CN102122685B - 一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池制作方法，该方法选取预处理后的晶体硅片，先在第一温度梯度区间内进行磷浅扩散形成p-n+结，接着在硅片的两面镀膜，再对镀膜后硅片采用激光刻槽至将其贯穿，然后采用腐蚀液清洗并去除损伤层，接着在第二温度梯度区间内进行磷重扩散形成p-n++结，最后经一次丝网印刷正负银电极及后续常规工序处理后制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。采用本发明方法制成的太阳电池在增加对光的吸收与载流子的收集、遏制衰减并降低对起始材料少子寿命的依赖程度以及大大简化电池片的组装与提高组件效率等方面发挥着独特的作用。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法。
技术背景
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。在各类太阳能电池中，晶体硅(单晶、多晶)太阳能电池占有极其重要的地位，目前占据了光伏市场的75％以上的份额。晶体硅太阳能电池利用p-n结的光生伏特效应实现光电转换，从发展的观点来看，晶体硅太阳能电池在未来很长的一段时间仍将占据主导地位。
目前光伏组件大规模应用的最主要制约因素是成本与转化效率问题，其中，光伏组件的最主要成本是晶硅材料，对于质量低的硅材料，效率不容易提上来；对于质量高的材料，成本又太高。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，发射极卷包结构是提高太阳能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。提高方块电阻以及增加对光的吸收面积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效率降低。
为了同时兼顾开路电压、短路电流和填充因子的需要，发射极卷包太阳能电池是非常理想的选择，即把前电极如通过激光贯孔的方式引向背面，其孔与槽内以及接触部位进行重掺杂，在电极之间位置通过掩膜阻挡。这样的结构利用了选择性发射极的原理同时大大增加对光的吸收，从而提高短波响应以及载流子的收集，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，最终提高转换效率，同时具有遏制衰减并降低对起始材料少子寿命的依赖程度以及大大简化电池片的组装与提高组件效率等方面发挥着独特的作用。
发射极卷包晶体硅太阳能电池早在上世纪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，例如德国IFSH(Institute for Solar Energy Research Hameln)研究所研发的RISE-EWT就是采用了此种结构。在太阳能电池研究过程中，尽管发射极卷包太阳能电池有一定时间的研究历史，但是迄今为止还没有一种发射极卷包晶体硅太阳能电池制造方法和大规模化晶体硅太阳能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发射极卷包晶体硅太阳能电池工艺技术是各大厂家的一个重要研发方向，开发低成本的、与标准电池工艺相兼容的新型类发射极卷包晶体硅太阳能电池工艺技术具有重大意义。这些技术首先要求能在晶硅材料上产生较大的短路电流与开路电压以及填充因子，同时对晶体硅材料质量要求不高。最后应对生产要求，制备技术还要做到在时间和成本上有较好控制，适合产业化。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，该制备方法利用两次高温扩散工艺和激光刻槽工艺，制备出具有发射极卷包结构的太阳能电池，其简化了太阳电池片的组装工艺，提高了组件的效率，产业化前景好，性价比高。
本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，选取预处理后的晶体硅片，先在第一温度梯度区间内进行磷浅扩散形成p-n+结，接着在硅片的两面镀膜，再对镀膜后硅片采用激光刻槽至将其贯穿，然后采用腐蚀液清洗并去除损伤层，接着在第二温度梯度区间内进行磷重扩散形成p-n++结，最后经一次丝网印刷正负银电极及后续常规工序处理后制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。
本发明提供的一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，可以进一步包含如下步骤：
(1)选取晶体硅片，进行预处理，采用液态POCl3在第一温度梯度区间内进行高温磷浅扩散形成p-n+结；
(2)在磷浅扩散后硅片的两面镀膜作为耐腐蚀层与扩散阻挡层；
(3)设计激光刻槽的工艺条件，选择腐蚀图案，从硅片表面开孔刻槽并将其贯穿，形成交叉状的栅线图案；
(4)采用腐蚀液清洗并除去激光刻槽时形成的损伤层；
(5)在第二温度梯度区间内对晶体硅片进行高温磷重扩散形成p-n++结，最后在硅片的背面经一次丝网印刷正负银电极及常规后续工序制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。
其中，在上述步骤中：
步骤(1)中所述的晶体硅片为p型单晶或多晶硅片。
步骤(1)中所述晶体硅片的预处理工序包括清洗除去损伤层和制绒工序。
步骤(1)中第一温度梯度区间的温度范围为840-850℃，温度梯度为0.1-0.5℃，经首次磷浅扩散后形成p-n+结的方块电阻为60-100Ω/□。
步骤(2)中在硅片的两面镀膜为氮化硅薄膜。
本发明根据硅片和激光束的性能，选择合适扫描刻蚀图案，从硅片表面刻槽直至贯穿，形成交叉状的栅线图案；采用的激光是选用脉冲重复频率(Q)，脉冲能量平均功率(P)(通过调节电流I)，激光束扫描速度(V)以及离焦量(Δf)和打标次数(N)作为参数进行实验。本发明步骤(3)中激光刻槽时的工艺条件为：平均功率10-100W、波长250-1000nm，激光脉冲频率为1K-30KHz，扫描速度为10-1000mm/s，激励电流为12-20A，离焦量为-4-+4mm，打标次数为10-80次，在晶硅片表面所形成槽的槽宽为30-80μm，形成的交叉状的栅线的间距为1mm-3mm。
步骤(4)中的腐蚀液为重量百分含量为10-30％的NaOH溶液，腐蚀时间为1-10min。开孔刻槽后采用碱液清洗硅片表面的残渣，并腐蚀槽区表面以及内部的损伤层，使其恢复正常的电学性能，但没有经过激光处理的掩膜层基本不受腐蚀液的影响。
步骤(5)中第二温度梯度区间的温度范围为900℃-915℃，温度梯度为1-5℃，经再次磷重扩散后形成p-n++结的方块电阻是10-30Ω/□。
步骤(5)中所述的后续常规工序包括丝网印刷铝背场、烘干和烧结工序。本发明所述的常规太阳电池制备工艺(工序)包括制绒，丝网印刷正负栅线都为银浆，基于太阳电池的常规工艺只需一次印刷正负银电极、烧结、分析测试及表征等。
本发明有益结果是：
①.本发明是利用激光结合常规电池工艺设备，开发出来的步骤相对简单、且容易实现规模化生产的类发射极卷包制备工艺制备新型的晶体硅太阳能电池；
②.本发明新型结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，能够在低成本的情况下通过此类发射极卷包结构提高电池的转化效率以及遏制衰减，特别适合应用于物理法等低质量提纯硅的电池制备；
③.本发明新型结构的集体硅太阳电池的制备方法，不仅可以降低组件封装的成本，而且可以提高组件的转化效率。
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，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
本实施例提供的一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，选取预处理后的p型晶体硅片，先在硅片的背面进行首次高温磷浅扩散形成p-n+结，接着在硅片的上下表面镀膜作为耐腐蚀与扩散阻挡层，其次采用一台激光器：设置激光脉冲频率，扫描速度，激励电流，离焦量以及打标次数来对硅片进行刻槽直至贯穿，然后采用腐蚀液清洗除去激光刻槽时形成的损伤层，接着经再次高温磷重扩散形成p-n++结，最后经常规后续工序制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。
其中，p型晶体硅片的预处理工序包括清洗去损伤层和制绒工序；首次高温磷浅扩散时的温度为842℃，温度梯度为0.1℃，经首次磷浅扩散后形成p-n+结的方块电阻为60Ω/□；镀膜为氮化硅做掩膜，平均功率50W，激光波长532nm振镜扫描，光速横模为低阶模式。设置的激光脉冲频率为1KHz，扫描速度为10mm/s，激励电流为12A，离焦量为-4mm，打标次数为20次，在晶硅片表面所形成槽的槽宽为30μm，形成的交叉状的栅线的间距为1.5mm；腐蚀液为重量百分含量为20％的NaOH溶液，腐蚀时间为5min，硅片厚度为200μm左右，印刷的浆料为银浆。再次对晶体硅片进行高温重扩散时的温度为910℃，温度梯度为1℃，经再次磷重扩散后形成p-n++结的方块电阻是15Ω/□。常规后续工艺包括丝网印刷正负银电极、烘干、印刷铝背场、烧结工序，然后进行电池性能的测试与分类。
实施例2
本实施例提供的一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取p型单晶硅片，进行预处理，并对预处理后的硅片，在硅片的背面采用液态POCl3进行首次高温磷浅扩散形成p-n+结；
p型单晶硅片的预处理工序包括清洗去损伤层和制绒工序；首次高温磷浅扩散时的温度为845℃，温度梯度为0.3℃，经首次磷浅扩散后形成p-n+结的方块电阻为80Ω/□。
(2)在首次磷浅扩散后硅片的上下表面镀膜作为耐腐蚀层与扩散阻挡层；
在上下表面通过镀一定厚度氮化硅耐腐蚀与扩散阻挡层阻止化学腐蚀液以及扩散物对背电极p区以及前表面的绒面结构与n+的腐蚀与扩散。
(3)设计激光刻槽的工艺条件，选择腐蚀图案，从镀膜后晶体硅片的背面开孔刻槽并将其贯穿，形成交叉状的栅线图案；
平均功率100W，激光波长532nm振镜扫描，光速横模为低阶模式。设置的激光脉冲频率为10KHz，扫描速度为500mm/s，激励电流为15A，离焦量为0mm，打标次数为50次，在晶硅片表面所形成槽的槽宽为40μm，形成的交叉状的栅线的间距为2mm，在经过聚焦后达到微米量级直径的光斑照射到厚度为200μm左右硅片进行密集扫描。
(4)采用腐蚀液选择性腐蚀除去激光刻槽形成的损伤层；
腐蚀液为重量百分含量为30％的NaOH溶液，腐蚀时间为5min，对槽进行清洗并去除损伤层。
(5)再次对晶体硅片进行高温重扩散形成p-n++结，在硅片的背面经一次丝网印刷正负银电极及并经常规后续工艺制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。
再次对晶体硅片进行高温重扩散时的温度为900℃，温度梯度为3℃，经再次磷重扩散后形成p-n++结的方块电阻是20Ω/□。常规后续工艺包括丝网印刷正负银电极、烘干、烧结工序，然后进行电池性能的测试与分类。
本实施例中丝网印刷正负栅线都为银浆，硅片厚度大概为200μm，基于太阳电池的常规工艺就只需一次丝网印刷正负银电极、烧结制成新型类发射极卷包晶体硅太阳能电池。
具体工艺路线：选取晶体硅片为p型单晶硅片，首先清洗去损伤层，制绒，采用POCl3进行p浅扩散，去背极，双面沉积氮化硅膜，激光在背面刻槽，使用腐蚀液清洗去损伤层，去离子水清洗、甩干后，再经POCl3进行p重扩散，一次性丝网印刷正负极、烘干、印刷铝背场并烧结后，进行电池性能的测试与分类即可。
实施例3
本实施例提供的一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取p型多晶硅片，进行预处理，并对预处理后的硅片，在硅片的背面采用液态POCl3进行首次高温磷浅扩散形成p-n+结；
p型多晶硅片的预处理工序包括清洗去损伤层和制绒工序；首次高温磷浅扩散时的温度为850℃，温度梯度为0.5℃，经首次硼浅扩散后形成p-n+结的方块电阻为100Ω/□。
(2)在首次硼浅扩散后硅片的上下表面镀膜作为耐腐蚀层与扩散阻挡层；
在上下表面通过镀一定厚度氮化硅耐腐蚀与扩散阻挡层阻止化学腐蚀液以及扩散物对背电极p区以及前表面的绒面结构与n+的腐蚀与扩散。
(3)设计激光刻槽的工艺条件，选择腐蚀图案，从镀膜后晶体硅片的背面开孔刻槽并将其贯穿，形成交叉状的栅线图案；
采用平均功率30W、波长256nm的脉冲或连续激光束，在经过聚焦后达到微米量级直径的光斑照射到厚度为200μm左右硅片进行密集扫描；激光波长1000nm振镜扫描，光速横模为低阶模式。设置的激光脉冲频率为30KHz，扫描速度为1000mm/s，激励电流为20A，离焦量为+4mm，打标次数为80次，在晶硅片表面所形成槽的槽宽为70μm，形成的交叉状的栅线的间距为1.2mm。
(4)采用腐蚀液选择性腐蚀除去激光刻槽形成的损伤层；
采用化学腐蚀液为重量含量为10％的NaOH溶液，腐蚀时间为10min对孔与槽进行清洗并去除损伤层；
(5)再次对晶体硅片进行高温硼重扩散形成p-n++结，在硅片的背面经一次丝网印刷正负银电极及并经常规后续工艺制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池。
再次对晶体硅片进行高温硼重扩散时的温度为915℃，温度梯度为5℃，经再次硼重扩散后形成p-n++结的方块电阻是30Ω/□。常规后续工艺包括丝网印刷铝背场、烘干、烧结工序，然后进行电池性能的测试与分类。
本实施例中丝网印刷正负栅线都为银浆，基于太阳电池的常规工艺就只需一次印刷正负银电极、烘干、烧结制成新型类发射极卷包晶体硅太阳能电池。
其具体工艺路线：选取晶体硅片p型多晶硅片，首先清洗去损伤层，制绒，沉积氮化硅做掩膜，采用POCl3进行P浅扩散，沉积氮化硅减反射膜，激光在背面刻槽，使用腐蚀液清洗去损伤层，去离子水清洗、甩干后，再经POCl3进行P重扩散、一次性丝网印刷正负极、烘干、印刷铝背场并烧结后，进行电池性能的测试与分类。
Claims (6)
1.一种具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：包含以下步骤：
(1)选取晶体硅片，进行预处理，采用液态POCl3在第一温度梯度区间内进行高温磷浅扩散形成p-n+结；
(2)在磷浅扩散后硅片的两面镀膜作为耐腐蚀层与扩散阻挡层；
(3)设计激光刻槽的工艺条件，选择腐蚀图案，从硅片表面开孔刻槽并将其贯穿，形成交叉状的栅线图案；
(4)采用腐蚀液清洗并除去激光刻槽时形成的损伤层；
(5)在第二温度梯度区间内对晶体硅片进行高温磷重扩散形成p-n++结，最后在硅片的背面经一次丝网印刷正负银电极及常规后续工序制备得具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池；
步骤(1)中第一温度梯度区间的温度范围为840-850℃，温度梯度为0.1-0.5℃，经首次磷浅扩散后形成p-n+结的方块电阻为60-100Ω/□；
步骤(3)中激光刻槽时的工艺条件为：平均功率10-100W、波长250-1000nm，激光脉冲频率为1K-30KHz，扫描速度为10-1000mm/s，激励电流为12-20A，离焦量为-4-+4mm，打标次数为10-80次，在晶硅片表面所形成槽的槽宽为30-80μm，形成的交叉状的栅线的间距为1mm-3mm；
步骤(5)中第二温度梯度区间的温度范围为900℃-915℃，温度梯度为1-5℃，经再次磷重扩散后形成p-n++结的方块电阻是10-30Ω/□。
2.根据权利要求1所述的具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述的晶体硅片为p型单晶或多晶硅片。
3.根据权利要求1所述的具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述晶体硅片的预处理工序包括清洗除去损伤层和制绒工序。
4.根据权利要求1所述的具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中在硅片的两面镀膜为氮化硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(4)中的腐蚀液为重量百分含量为10-30%的NaOH溶液，腐蚀时间为1-10min。
6.根据权利要求1所述的具有发射极卷包结构的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(5)中所述的后续常规工序包括丝网印刷铝背场、烘干和烧结工序。
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