CN101533874A - 一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法 - Google Patents

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沈辉
曾飞
陈达明
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Abstract

本发明公开了一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，采用单步扩散法对p型硅片进行重掺杂，在重掺杂硅片前电极区域处丝网印刷上高分子聚合物材料作为耐腐蚀阻挡层，其余非电极区域经过化学腐蚀变为轻掺杂的发射极，除去耐腐蚀阻挡层后即制备得选择性发射极结构，最后采用太阳电池常规制备方法即制备得选择性发射极晶体硅太阳电池。该工艺步骤相对简单、且容易实现规模化生产，能够在不增加制作成本的情况下通过发射极结构提高电池的转换效率。

Description

一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳电池的制备方法，具体涉及一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法。
背景技术
自进入本世纪以来光伏产业成为世界上增长最快的高新技术产业。在各类太阳电池中，晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳电池占有极其重要的地位，目前占据了光伏市场90％以上的份额。从世界光伏产量来看，2007年太阳电池产量达到了4.2GW，相比2006年产量翻了一番，尽管在2008年年底，光伏产业受到了席卷全球的金融危机的冲击，但是2008年产量仍然超过了5GW。我国太阳电池的产量在最近几年得到了突飞猛进的发展，2007年产量为1.2GW，产能达到了2GW；2008年中国太阳电池产量突破了2GW，产能超4GW，位居世界第一。由于快速发展的光伏发电市场确立了多晶硅材料的主导作用，以晶体硅为代表的第一代太阳电池是现在光伏发电的主力，从发展的观点来看，晶体硅太阳电池在未来很长的一段时间仍将占据主导地位。
在光伏产业飞速发展的同时，寻求更低的太阳电池制造成本及提高电池转换效率仍是业界不断追求的目标和提高自身竞争力之所在，因此，人们不断探索各种提高效率或者降低成本的技术工艺路线。在各类涌现的新技术中，选择性发射极结构是提高太阳电池转换效率的一个比较有效的方法。为了形成良好的前电极欧姆接触，要求太阳电池发射极掺杂浓度越高越好，这样可以形成较好的欧姆接触；但是，低的方块电阻会使得前表面产生较为严重的“死层”，一方面导致前表面复合速率很大，引起开路电压降低，另一方面使高能短波光子得不到有效利用，导致短路电流降低。因此，从光生载流子的收集来看，只有轻掺杂的发射极才有利于电池的转换性能的提高。目前对于传统商业化生产的晶体硅太阳电池来说，扩散后p-n结的方块电阻一般为40～50ohm/sq，这是为了适应于丝网印刷电极的需要，因此传统的太阳电池效率一般只保持在17.0％以下。
提高方块电阻可改善开路电压和短路电流，但是在丝网印刷电极的方式下，电极与硅材料的接触电阻很大，最终会由于填充因子的大幅度降低从而引起转换效率降低。为了同时照顾开路电压、短路电流和填充因子的需要，选择性发射极电池是非常理想的选择，即在电极接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。这样的结构会增加短波响应和降低表面复合，同时减少前电极与发射区的接触电阻，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高了转换效率。
选择性发射极早在上世纪90年代就有文献报道过，后来得到人们的重视并应用在高效电池的研究当中，例如新南威尔士大学的PERC、PERL电池中，均采用了选择性发射极结构。实现选择性发射极结构的方法可以分为双步扩散法和单步扩散法，双步扩散法是进行两次热扩散而形成该结构；双步法分两个步骤分别形成选择性发射极结构的两个不同区域，一般在高掺杂深扩散区得到低于20Ω/□左右的方块电阻，而在低掺杂浅扩散区得到80Ω/□左右的方块电阻。由于两步扩散法中硅片有两次高温热过程，对硅片的损害较大而且热耗也很大，而且工艺步骤多、复杂，并且制备的面积小，而且大多是采用掩膜蒸发或者光刻的方法蒸镀前表面电极，所以双步法在高效电池的研究中常被采用。
而单步扩散法是在一次热扩散中形成该结构，单步扩散法是为了避免双步扩散法的弊端而形成的。它的具体操作形式主要有两种，一是加拿大的D.S.Ruby在表面均匀涂源进行扩散形成较深的结，然后印刷电极后再在非电极区用等离子体刻蚀很薄的一层，此方法中等离子体腐蚀需要相对复杂和昂贵的设备，腐蚀过程中也会对电极的接触有影响。另外一种是对加热源进行掩膜处理，使得均匀地印刷在硅片表面上的杂质在扩散过程中受光和热不均匀而造成扩散深浅不同、浓度高低不同的区域，从而形成选择性发射极结构。此方法中，要求掩模在高温扩散的过程中不能变形，且操作也较复杂。由于单步法热耗少并且避免了对硅片的二次高温处理而带来的损害等优点，因此人们在以单步法的基础上结合其它技术开展了了制作选择性发射极不同技术的研究。
S.Sivoththaman等人用PH3和SiH4为反应气体，通过低温常压化学气相沉积(APCVD)的方法，在硅片表面沉积磷硅酸盐玻璃体，控制不同区域的PH3与SiH4的流量比就可以调节玻璃体中磷的浓度，以此为磷扩散源，通过快速热处理在不同区域实现不同浓度的掺杂来制备选择性发射极。A.Rohatgi在硅片表面扩散了低浓度的磷并制备好SiNx减反膜之后，在印刷电极的浆料中掺入高浓度磷浆，印刷好电极后在高于银—硅共晶温度的条件下烧结，同时实现高浓度的磷从银浆中向电极区扩散，形成欧姆接触。J.Horzel则用类似丝网印刷电极的方式在硅片上印刷高浓度的磷浆，扩散时在印有磷浆的区域形成重掺杂，而通过磷浆的挥发和扩散作用在其他区域形成轻掺杂，从而实现电极区与非电极区不同浓度的掺杂，这种方法不需腐蚀或者掩模就可直接制备出选择性发射极。
在太阳电池研究过程中，尽管选择性发射极太阳电池有一定时间的研究历史，而且选择性发射极结构是所有高效电池研究中都采取的，但是迄今为止还没有一种选择性发射极制造方法和大规模化太阳电池生产工艺相兼容。因此，开发低成本的、与标准电池工艺相兼容的选择性发射极晶体硅太阳电池工艺技术是各大厂家的一个重要研发方向。选择性发射极晶体硅太阳电池目前还没有实现商业化生产，但是已有多家生产企业正在开发小规模化生产的选择性发射极晶体硅太阳电池，如以赵建华为核心技术团队的南京中电光伏有限公司已宣布实现了小规模化选择性发射极的生产，相关的技术工艺处于保密之中。国际上A.Zerga等采用H等离子体和湿化学腐蚀的办法制备规模化选择性发射极多晶硅太阳电池的研究报道。此外，国内其它几家生产企业也正在积极研发选择性发射极晶体硅太阳电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，该方法与两步扩散法相比较相对简单，且适合规模化生产。
为达到上述目的，本发明提供的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法为：采用单步扩散法对p型硅片进行重掺杂，在重掺杂硅片前电极区域处丝网印刷上高分子聚合物材料作为耐腐蚀阻挡层，其余非电极区域经过化学腐蚀变为轻掺杂的发射极，除去耐腐蚀阻挡层后即制备得选择性发射极结构，最后采用太阳电池常规制备方法即制备得选择性发射极晶体硅太阳电池。
进一步的，本发明提供的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)均匀P重扩散：以POCl3为液态源，采用单步扩散法对晶体硅片进行p重扩散，制备得p-n+结；
(2)耐腐蚀阻挡层的制备：在前电极区域处丝网印刷高分子聚合物耐腐蚀层以阻止化学腐蚀液对前电极下方n+区的腐蚀；
(3)选择性发射极的化学腐蚀：采用化学腐蚀液对非前电极区域的n+区进行腐蚀；
(4)耐腐蚀阻挡层的去除：采用试剂将腐蚀阻挡层从硅片上面剥离；
(5)选择性发射极太阳电池的制备：在上述步骤处理过的选择性电极结构上，采用太阳电池常规技术，制得选择性发射极太阳电池。
其中：
步骤(1)中的晶体硅片为单晶硅片或多晶硅片。
步骤(1)中制备的n+的方块电阻为20～30Ω/□。
步骤(2)中的高分子聚合物是丙烯酸树脂。
步骤(2)中耐腐蚀层还需要经过烘干和固化，烘干和固化温度为150～200℃。
步骤(3)中的化学腐蚀液为混合酸液，所述混合酸液为HF和HNO3的水溶液，HF、HNO3和水三者配比是1∶3～7∶5～11，腐蚀时间是30～60s。
步骤(3)中腐蚀后的发射极方块电阻为80～120Ω/□。
步骤(4)中采用的试剂是乙醇。
步骤(4)中太阳电池的常规制备技术包括：PECVD SiNx薄膜制备，丝网印刷前、后电极、背场，烧结，分析测试及表征。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用单步扩散法工艺，开发出工艺步骤相对简单、且容易实现规模化生产的选择性发射极制备工艺制备选择性发射极晶体硅太阳电池；
(2)本发明采用高分子聚合物材料作为腐蚀阻挡层，利用单步扩散法进行重扩散，然后再进行腐蚀制备选择性发射极结构；
(3)本发明发射极晶体硅太阳电池的制备方法，能够在不增加制作成本的情况下通过发射极结构提高电池的转换效率。
具体实施方式
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法为：首先利用单步扩散法完成p型硅片的均匀重掺杂，然后在重掺杂的硅片上前电极位置丝网印刷一层高分子聚合物材料作为耐腐蚀阻挡层，其余非前电极区域经过化学腐蚀，通过腐蚀后非电极区域变为轻掺杂的发射极，从而形成前电极下为重掺杂而其它区域为轻掺杂的选择性发射极结构，最后，在制备的选择性发射极上完成PECVD氮化硅减反射膜、丝网印刷电极、烧结等常规电池工艺即制备得选择性发射极晶体硅太阳电池。
其中，高分子聚合物材料为高质丙烯酸树脂，化学腐蚀液为HF和HNO3的水溶液，HF、HNO3和水三者配比是1∶3～7∶5～11，腐蚀时间为30～60s，除去耐腐蚀层所采用的试剂为乙醇。
实施例2
本实施例提供的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)均匀P重扩散：以POCl3为液态源，采用单步扩散法对晶体硅片进行p重扩散，制备得p-n+结；
(2)耐腐蚀阻挡层的制备：在前电极区域处丝网印刷高分子聚合物耐腐蚀层以阻止化学腐蚀液对前电极下方n+区的腐蚀；
(3)选择性发射极的化学腐蚀：采用化学腐蚀液对非前电极区域的n+区进行腐蚀；
(4)耐腐蚀阻挡层的去除：采用试剂将腐蚀阻挡层从硅片上面剥离；
(5)选择性发射极太阳电池的制备：在上述步骤处理过的选择性电极结构上，采用太阳电池常规技术，制得选择性发射极太阳电池。
其中：
步骤(1)中的晶体硅片为单晶硅片或多晶硅片，该单晶硅片或多晶硅片使用前需经过清洗，并去除损伤层。
步骤(1)中制备的n+的方块电阻为20～30Ω/□。
步骤(2)中的高分子聚合物是丙烯酸树脂。
步骤(2)中耐腐蚀层还需要经过烘干和固化，烘干和固化温度为150℃～180℃。
步骤(3)中的化学腐蚀液为混合酸液，所述混合酸液为HF和HNO3的混合酸液，HF、HNO3和水三者配比是1∶5∶11，腐蚀时间是45s。
步骤(3)中腐蚀后的发射极方块电阻为80～100Ω/□。
步骤(4)中采用的试剂是乙醇。
步骤(4)中太阳电池的常规制备技术包括：PECVD SiNx薄膜制备，丝网印刷前、后电极、背场，烧结，分析测试及表征。
实施例3
本实施例提供的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先进行均匀P重扩散：以POCl3为液态源，在制备的具有陷光结构的单晶硅和多晶硅片上进行P重扩散制备p-n+结，制备的n+的方块电阻在20～30Ω/□；
(2)耐腐蚀阻挡层制备：采用丝网印刷技术在即将印刷前电极区域丝网印刷一层高质丙烯酸树脂高分子聚合物保护层，该保护层充当酸腐蚀的阻挡层，阻止酸液对前电极下方n+区的腐蚀；
(3)酸腐蚀阻挡层烘干、固化：在150℃～200℃温度下，将该腐蚀阻挡层烘干、固化；
(4)选择性发射极腐蚀：采用三者配比是1∶5～7∶8～10的HF和HNO3水溶液，对扩散的非前电极区域的发射极区n+进行腐蚀45s，直到腐蚀后的发射极方块电阻达到80～120Ω/□为止；
(5)耐腐蚀阻挡层的去除：采用乙醇试剂将腐蚀阻挡层从硅片上面剥离；
(6)太阳电池制备的常规工艺：包括PECVD SiNx薄膜的制备，丝网印刷前、后电极、背场，烧结，分析测试及表征。
具体制备过程为：选取晶体硅片为单晶硅片或多晶硅片，使用前需经过清洗并去除损伤层，制绒，采用POCl3进行p重扩散，采用等离子刻蚀周边p-n+结，在前电极区域丝网印刷一层丙烯酸树脂保护层，烘干，使用混合酸对扩散的非前电极区域的发射极区n+进行腐蚀后，去除耐腐蚀阻挡层，清洗、甩干后，再经过PECVD减反射膜沉积、丝网印刷背电极、烘干、丝网印刷铝背场、烘干、丝网印刷前电极、烘干、烧结等常规电池工艺后，进行电池性能测试和分类。

Claims (10)

1、一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，采用单步扩散法对p型硅片进行重掺杂，在重掺杂硅片前电极区域处丝网印刷上高分子聚合物材料作为耐腐蚀阻挡层，其余非前电极区域经过化学腐蚀成为轻掺杂的发射极，除去耐腐蚀阻挡层，即制备得前电极为重掺杂而其它区域为轻掺杂的选择性发射极结构，最后采用太阳电池常规制备方法即制备得选择性发射极晶体硅太阳电池。
2、根据权利要求1所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)均匀P重扩散：以POCl3为液态源，采用单步扩散法对晶体硅片进行p重扩散，制备得p-n+结；
(2)耐腐蚀阻挡层的制备：在前电极区域处丝网印刷高分子聚合物耐腐蚀层以阻止化学腐蚀液对前电极下方n+区的腐蚀；
(3)选择性发射极的化学腐蚀：采用化学腐蚀液对非前电极区域的n+区进行腐蚀；
(4)耐腐蚀阻挡层的去除：采用试剂将耐腐蚀阻挡层从硅片上面剥离；
(5)选择性发射极太阳电池的制备：在上述步骤处理过的选择性电极结构上，采用太阳电池常规技术，制得选择性发射极太阳电池。
3、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的晶体硅片为单晶硅片或多晶硅片。
4、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制备的n+的方块电阻为20～30Ω/□。
5、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的高分子聚合物是丙烯酸树脂。
6、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中耐腐蚀层还需要经过烘干和固化，烘干和固化温度为150～200℃。
7、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的化学腐蚀液为混合酸液，所述混合酸液为HF和HNO3的水溶液，HF、HNO3和水三者的配比是1∶3～7∶5～11，腐蚀时间是30～60s。
8、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中腐蚀后的发射极方块电阻为80～120Ω/□。
9、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用的试剂是乙醇。
10、根据权利要求2所述的选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中太阳电池的常规制备技术包括：PECVD SiNx薄膜制备，丝网印刷前、后电极、背场，烧结，分析测试及表征。
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