CN101944555A - 铝硼共掺的硅太阳电池背场及其制作方法 - Google Patents

铝硼共掺的硅太阳电池背场及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝硼共掺的硅太阳电池背场及其制作方法，包括如下步骤：在硅太阳能电池背面丝网印刷或喷淋或旋涂浆料状或液态硼源，烘干；在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干，在650-950℃烧结，烧结时间不超过5min。其中，以质量百分比计，硼源中硼元素为铝浆中铝元素的0.02％-4％。本发明制作方法烧结温度低，有效降低了电池的降低翘曲和破碎率。本发明制作方法能够在电池背面形成更均匀的背场，具有采用本发明制作方法得到的具有铝硼共掺背场的硅太阳电池的串联电阻明显降低，并联电阻明显上升，电池效率有较大幅度提升，而成本的增加可以忽略不计。

Description

铝硼共掺的硅太阳电池背场及其制作方法
技术领域
本发明属于太阳能应用领域，尤其涉及一种铝硼共掺的硅太阳电池背场及其制作方法。
背景技术
太阳能是一种分布广泛、用之不竭的清洁能源。太阳电池是一种将太阳能转化为电能的器件，但目前作为光伏市场主体的晶硅电池转换效率依然不高，这严重影响了太阳能的推广和使用。
在硅太阳电池的常规制备工艺中，背面的电极接触除了两条平行的银电极外，其余部分(除边缘1-3mm处裸露外)均用丝网印刷方法印刷铝浆后烧结形成铝背层。这种铝背层结构的一个明显的优势就是：在烧结过程中，铝和硅反应并在背面由硅片基体向外依次形成重掺铝的硅层(以下称为重掺层)、铝硅合金层和铝层，重掺层和铝硅合金层使原本成为肖特基接触的Al-pSi成为了欧姆接触，大大减小了串联电阻，从而提升了电学性能。另外，对于基体为p型硅的太阳电池，重掺层还能与基体形成pp+高低结结构，对光生载流子具有排斥作用，从而减小了电池的表面复合，增大并联电阻，提高了电池效率。因为铝背层的微小的电场作用，所以又被称为铝背场。
铝背场的性能除了与其形成的均匀性有关外，还与重掺层的替位态电活性杂质的浓度有关，该浓度由杂质在烧结温度下在硅中的最大固溶度的所决定。一般来说，其浓度越高，电池的电极接触越好，也就是铝背场的性能越好。对于基体为p型硅的电池而言，电池的表面复合也越小。然而，电池的烧结温度一般为650-950℃，在这个温度范围内，铝在硅中的最大固溶度为5×1018个原子/cm-3。如果要提高重掺层的掺杂浓度，一般需要提高烧结温度，但这可能带来表面氮化硅层裂开，电池翘曲加剧，过渡金属杂质污染加剧等不利影响。
发明内容
本发明提供了一种铝硼共掺的硅太阳电池背场的制作方法，在不改变原有烧结温度的前提下提高重掺层的掺杂浓度，从而改进了硅太阳电池铝背场的电学性能，该方法成本低廉、易于操作。
一种铝硼共掺的硅太阳电池背场的制作方法，包括如下步骤：
(1)在硅太阳能电池背面丝网印刷或喷淋或旋涂硼源，烘干；
(2)在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；
(3)在650-950℃烧结，时间不超过5min；
其中，以质量百分比计，所述的硼源中硼元素为铝浆中铝元素的0.02％-4％，优选为0.08％-1.3％，在此范围内，可显著提高电池效率。
所述的步骤(1)中，所述的硼源为含硼浆料，其组成包括：含硼物质、粘结相玻璃粉和有机溶剂，所述的含硼物质为单质硼、三氧化二硼、硼酸或硼酸盐，且以固体颗粒形式存在。
其中，所述的含硼物质的固体颗粒的大小为0.5～10μm，优选为1-5μm，使得固体颗粒大小与现有丝网印刷模板的网孔大小相匹配，不会对丝网印刷工艺产生不良影响。
其中，所述粘结相玻璃粉可以为PbO-B2O3-SiO2系玻璃粉，所述的有机溶剂为乙醇、乙酸乙酯或硼酸乙酯。通常，玻璃粉的质量分数不超过15％，有机溶剂的质量分数不超过20％。
步骤(1)中，所述的硼源还可以为三氧化二硼有机溶液(有机溶剂可以为醇类或有机酸，但不仅限于此)或有机硼化合物(如硼酸酯，但不仅限于硼酸酯)。
步骤(2)中，所述的铝浆为现有技术中通用的太阳能电池用铝浆，包含平均颗粒大小不超过10μm的铝粉、粘结相玻璃粉、有机载体和添加剂组成，可以从市场上购得，常见的生产厂家有福禄(Ferro)新型材料公司、广州市儒兴科技股份有限公司等，常见的型号有福禄(Ferro)新型材料公司的AL53-110系列和广州市儒兴科技股份有限公司的RX8。
步骤(2)中，丝网印刷采取现有技术中所公开的常规工艺；
步骤(3)中，所述的烧结温度优选为700-875℃。该温度为太阳能工业当前采用的温度区间；所述的烧结时间优选为不超过2min。
本发明还提供了由上述的制作方法得到的铝硼共掺的硅太阳电池背场。
本发明在铝浆中加入硼，利用硼相对铝在硅中有较大固溶度的特点，在热处理实现铝和硅的合金化的同时将硼掺入到重掺层中，得到硼和铝掺杂浓度很高的重掺层并形成硅太阳能电池背场。基于上述背场制备技术，可以得到具有硼铝共掺杂背场的硅太阳能电池。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)采用本发明方法得到的铝硼共掺的太阳能电池背场中，重掺层的掺杂浓度比相同烧结温度下铝在重掺层的掺杂浓度高一个数量级以上，从而降低了串联电阻，减小了表面复合，增大了并联电阻，增加了电池效率。
(2)由于硼在650℃时在硅中的固溶度大于铝在950℃时在硅中的固溶度，且硼在硅中的固溶度在1200℃以下是随温度升高而升高，因此，采取本发明方法可以在低温下烧结得到与常规工艺下制得的电池效率相当的硅太阳能电池，而同时低温烧结有效地降低了电池的翘曲，从而减小了电池的破碎率，降低了成本。
(3)采取本发明方法，能够在烧结中减少背场中铝沉淀的析出，从而在电池背面形成更均匀的背场结构，提升电池的电学性能。
(4)本发明方法对成本的增加可以忽略不计，每瓦增加成本小于万分之一。
此外，本发明中涉及的工艺流程简单可行，具有较好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
(1)在硅太阳能电池背面丝网印刷含硼浆料，烘干；含硼浆料组成包括：1.5μm单质硼粉、粘结相玻璃粉和有机溶剂，粘结相玻璃粉为PbO-B2O3-SiO2系玻璃粉，有机溶剂为乙醇和乙酸乙酯按质量比1∶1混合液；其中，以质量分数计，硼粉占76％，玻璃粉占9.5％，有机溶剂占14.5％。
(2)按常规丝网印刷工艺在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；铝浆从广州市儒兴科技股份有限公司购得，型号为RX8；
(3)在715℃烧结，650℃以上烧结时间不超过2min。
其中，硼源中硼元素为铝浆中铝元素质量的0.98％。
该实施例得到电池的背场，在电池背面由硅片基体向外依次形成硅基体，含铝和硼的重掺层(以下称为重掺层)、铝硅合金层和未完全烧结铝浆层，重掺层的掺杂浓度为1.3×1019atoms/cm3；基于上述的背场制备硅太阳能电池，电池串联电阻为10mΩ，并联电阻87Ω，效率17.5％。
对比例1
使用常规工艺制备硅太阳能电池，包括：
硅片清洗、酸去损和织构、pn结形成与边缘等离子刻蚀、氮化硅膜沉积、背场和正反电极的印刷与烧结，使用不掺B的Al浆形成背场，在与实施例1相同的条件下烧结得到的电池的背层掺杂浓度为3.4×1017atoms/cm3，电池串联电阻为20mΩ，并联电阻20Ω，效率15.3％。
实施例2
(1)在硅太阳能电池背面喷淋液态硼源，烘干；液态硼源为三氧化二硼的乙醇溶液，其中有效成分为三氧化二硼，溶剂为无水乙醇
(2)按常规丝网印刷工艺在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；铝浆从广州市儒兴科技股份有限公司购得，型号为RX8；
(3)在720℃烧结，700℃以上烧结时间不超过2min。
其中，硼源中硼元素为铝浆中铝元素质量的0.46％。。
该实施例得到电池的背场，在电池背面由硅片基体向外依次形成硅基体，含铝和硼的重掺层(以下称为重掺层)、铝硅合金层和未完全烧结铝浆层，重掺层的掺杂浓度为8.0×1018atoms/cm3；基于上述的背场制备硅太阳能电池，电池串联电阻为13mΩ，并联电阻72Ω，效率17.1％。
对比例2
使用常规工艺制备硅太阳能电池，包括：
硅片清洗、酸去损和织构、pn结形成与边缘等离子刻蚀、氮化硅膜沉积、背场和正反电极的印刷与烧结，使用不掺B的Al浆形成背场，在与实施例2相同的条件下烧结得到的电池的背层掺杂浓度为6.3×1017atoms/cm3，电池串联电阻为14mΩ，并联电阻35Ω，效率16.7％。
实施例3
(1)在硅太阳能电池背面旋涂液态硼源，烘干；液态硼源的有效成分为硼酸酯，溶剂为醋酸；
(2)按常规丝网印刷工艺在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；铝浆从广州市儒兴科技股份有限公司购得，型号为RX8；
(3)在745℃烧结，700℃以上烧结时间不超过1min。
其中，硼源中硼元素为铝浆中铝元素质量的1.04％。
该实施例得到电池的背场，在电池背面由硅片基体向外依次形成硅基体，含铝和硼的重掺层(以下称为重掺层)、铝硅合金层和未完全烧结铝浆层，重掺层的掺杂浓度为1.15×1018atoms/cm3；基于上述的背场制备硅太阳能电池，电池串联电阻为6.2mΩ，并联电阻88Ω，效率17.9％。
对比例3
使用常规工艺制备硅太阳能电池，包括：
硅片清洗、酸去损和织构、pn结形成与边缘等离子刻蚀、氮化硅膜沉积、背场和正反电极的印刷与烧结，使用不掺B的Al浆形成背场，在与实施例3相同的条件下烧结得到的电池的背层掺杂浓度为6.3×1017atoms/cm3，电池串联电阻为14mΩ，并联电阻35Ω，效率16.7％。
实施例4
(1)在硅太阳能电池背面丝网印刷含硼浆料，烘干；含硼浆料组成包括：2.3μm单质硼粉、粘结相玻璃粉和有机溶剂，粘结相玻璃粉为PbO-B2O3-SiO2系玻璃粉，有机溶剂为乙醇和硼酸乙酯按质量比1∶1.5的混合物；其中，以质量分数计，硼粉占69％，玻璃粉占11％，有机溶剂占20％。
(2)按常规丝网印刷工艺在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；铝浆从福禄(Ferro)新型材料公司购得，型号为AL53-110；
(3)在780℃烧结，750℃以上烧结时间不超过1min。
其中，硼源中硼元素为铝浆中铝元素质量的0.72％。。
该实施例得到电池的背场，在电池背面由硅片基体向外依次形成硅基体，含铝和硼的重掺层(以下称为重掺层)、铝硅合金层和未完全烧结铝浆层，重掺层的掺杂浓度为2.8×1019atoms/cm3；基于上述的背场制备硅太阳能电池，电池串联电阻为4.5mΩ，并联电86Ω，效率18.0％。
对比例4
使用常规工艺制备硅太阳能电池，包括：
硅片清洗、酸去损和织构、pn结形成与边缘等离子刻蚀、氮化硅膜沉积、背场和正反电极的印刷与烧结，使用不掺B的Al浆形成背场，在与实施例4相同的条件下烧结得到的电池的背层掺杂浓度为2×1018atoms/cm3，电池串联电阻为11mΩ，并联电阻28Ω，效率16.8％。

Claims (8)

1.一种铝硼共掺的硅太阳电池背场的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在硅太阳能电池背面丝网印刷或喷淋或旋涂硼源，烘干；
(2)在硅太阳能电池背面丝网印刷铝浆，烘干；
(3)在650-950℃烧结，时间不超过5min；
其中，以质量百分比计，所述的硼源中硼元素为铝浆中铝元素的0.02％-4％。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的硼源为含硼浆料，其组成包括：含硼物质、粘结相玻璃粉和有机溶剂，所述的含硼物质为单质硼、三氧化二硼、硼酸或硼酸盐，且以固体颗粒形式存在。
3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述的硼源中含硼物质固体颗粒的大小为0.5～10μm。
4.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述的硼源中含硼物质固体颗粒的大小为1-5μm。
5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的硼源为三氧化二硼有机溶液或有机硼化合物。
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，以质量比计，所述的硼源中硼元素为铝浆中铝元素的0.08％-1.3％。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的烧结温度为700-875℃。
8.由如权利要求1～7任一所述的制作方法得到的铝硼共掺的硅太阳电池背场。
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