CN101017858A - 一种背接触式太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

一种背接触式太阳能电池及其制作方法 Download PDF

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宋爽
许颖
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Abstract

本发明涉及一种背接触式太阳能电池及其制作方法，它包括厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm，作为基区的P型或N型晶体硅衬底，在所述硅衬底的正表面设置有织构化层和减反射层，其特征在于：在所述硅衬底的背表面沉积有一层5～300nm与所述硅衬底极性相反的作为发射区的非晶薄膜，在所述非晶薄膜上间隔设置有连接所述硅衬底背表面的基区电极，在所述非晶薄膜表面设置发射区电极。本发明在硅衬底的背表面设置了一层非晶薄膜，同时利用非晶薄膜的横向不导电性，将电池的基区和发射区的电极全部设置在电池背表面，不但有效地提高了太阳能电池的效率，而且制作方法简单，成本低廉，为太阳能电池的推广使用提供了非常好的条件。

Description

一种背接触式太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制作方法，特别是关于一种背接触式太阳能电池及其制作方法。
背景技术
常规晶体硅太阳能电池的发射区在电池的正表面(受光面)，在电池的正、背表面分别制备有金属电极。而目前研制的背接触式太阳能电池则将电池的金属电极以及发射区全部设计在电池的背表面，其优点是：1、正表面无电极栅线，无遮光损失；2、将发射区移至电池背表面，避免了发射区俄歇复合对电池效率的影响；3、电池背表面的介质层或金属层会将到达背面的光反射回电池体内，提供良好的陷光作用；4、电池的电极全部在背面，可以简化电池间的互连，简化组件制备过程。因此，采用背接触式结构后，电池效率有明显的提高，而且特别适用于聚光系统。
现有的背接触式电池包括：背面叉指状电极结构的背接触电池(以美国Stanford大学及Sunpower公司的背接触电池为代表)，发射区穿通(EWT)电池，金属穿通(MWT)电池，金属环绕(MWA)电池等。这些结构的背接触太阳能电池可以实现接近或超过20％的光电转换效率，但其缺点是结构及制作工艺较常规电池复杂，制备过程中使用了光刻、精密丝网印刷或激光烧蚀等复杂的工艺，并且有多次高温过程。这些结构的背接触电池对材料和生产环境提出了较高的要求，制作麻烦，成本较高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，制作方法简单，制作成本低的背接触式太阳能电池及其制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种背接触式太阳能电池，它包括厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm，作为基区的P型或N型晶体硅衬底，在所述硅衬底的正表面设置有织构化层和减反射层，其特征在于：在所述硅衬底的背表面沉积有一层5～300nm与所述硅衬底极性相反的作为发射区的非晶薄膜，在所述非晶薄膜上间隔设置有连接所述硅衬底背表面的基区电极，在所述非晶薄膜表面设置发射区电极。
在所述硅衬底背表面和非晶薄膜之间设置有一层2～100nm本征非晶薄膜。
所述非晶薄膜和本征非晶薄膜为非晶硅薄膜，非晶碳薄膜，非晶锗硅合金薄膜或非晶碳化硅薄膜。
在所述非晶薄膜表面加工凹槽，直至暴露出所述硅衬底后，再在所述凹槽内设置所述基区电极。
在欲形成所述基区电极接触的所述硅衬底背表面或非晶薄膜表面沉积金属薄膜，然后低温退火，利用金属诱导晶化，在横向不导电的所述非晶薄膜上形成导电的所述基区电极接触区后，再在所述接触区设置所述基区电极。
在欲形成所述基区电极接触的所述非晶薄膜表面沉积一层金属薄膜，然后利用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温使金属穿透所述非晶薄膜，进入所述硅衬底中，并与所述硅衬底形成合金，形成基区电极接触区后，再在所述接触区设置所述基区电极。
一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)采用常规的机械加工或激光刻蚀的方法在所述非晶薄膜表面开凹槽，直至暴露出所述硅衬底；
(4)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法在凹槽内制作基区电极；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，与所述基区电极同步或分步，在非晶薄膜表面制作发射区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
另一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)在非晶薄膜沉积之前或之后，在欲形成基区电极接触的所述硅衬底背表面或非晶薄膜表面沉积金属薄膜；
(4)在低于非晶薄膜发生相变的温度下，对所述非晶薄膜表面进行低温处理，在与沉积有金属薄膜位置对应的硅衬底背表面形成基区电极接触区；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，在所述非晶薄膜表面制作发射区电极和基区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
再一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)在非晶薄膜沉积之后，在欲形成基区电极接触的所述非晶薄膜背表面沉积金属薄膜；
(4)利用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温使金属穿透所述非晶薄膜，进入所述硅衬底中，并与所述硅衬底形成合金，形成基区电极接触区；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，在所述非晶薄膜表面制作发射区电极和基区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
上述三种方法的步骤2中，在所述硅衬底背表面先采用常规方法沉积一层厚度为2～100nm的本征非晶薄膜，再沉积所述非晶薄膜。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在硅衬底的背表面设置了一层非晶薄膜，同时利用非晶薄膜的横向不导电性，将电池的基区和发射区的电极全部设置在电池背表面，不但有效地提高了太阳能电池的效率，而且制作方法简单，成本低廉，为太阳能电池的推广使用提供了非常好的条件。2、本发明在硅衬底和非晶薄膜之间设置了一层本征非晶薄膜，其可以作为硅衬底及非晶薄膜之间的缓冲层，改善硅衬底及非晶薄膜之间结构和能带的匹配，进一步提高器件性能。3、本发明采用机械加工或激光刻蚀的方法加工基区电极的凹槽，方法简单易行。4、本发明采取在硅衬底或非晶薄膜设置金属薄膜，利用金属诱导晶化，在横向不导电的非晶薄膜上形成导电的基区电极接触，使本发明有效地避免了高温工艺带来的弊病。5、本发明采用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温会使金属穿透非晶薄膜，进入硅衬底中，并与硅衬底形成合金的方式，形成基区电极接触区，该方法非常简便，而且可以降低硅衬底与金属电极间的接触电阻。本发明可以广泛用于各种用途的太阳能电池使用的场合和制作太阳能电池的场。
附图说明
图1是本发明电池上的相邻两个单元结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1所示，是本发明背接触式太阳能电池中相邻两个单元的结构示意图，一块太阳能电池由许多这样的单元组成。本发明采用电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅片作为硅衬底1，形成基区，硅衬底1的厚度可以在100～600μm变化。在硅衬底1的背表面沉积有一层厚度为5～300nm，与硅衬底1极性相反的N型或P型非晶薄膜2，作为发射区。非晶薄膜2的横向电阻很大，不致引起电池基区和发射区电极之间的短路或明显的漏电。在非晶薄膜2上设置有凹槽3，以暴露出硅衬底1，在凹槽3内制作有基区电极4，在非晶薄膜2表面与基区电极4隔开一距离，设置有发射区电极5，使用时将基区电极4和发射区电极5分别通过导线连接用电设备的正负极。在硅衬底1的正表面与现有技术相同设置有织构化层6，在织构化层6的表面沉积有减反射层7。
上述实施例中，基区电极4也可以是在非晶薄膜2沉积之后，在欲形成基区电极接触的部分沉积金属薄膜，然后利用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温会使金属穿透非晶薄膜2，进入硅衬底1中，并与硅衬底1形成合金，形成导电的基区电极接触区，再在该接触区制作基区电极4。
上述实施例中，基区电极4还可以是在非晶薄膜2沉积之前或之后，在欲形成基区电极接触的部分沉积金属薄膜，然后低温退火，利用金属诱导晶化形成基区电极接触。其中金属薄膜的金属材料可以采用铝或镍等可使非晶薄膜2在较低温度下晶化的金属，这样在退火温度低于非晶薄膜2发生相变(转化为晶态薄膜)的温度时，未与金属薄膜接触的非晶薄膜不会改变横向不导电的特性，而与金属薄膜接触的非晶薄膜2通过金属诱导晶化形成导电的基区电极接触区，再在该接触区制作基区电极4。
上述实施例中，在硅衬底1与非晶薄膜2之间可以再设置一层2～100nm的本征非晶薄膜3，本征非晶薄膜3的作用是作为硅衬底1及非晶薄膜2之间的缓冲层，改善硅衬底1及非晶薄膜2之间结构和能带的匹配，进一步提高器件性能。非晶薄膜2和本征非晶薄膜3可以是非晶硅薄膜、非晶锗硅合金薄膜、非晶碳薄膜、非晶碳化硅薄膜或其它非晶态单质或化合物或合金薄膜。
下面通过对本发明背接触式太阳能电池制作方法的实施例，进一步说明本发明。
实施例1：
本发明包括以下制作步骤：
1、采用高少子扩散长度(大于硅片厚度的2倍)P型单晶硅作为硅衬底1，形成基区，其电阻率为0.3～0.5Ωcm，硅衬底1的厚度为180μm；
2、用常规方法清洗硅衬底1，在硅衬底1背表面采用常规方法沉积一层N型、成分为非晶态锗硅合金的非晶薄膜2，作为发射区，厚度为50nm；
3、采用常规的机械加工方法在非晶薄膜2表面开凹槽3，使硅衬底1完全暴露出来；
4、采用常规的溅射方法在凹槽3内用铝制作基区电极4；同时用铝在非晶薄膜2表面制作发射区电极5；
5、采用常规化学腐蚀的方法在硅衬底1正表面制作织构化层6，并采用等离子增强化学气相沉积方法在织构化层6表面沉积氮化硅膜作为减反射层7，以减少光反射，提高电池效率。
实施例2：
本发明包括以下步骤：
1、采用厚度为250μm的P型单晶硅作为衬底1，其电阻率为3～6Ωcm；
2、采用常规方法清洗硅衬底1，在硅衬底1的背表面采用常规方法沉积一层5nm厚，成分为非晶硅的本征非晶薄膜8；
3、在本征非晶薄膜8背表面采用常规方法沉积一层N型、成分为非晶硅的非晶薄膜2，作为发射区，厚度为100nm；
4、在非晶薄膜2上欲形成基区电极的部分用磁控溅射的方法制备金属铝层；
5、用激光烧蚀铝，烧蚀产生的高温会使金属穿透非晶薄膜2及本征非晶薄膜8，进入硅衬底1中，并与硅衬底1形成导电的铝硅合金，即基区电极接触区；
6、采用磁控溅射的方法，在欲形成发射区电极和基区电极的地方制备金属铝层，分别形成基区电极4和发射区电极5；
7、采用常规化学腐蚀的方法在硅衬底1正表面制作织构化层6，并在织构化层6表面沉积氟化镁/硫化锌双层膜作为减反射层7。
实施例3：
1、采用P型单晶硅作为硅衬底1，其电阻率在0.5Ωcm，硅衬底1的厚度为200μm；
2、采用常规方法清洗硅衬底1，在硅衬底1背表面采用等离子增强化学气相沉积N型非晶硅成分的非晶薄膜2，作为发射区，厚度为80nm；
3、在欲形成基区电极接触的非晶薄膜2上，用真空蒸发的方法沉积铝金属薄膜；
4、进行低温退火处理，低温退火的温度低于非晶薄膜2发生相变(转化为晶态薄膜)的温度，一般不高于400℃，利用金属诱导晶化形成基区电极接触区，而未与金属薄膜接触的非晶薄膜2，可以不改变非晶薄膜的横向不导电性，不会引起发射区和基区之间的短路；
5、采用丝网印刷的方法，用低温浆料在非晶薄膜2表面同时制作发射区电极5和基区电极4，其中基区电极4的位置与上一步形成的基区电极接触区的位置对应，印刷完毕后，进行低温烧结，烧结温度低于非晶薄膜2发生相变的温度，以使浆料中的有机物挥发；
6、采用常规化学腐蚀的方法在硅衬底1正表面制作织构化层6，并采用常压化学气相沉积方法在织构化层6表面沉积一层二氧化钛膜作为减反射层7，以减少光反射，提高电池效率。
本发明方法的实施例中，硅衬底1可以采用P型也可以采用N型，硅衬底1的厚度可以在100～600μm之间变化；非晶薄膜2的厚度可以在5～300nm之间变化，其形成方法可以采用现有技术的各种沉积方法沉积；本征非晶薄膜2的厚度可以在2～100nm之间变化，其形成方法也可以采用现有技术中的各种沉积方法沉积；形成基区电极接触的金属薄膜的金属材料可以选用各种金属或合金，其厚度和形成方式也可以采用现有技术的各种方式；基区电极4和发射区电极5可以采用丝网印刷、真空蒸发或溅射方法等各种现有技术的方式形成，上述各种材料的变化，以及制作方法的变化，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1、一种背接触式太阳能电池，它包括厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm，作为基区的P型或N型晶体硅衬底，在所述硅衬底的正表面设置有织构化层和减反射层，其特征在于：在所述硅衬底的背表面沉积有一层5～300nm与所述硅衬底极性相反的作为发射区的非晶薄膜，在所述非晶薄膜上间隔设置有连接所述硅衬底背表面的基区电极，在所述非晶薄膜表面设置发射区电极。
2、如权利要求1所述的一种背接触式太阳能电池，其特征在于：在所述硅衬底背表面和非晶薄膜之间设置有一层2～100nm本征非晶薄膜。
3、如权利要求1或2所述的一种背接触式太阳能电池，其特征在于：所述非晶薄膜和本征非晶薄膜为非晶硅薄膜，或非晶碳薄膜，或非晶锗硅合金薄膜，或非晶碳化硅薄膜。
4、如权利要求1或2或3所述的一种背接触式太阳能电池，其特征在于：在所述非晶薄膜表面加工凹槽，直至暴露出所述硅衬底后，再在所述凹槽内设置所述基区电极。
5、如权利要求1或2或3所述的一种背接触式太阳能电池，其特征在于：在欲形成所述基区电极接触的所述硅衬底背表面或非晶薄膜表面沉积金属薄膜，然后低温退火，利用金属诱导晶化，在横向不导电的所述非晶薄膜上形成导电的所述基区电极接触区后，再在所述接触区设置所述基区电极。
6、如权利要求1或2或3所述的一种背接触式太阳能电池，其特征在于：在欲形成所述基区电极接触的所述非晶薄膜表面沉积一层金属薄膜，然后利用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温使金属穿透所述非晶薄膜，进入所述硅衬底中，并与所述硅衬底形成合金，形成基区电极接触区后，再在所述接触区设置所述基区电极。
7、一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)采用常规的机械加工或激光刻蚀的方法在所述非晶薄膜表面开凹槽，直至暴露出所述硅衬底；
(4)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法在凹槽内制作基区电极；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，与所述基区电极同步或分步，在非晶薄膜表面制作发射区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
8、一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)在非晶薄膜沉积之前或之后，在欲形成基区电极接触的所述硅衬底背表面或非晶薄膜表面沉积金属薄膜；
(4)在低于非晶薄膜发生相变的温度下，对所述非晶薄膜表面进行低温处理，在与沉积有金属薄膜位置对应的硅衬底背表面形成基区电极接触区；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，在所述非晶薄膜表面制作发射区电极和基区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
9、一种背接触式太阳能电池的制作方法，其包括以下步骤：
(1)采用厚度为100～600μm，电阻率为0.2～500Ωcm的P型或N型晶体硅作为基区；
(2)用常规方法清洗所述硅衬底，在所述硅衬底背表面，采用常规方法沉积一层厚度为5～300nm，极性与所述硅衬底相反的非晶薄膜作为发射区；
(3)在非晶薄膜沉积之后，在欲形成基区电极接触的所述非晶薄膜背表面沉积金属薄膜；
(4)利用激光烧蚀金属薄膜，烧蚀产生的高温使金属穿透所述非晶薄膜，进入所述硅衬底中，并与所述硅衬底形成合金，形成基区电极接触区；
(5)采用常规的丝网印刷、真空蒸发或溅射方法，在所述非晶薄膜表面制作发射区电极和基区电极；
(6)采用常规的化学腐蚀方法在所述硅衬底正表面制作织构化层，并采用常规方法在织构化层表面沉积一层或一层以上的减反射层。
10、如权利要求7或8或9所述的背接触式太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤2中，在所述硅衬底背表面先采用常规方法沉积一层厚度为2～100nm的本征非晶薄膜，再沉积所述非晶薄膜。
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