CN102117851A - 一种n型多晶硅电池片及其生产方法 - Google Patents

一种n型多晶硅电池片及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池片及其生产方法，特别公开了一种N型多晶硅电池片及其生产方法。该N型多晶硅电池片，包括电池片，电池片上端设有银铝电极，下端设有银电极，电池片包括从上到下的SiNx抗反射层、P+射极层、N型硅片、N+射极层及SiNx抗发射层，其特征是：在SiNx抗反射层与P+射极层之间设有一层SiO2钝化层。本发明的有益效果是：N型硅片材料金属杂质比较少，因此N型硅片材料比P型硅片材料有比较长的少数载子寿命和扩散长度，N型多晶硅电池比P型多晶硅电池容易获得比较高的电池转换效率，使用本发明N型多晶硅电池片生产方法生产出来的电池片转换效率提高到17.3％-17.5％。

Description

一种N型多晶硅电池片及其生产方法
(一)技术领域
本发明涉及一种电池片及其生产方法，特别涉及一种N型多晶硅电池片及其生产方法。
(二)背景技术
多晶硅电池片，是太阳能电池片的一种，是相对环保的一种电池片。电池片一般分为单晶硅、多晶硅和非晶硅，单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，生产成本较高，多晶硅电池片其成本远低于单晶硅电池，而效率又高于非晶硅薄膜电池。
目前全世界生产多晶硅电池片九成以上均以生产P型多晶硅电池片为主，传统的P型多晶硅电池是在N+射极层直接使用PECVD镀上SiNx抗反射层，这样高温会破坏N+射极层，且P型多晶硅电池片转换率低。业界没有公开发表量产N型多晶硅电池片，目前全世界N型多晶硅电池片的技术也并非完善。
(三)发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种转换效率提高的N型多晶硅电池片及其生产方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种N型多晶硅电池片，包括电池片，电池片上端设有银铝电极，下端设有银电极，电池片包括从上到下的SiNx抗反射层、P+射极层、N型硅片、N+射极层及SiNx抗发射层，其特征是：在SiNx抗反射层与P+射极层之间设有一层SiO2钝化层。
在电池片正面P+射极层利用湿氧化学工艺形成SiO2钝化层保护P+射极层，避免下一道工艺在使用PECVD镀上SiNx抗反射层时，因为高温而破坏P+射极层，不同于传统的P型多晶硅电池是在N+射极层直接使用PECVD镀上SiNx抗反射层。
一种N型多晶硅电池片的生产方法，包括如下步骤：(1)制绒，(2)磷扩散，(3)硼扩散(4)抗反射，(5)丝网印刷，(6)烧结，其特征是：步骤(3)与(4)之间还包括步骤(3-1)在P+射极层表面制备SiO2钝化层，步骤(4)抗反射中，在SiO2钝化层上面和N+射极层(4)下面分别镀上一层SiNx抗发射层。
本发明一种N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)制绒：将N型硅片放入混合酸性蚀刻液中对N型硅片表面进行方向性蚀刻，使暴露出的硅晶截面产生大小不一的金字塔形状的表面；
化学反应式为：
Si+4HNO3→SiO2+4NO2+H2O
SiO2+4HF→SiF4+2H2O；
(2)磷扩散：在N型硅片下面做N型磷扩散，磷原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成N+射极层；
化学反应式为：
4POCL3+3O2→2P2O5+6CL2
2P2O5+5Si→4P+5SiO2；
(3)硼扩散：在N型硅片上面做P型硼扩散，硼原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成P+射极层；
(3-1)湿化学制程：利用磷玻璃蚀刻机将残留物移除，将PN绝缘，利用湿氧化学作用在P+射极层表面长成一层SiO2钝化层；
(4)抗反射：利用电浆增强化学气象沉积法(PECVD)，分别在SiO2钝化层上面和N+射极层下面镀上一层SiNx抗发射层；
(5)丝网印刷：利用网版印刷技术，于N型硅片上印刷出所需要的电极样式，以收集电流；
(6)烧结：将正面的银铝胶及反面的银胶、铝胶，经由高温使其渗入硅晶体中形成牢固的电焊带。
步骤(3-1)中湿氧化学作用的具体做法是将氧气通入90-100℃的去离子水中，再通入氧化炉内对多晶硅电池片进行湿氧化处理，氧气流量为1-1.5L/min，用HF溶液去除氧化层，最后用去离子水冲洗至少一遍，烘干后备用。
HF溶液中HF与去离子水的体积比为1∶5-15。
步骤(1)中混合酸性蚀刻液为质量分数为45％-50％的氢氟酸，质量分数为57％-64％的硝酸以及纯水的混合酸溶液，氢氟酸、硝酸的体积分数分别为12％-20％、45％-50％，其余为水。
步骤(1)中蚀刻温度为-12℃-18℃，压力为0.1Mpa，蚀刻时间为25-230秒，蚀刻过程中通入0.2-0.8m3/h的氮气进行扰动。
步骤(2)、(3)中的温度为850-950℃，步骤(6)中温度为800-900℃。
步骤(3-1)中SiO2钝化层的厚度为5-10nm，步骤(4)中SiNx抗发射层的厚度为60-80nm。
N型多晶硅电池片是以N型硅片为基材且经由硼扩散(B doped)形成P+射极层，不同于P型多晶硅电池片的生产工艺，P型多晶硅电池片是以P型硅片为基材且经由磷扩散(P doped)形成N+射极层。
N型多晶硅电池片技术指标：如下表
  编   项目   说明   要求
  1.   Efficienc   转换效率   ＞17.3％
  2.   Imp   最大输出电流   ＞8.09A
  3.   Vmp   最大输出电压   ＞0.514V
  4.   Isc   短路电流   ＞8.72A
  5.   Voc   开路电压   ＞0.622V
  6.   FF   填充因子   ＞77.18％
本发明的有益效果是：N型硅片材料金属杂质比较少，因此N型硅片材料比P型硅片材料有比较长的少数载子寿命和扩散长度，以N型硅片为基材做成的N型多晶硅电池比P型硅片为基材做成的P型多晶硅电池容易获得比较高的电池转换效率，使用本发明N型多晶硅电池片生产方法生产出来的电池片转换效率提高到17.3％-17.5％。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为P型多晶硅电池片的结构示意图；
图2为本发明N型多晶硅电池片的结构示意图。
图中，1P型硅片，2银电极，3铝电极，4N+射极层，5SiNx抗反射层，6N型硅片，7银铝电极，8SiO2钝化层，9P+射极层。
(五)具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。该N型多晶硅电池片，包括电池片，电池片上端设有银铝电极7，下端设有银电极2，电池片包括从上到下的SiNx抗反射层5、P+射极层9、N型硅片6、N+射极层4及SiNx抗发射层5，在SiNx抗反射层5与P+射极层9之间设有一层SiO2钝化层8。
P型多晶硅电池片，包括电池片，电池片上端设有银电极2，下端设有铝电极3，电池片包括从上到下的SiNx抗反射层5、N+射极层4及P型硅片1。
该N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)制绒：将N型硅片6放入混合酸性蚀刻液中对N型硅片6表面进行方向性蚀刻，使暴露出的硅晶截面产生大小不一的金字塔形状的表面；
化学反应式为：
Si+4HNO3→SiO2+4NO2+H2O
SiO2+4HF→SiF4+2H2O；
酸制绒后，再进行稀碱洗，此方法为现有技术，不再详述。
硅晶的截面产生大小不一的金字塔形状的表面(超粗化)，这种结构可以将硅芯片的反射率由30-40％降至10-20％，借此增加光电流提高效率，使用混合酸性蚀刻液对N型硅片6进行蚀刻，混合酸性蚀刻液包括质量分数为49％的氢氟酸15升、质量分数为62％的硝酸48升，其余为水，蚀刻温度为15℃，压力为0.1Mpa，蚀刻时间为100秒，蚀刻过程中通入0.5m3/h的氮气进行扰动。
制绒目的：
a.去除N型硅片6因机械切割所产生的应变及污染；
b.形成N型硅片6表面金字塔状之凹凸结构，增加光折射进入N型硅片6中，提高转换效率的目的。
(2)磷扩散：在N型硅片6下面做N型磷扩散，使用POCl3(磷)加上氧(O)和氮气(N)在高温炉管进行扩散，磷原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成N+射极层4；
材料：POCL3(三氯氧化磷)、O2(氧气)、N2(氮气)
化学反应式为：将POCL3(液体)以惰性气体(N2)当载体与O2反应形成P2O5，P2O5再与Si反应形成P(磷)与SiO2；
4POCL3+3O2→2P2O5+6CL2
2P2O5+5Si→4P+5SiO2；
目的：以气体方式将带有磷原子之不纯物送入保持在高温900℃之N型硅片6上，磷原子由浓度高扩散至浓度低之N型硅片6上，形成大面积的N+射极层4，保护背电场。
(3)硼扩散：在N型硅片6上面做P型硼扩散，使用Boron(硼)加上氧(O)和氮气(N)在高温炉管进行扩散，硼原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成P+射极层9；
(3-1)湿化学制程：磷扩散和硼扩散制程时会于生产过程中，在N型硅片6表面中会有SiO2，PO2及硼酸之残留物，该物会影响到电池转换效率，利用磷玻璃蚀刻机将残留物移除，将PN绝缘以达成提升转换效率的目的，利用湿氧化学作用在P+射极层9表面长成一层8nm厚的SiO2钝化层8；
湿氧化学作用的具体做法是将氧气通入95℃的去离子水中，再通入氧化炉内对多晶硅电池片进行湿氧化处理，氧气流量为1.2L/min，用HF溶液去除氧化层，最后用去离子水冲洗至少一遍，烘干后备用。
HF溶液中HF与去离子水的体积比为1∶10。
(4)抗反射：利用电浆增强化学气象沉积法(PECVD)，分别在SiO2钝化层8上面和N+射极层4下面镀上一层厚为70nm的SiNx抗发射层5；
利用PECVD法(电浆增益化学气相沉积法)于N型硅片6扩散上面沉积Si3N4，用以减少阳光反射，达成增加光吸收率，提高转换效率的目的。并保护电池不受辐射及大气的影响，延缓组件老化，增加组件寿命，不同于P型电池片技术，N型电池片技术是两面镀膜，电池片正面与背面均镀上一层抗反射膜，抗反射的效果更好，背面镀上抗反射层，并且模拟传统P型电池正面电池结构，有助于下一个烧结制程的调适。
在太阳光谱范围内，当太阳电池表面对光的反射程度越小，表示吸收的光愈多，太阳能源转换成其它型态的能源效率就越高，镀上抗反射层以提升电池转换效能，且抗反射层亦可保护电池不受辐射及大气的影响，延缓组件老化，增加组件寿命。
一般硅芯片的反射率约为30％，镀上抗反射膜后，反射率可降至10％以下。利用抗反射膜来降低入射光在太阳电池表面的反射率，增加入射光在电池表面的穿透率是必要的。目前是利用电浆增强化学气象沉积法(PECVD)，在太阳电池表面镀上一层抗反射层(Anti-Reflection layer)，减少阳光反射，达成增加光吸收率，提高转换效率。
(5)丝网印刷：利用网版印刷技术，于N型硅片6上印刷出所需要的电极样式，以收集电流；
网版印刷形电极：
材料：Ag  Ag paste(银胶)、Al paste(铝胶)、Ag+Al paste
(银铝胶)，以Ag、Al粉及玻璃粉用有机溶剂混合而成。
电极印刷顺序：
a.先印刷正面Ag+Al paste(银铝胶)电极经干燥炉烘烤去除有机溶剂并使电极定型。
b.印刷背面Al paste(铝胶)电场经干燥炉烘烤去除有机溶剂并使电极定型。
c.印刷背面Ag paste(银胶)电极结构经干燥炉烘烤去除有机溶剂并使电极定型。
目的：利用网版印刷技术，于wafer上印刷出所须要的电极样式，以收集电流。
(6)烧结：将正面的银铝胶及反面的银胶、铝胶，经由高温使其渗入硅晶体中形成牢固的电焊带，以高温850℃热处理，将上面Finger and Bus Bar Ag/Al paste(银铝胶)电极透过反射防止膜与N型硅片6接合及背面Ag paste(银胶)电极、Al paste(铝胶)电场与N型硅片6接合。
步骤(2)-(6)均为现有技术，不再详述。
本发明的有益效果是：N型硅片材料金属杂质比较少，因此N型硅片材料比P型硅片材料有比较长的少数载子寿命和扩散长度，以N型硅片为基材做成的N型多晶硅电池比P型硅片为基材做成的P型多晶硅电池容易获得比较高的电池转换效率，使用本发明N型多晶硅电池片生产方法生产出来的电池片转换效率提高到17.3％-17.5％。

Claims (9)

1.一种N型多晶硅电池片，包括电池片，电池片上端设有银铝电极(7)，下端设有银电极(2)，电池片包括从上到下的SiNx抗反射层(5)、P+射极层(9)、N型硅片(6)、N+射极层(4)及SiNx抗发射层(5)，其特征是：在SiNx抗反射层(5)与P+射极层(9)之间设有一层SiO2钝化层(8)。
2.一种权利要求1所述的N型多晶硅电池片的生产方法，包括如下步骤：(1)制绒，(2)磷扩散，(3)硼扩散(4)抗反射，(5)丝网印刷，(6)烧结，其特征是：步骤(3)与(4)之间还包括步骤(3-1)在P+射极层(9)表面制备SiO2钝化层(8)，步骤(4)抗反射中，在SiO2钝化层(8)上面和N+射极层(4)下面分别镀上一层SiNx抗发射层(5)。
3.根据权利要求2所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)制绒：将N型硅片(6)放入混合酸性蚀刻液中对N型硅片(6)表面进行方向性蚀刻，使暴露出的硅晶截面产生大小不一的金字塔形状的表面；
(2)磷扩散：在N型硅片(6)下面做N型磷扩散，磷原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成N+射极层(4)；
(3)硼扩散：在N型硅片(6)上面做P型硼扩散，硼原子经由高温扩散的方式进入硅晶格内，形成P+射极层(9)；
(3-1)湿化学制程：利用磷玻璃蚀刻机将残留物移除，将PN绝缘，利用湿氧化学作用在P+射极层(9)表面长成一层SiO2钝化层(8)；
(4)抗反射：利用电浆增强化学气象沉积法(PECVD)，分别在SiO2钝化层(8)上面和N+射极层(4)下面镀上一层SiNx抗发射层(5)；
(5)丝网印刷：利用网版印刷技术，于N型硅片(6)上印刷出所需要的电极样式，以收集电流；
(6)烧结：将正面的银铝胶及反面的银胶、铝胶，经由高温使其渗入硅晶体中形成牢固的电焊带。
4.根据权利要求3所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：步骤(3-1)中湿氧化学作用的具体做法是将氧气通入90-100℃的去离子水中，再通入氧化炉内对多晶硅电池片进行湿氧化处理，氧气流量为1-1.5L/min，用HF溶液去除氧化层，最后用去离子水冲洗至少一遍，烘干后备用。
5.根据权利要求4所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：HF溶液中HF与去离子水的体积比为1∶5-15。
6.根据权利要求3所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：步骤(1)中混合酸性蚀刻液为质量分数为45％-50％的氢氟酸，质量分数为57％-64％的硝酸以及纯水的混合酸溶液，氢氟酸、硝酸的体积分数分别为12％-20％、45％-50％，其余为水。
7.根据权利要求3所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：步骤(1)中蚀刻温度为-12℃-18℃，压力为0.1Mpa，蚀刻时间为25-230秒，蚀刻过程中通入0.2-0.8m3/h的氮气进行扰动。
8.根据权利要求3所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：步骤(2)、(3)中的温度为850-950℃，步骤(6)中温度为800-900℃。
9.根据权利要求3所述的N型多晶硅电池片的生产方法，其特征是：步骤(3-1)中SiO2钝化层(8)的厚度为5-10nm，步骤(4)中SiNx抗发射层(5)的厚度为60-80nm。
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