禁带半导体薄膜不同，该实施例二中，宽禁带半导体薄膜为三层复合结构，最外层为30nm的Al₂O₃，中间层为30nm的TiO₂，最内层为30nm的SnO₂。

实施例三：

该实施例三与实施例二的区别仅在于在步骤10）之后，进一步在该宽禁带半导体膜层的外表面通过纳米压印技术构建纳米结构阵列，以进一步优化器件的光学性能。该纳米结构阵列为周期性二维结构，其周期为200nm，深度为30nm。

对比例一：

该对比例一与实施例一的区别仅在于，步骤10）中宽禁带半导体膜层的带隙宽度为1eV；

对比例二：

该对比例一与实施例一的区别仅在于，步骤10）中宽禁带半导体膜层的厚度为10nm。

对比例三：

该对比例三与实施例一的区别仅在于，将步骤10）中宽禁带半导体膜层替换为ZrO₂，其与单晶硅基底之间未形成异质结。

图8示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱透过率图谱。图9示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱吸收率图谱。图10示出了根据本发明实施例中不同厚度的TiO₂层的UV-VIS透射光谱反射率图谱。由图8可知，在200nm-300nm波段，随着TiO₂膜层厚度的增加，其紫外光透射率逐渐下降，如图9所示，吸收率随之上升，表明该厚度下TiO₂膜层具有有效的紫外光吸收能力，避免高能紫外光子对电池本体的影响。三种厚度的TiO₂薄膜在可见光波段（400nm-800nm）均保持较高的透光性，确保主光谱区域的有效透射。然而，随着厚度增加至100nm，膜层在可见光区的透过率有所下降，说明膜层厚度增加有利于紫外抑制，但对可见光透射造成一定影响。如图10所示，在200nm-300nm波段，由于TiO₂薄膜对紫外光的吸收，反射率相较裸玻璃有所下降，但随着厚度增加至100nm，膜层的反射率大幅提升，说明膜层过厚会引起干涉效应，导致反射率在多个重要波段升高，影响电池性能。

表1列出了本发明各实施例和对比例中TOPCon背接触太阳能电池的主要电学参数对比结果。表1如下：

从上表1可以看出，TiO₂层的厚度对晶硅异质结太阳能电池的初始光电性能与紫外稳定性具有影响。实施例一中采用50nm厚的TiO₂层，表现出较高的初始PCE（23.22%），在累计30kWh/m²紫外辐照后，PCE仍可以保持在21.45%，表明该厚度在确保优良界面钝化和紫外屏蔽效果的同时，未对光透过率和载流子输运造成明显不利影响。实施例二中引入由三种宽禁带材料构成的三层复合结构膜层，进一步优化了能带结构匹配与界面性能，相较于实施例一表现出更优的器件性能。实施例三在实施例二基础上，在宽禁带半导体膜层表面引入周期性纳米结构阵列，器件整体性能较实施例二进一步增强。

此外，对比例一和对比例三的效果均低于各实施例。这种差异主要源于其在界面钝化和紫外防护方面的不足，而实施例组通过宽禁带半导体膜层的设计有效抑制了界面复合和载流子传输劣化，展现出优异的稳定性。综合分析表明，本发明实施例可以有效提升器件的V_OC、J_SC、FF和PCE，并显著增强其在紫外照射下的长期稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，包括背面结构和正面结构，所述背面结构包括电极层，所述正面结构包括单晶硅基底和与所述单晶硅基底接触的宽禁带半导体膜层，所述宽禁带半导体膜层和所述单晶硅基底形成异质结；

所述宽禁带半导体膜层的带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm，能够在紫外波段吸收光子并产生光生载流子，所述光生载流子能够经由所述异质结注入所述单晶硅基底，并最终输运至所述电极层参与光电转换；

所述宽禁带半导体膜层为由一种或多种宽带隙半导体材料组成的多层复合结构，所述多层复合结构中相邻层之间的导带台阶绝对值变化小于或等于0.2eV。

2.根据权利要求1所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，所述多层复合结构中每一层厚度为10nm-40nm；

所述多层复合结构中每一层材料的带隙宽度均大于3eV。

3.根据权利要求2所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，所述多层复合结构为折射率渐变结构，其折射率由最外层至靠近所述单晶硅基底的方向逐层增加，且相邻两层之间折射率变化不大于0.5。

4.根据权利要求1所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，所述宽禁带半导体膜层为厚度为60nm-100nm的单层结构，且所述宽禁带半导体膜层的材料选自折射率为1.8-2.6的宽禁带半导体材料。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，所述宽禁带半导体膜层的外表面形成有周期为100nm-300nm、深度为10nm-50nm的纳米结构阵列，所述纳米结构用于增强紫外光耦合效率并降低表面反射。

6.根据权利要求5所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池，其特征在于，所述单晶硅基底选择为n型单晶硅基底，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-3。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的低紫外衰减TOPCon背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供单晶硅基底；

在所述单晶硅基底的正面形成带隙宽度大于3eV且厚度为20nm-100nm的宽禁带半导体膜层，以使所述宽禁带半导体膜层和所述单晶硅基底形成异质结，从而得到TOPCon背接触太阳能电池的正面结构。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述宽禁带半导体膜层沉积完成之后，在温度为200℃-400℃下退火5min-30min。