CN102263167A - 单晶硅太阳电池的边沿钝化方法、单晶硅太阳电池及其制备方法和光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法、单晶硅太阳电池及其制备方法和光伏组件。上述边沿钝化方法包括：在刻蚀后的单晶硅太阳能电池的边沿表面涂覆钝化微粉组合物，所述钝化微粉组合物包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2；将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池进行高温烧结。按照上述方法处理后的单晶硅太阳电池表面会覆有一层由钝化微粉形成的钝化膜，钝化膜致密的网状结构能够将PN结与外界环境相隔离，避免Na、Fe、Cu等金属离子扩散到硅片内破坏PN结，降低太阳电池输出功率虽时间的衰减率，延长太阳电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，特别涉及一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法、单晶硅太阳电池及其制备方法和光伏组件。
背景技术
近年来，随着工业化进程的加进，煤炭、石油和天然气等常规能源日益枯竭，并且一系列环保问题伴随出现，如何摆脱上述常规能源在数量以及环保压力的限制，寻求一种新型绿色能源已成为当今诸多国家的主要研究对象。太阳能作为一种可再生的绿色能源已逐渐在全球范围内得到快速的发展。随着太阳能发电技术的日益成熟，太阳能电池已在工业、农业和航天等诸多领域取得广泛应用。
太阳电池是通过光电效应将光能转化成电能的装置。目前，根据所用材料的不同，太阳电池可分为：硅太阳电池、化合物薄膜太阳电池和聚合物多层修饰电极型太阳电池、有机太阳电池和纳米晶太阳电池。其中，硅太阳电池发展最为成熟，在应用中占主导地位。
硅太阳电池又分为晶体硅太阳电池和硅薄膜太阳电池。晶体硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的成本较为低廉，但规模生产的转换效率较低，约为15％～17％，同时随着硅片厚度的不断降低，碎片率也有所提升。相对于多晶硅太阳电池，单晶硅电池具有较高的转换效率，规模化生产的效率约为18％～20％，因此单晶硅太阳电池应用较为广泛。
现有的单晶硅太阳电池的制作工艺如下：将硅片依次进行清洗、制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结。上述工艺中，扩散的目的在于制作PN结，扩散后的硅片在侧边也存在PN结，而侧边的PN结是不需要的，只有刻蚀掉，才能形成电池核心。电池PN结的稳定程度决定了太阳电池在同样的照射下产生电能的衰减率。本发明人经研究发现影响太阳电池效率的一个重要原因为：在太阳电池的制作、存放、 使用中，PN结边沿被慢慢破坏，这是因为现有的太阳电池边沿经刻蚀后，PN暴露于外界环境中，边沿极易受到污染，许多金属离子如Na、Fe、Cu就会扩散到硅片内破坏PN结，发生表面效应，使并联电阻变小，漏电流增加，在工作中发生局部软击穿，使得电池效率降低，甚至迅速降低至原来的60％以下。
由此，本发明人考虑对太阳电池的制作工艺进行调整，增加在PN结表面增加一层保护膜的工序，以下简称边沿钝化工艺，将PN结与外界环境相隔离，使电池边沿表面转化为稳定状态，进而避免杂质扩散，降低太阳电池输出功率虽时间的衰减率。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种单晶太阳电池的边沿钝化工艺、单晶硅太阳电池及其制备方法和光伏组件，上述单晶硅太阳电池在使用过程中电池效率衰减率低，不易老化，具有较长的使用寿命。
有鉴于此，本发明提供一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法，包括：
a)、在刻蚀后的单晶硅太阳能电池的边沿表面涂覆钝化微粉组合物，所述钝化微粉组合物包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2；
b)、将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池进行高温烧结。
优选的，所述高温烧结具体为将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池依次进行如下工序：
b1)、加热至450℃～630℃，保温2min～10min；
b2)、加热至680℃～830℃，保温20min～40min；
b3)、降温至550℃～750℃，保温10min～40min；
b4)、降至室温。
优选的，所述步骤b1)中加热速率为45℃/min～125℃/min。
优选的，所述步骤b2)中加热的速率为30℃/min～80℃/min。
优选的，所述步骤b3)中降温的速率为10℃/min～25℃/min。
优选的，所述钝化微粉的粒径小于10μm。。
本发明还提供一种单晶硅太阳电池的制备方法，包括：将硅片依次进行清洗、制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结，其特征在于，在所述刻蚀和烧结工序之间还包括：上述边沿钝化工序。
优选的，所述边沿钝化工序位于所述印刷和烧结工序之间。
本发明还提供一种单晶硅太阳电池，其边沿表面覆有钝化膜，所述钝化膜包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2。
本发明还提供一种光伏组件，包括基板和密封于所述基板侧边的密封部；所述基板包括依次设置的：面板、面胶膜、电池片、背胶膜和背板；其特征在于，所述电池片由上述单晶硅太阳电池组合构成。
本发明提供一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法，其是在刻蚀后的单晶硅太阳电池的边沿表面涂覆钝化微粉组合物，然后进行高温烧结，上述钝化微粉组合物包括2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2。烧结过程中，B2O3和SiO2形成网络形成体，PbO形成网络外体氧化物，三者共同作用成型致密的网状结构，隔绝外界金属离子进入硅片。另外，钝化膜致密的网状结构中存在一定的负电荷，使PN结表面的空间电荷区展宽，减少了表面电场强度，提高了击穿电压，从而避免PN结发生表面效应，提高电阻率，电阻率高达1.0～5.7×1016Ω.cm。因此，按照上述方式处理过的太阳电池的PN结表面覆盖有钝化膜，钝化膜将PN结与外界环境相隔离，避免Na、Fe、Cu等金属离子扩散到硅片内破坏PN结，降低太阳电池输出功率随时间的衰减率，延长太阳电池的使用寿命。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法，包括：
a)、在刻蚀后的单晶硅太阳电池的边沿表面涂覆钝化微粉组合物，所述钝化微粉组合物包括2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2；
b)、将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池进行高温烧结。
在单晶硅太阳电池制作过程中，为了避免太阳电池的PN结受到外界环境污染，本发明首先在刻蚀后的太阳电池边沿表面涂覆钝化微粉，然后再将太阳电池进行高温烧结，烧结后钝化微粉形成一层致密的钝化膜，钝化膜将太阳电池的PN结与外界环境相隔离，避免Na、Fe、Cu等金属离子扩散到硅片内破坏PN结，降低电池效率衰减率。
上述工艺中使用的钝化微粉组合物包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2。此微粉组合物经过高温烧结后，B2O3和SiO2形成网络形成体，PbO形成网络外体氧化物，三者共同作用成型致密的网状结构，隔绝外界金属离子进入硅片。另外，钝化膜致密的网状结构中存在一定的负电荷，使PN结表面的空间电荷区展宽，减少了表面电场强度，提高了击穿电压，从而避免PN结发生表面效应，提高电阻率，电阻率高达1.0～5.7×1016Ω.cm。
此外，B2O3还用于降低熔凝温度，并且对于降低Na离子的迁移率特别有效。本发明可以直接加入B2O3，也可以以硼酸、硼砂和含硼矿物等方式引入B2O3。PbO还用于降低软化温度，保证钝化微粉与硅片粘接牢固，同时还可提高钝化膜的耐酸耐碱性。本发明可以直接加入PbO，也可以铅丹、密陀僧或硅酸铅等方式引入PbO。SiO2还用于降低熔凝物膨胀系数，提高钝化膜的化学稳定性。本发明可以直接加入SiO2，也可以石英砂或砂岩等方式引入SiO2。
上述钝化微粉组合物的粒径优选不大于10μm，优选为1μm～5μm，上述粒径的钝化微粉组合物易于涂覆，在后续的烧结工序易于控制，使烧结后的形成的钝化膜更加均匀、致密且结合牢固。
为了获得阻隔性能更为优异的钝化膜，上述工艺中步骤b的高温烧结工序优选是将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池依次进行如下工序：
b1)、加热至450℃～630℃，保温2min～10min；
b2)、加热至680℃～830℃，保温20～40min；
b3)、降温至550℃～750℃，保温10～40min；
b4)、降至室温。
上述工艺中，步骤b1是除气阶段，主要是用于充分去除钝化微粉组合物中的水、有机物等杂质，步骤b1的升温速率优选为45℃/min～65℃/min，更优选为50℃/min～60℃/min。保温时间优选为2min～5min。
步骤b2中的加热阶段是钝化微粉组合物的软化阶段，此步骤的升温速率优选为30℃/min～80℃/min，更优选为35℃/min～60℃/min。钝化微粉软化后的保温阶段是微晶化阶段，钝化微粉变软，粒子间发生粘接，体内开始形成无数晶核，这些晶核在微晶化逐渐长大，形成微晶体，此步骤的保温时间优选为20min～35min。
经过步骤b2的保温阶段后钝化微粉体内形成诸多微晶体，这些微晶体后续形成网络保护膜。然后，继续按照步骤b3进行迅速降温，进行迅速降温的目的在于抑制上述微晶体进一步形成大晶体，微晶体晶之间形成致密的钝化膜。但晶体体积过大会降低钝化膜的致密性，由此也降低其对金属离子的隔绝效果。步骤b3的降温速率优选为10℃/min～25℃/min，更优选为13℃/min～20℃/min。
经过步骤b3降温后钝化微粉组合物形成钝化膜，但是钝化膜还存在较大的内应力，这些残余的内应力若不去除则易造成钝化膜使用过程中开裂，对太阳电池的保护寿命短，因此，需要继续保温10min～40min，以释放钝化膜内的内应力。此步骤的保温时间优选为20min～30min。
按照步骤b3保温后继续将钝化膜缓慢冷却至室温便完成了高温烧结工序，此步骤的降温速率优选不超过8℃/min。
由上述方案可知，本发明是首先在刻蚀后的太阳电池边沿表面涂覆钝化微粉组合物，然后再将涂覆有钝化微粉组合物的太阳电池进行 烧结，烧结过程中，B2O3和SiO2形成网络形成体，PbO形成网络外体氧化物，三者共同作用成型致密的网状结构，隔绝外界金属离子进入硅片。另外，钝化膜致密的网状结构中存在一定的负电荷，使PN结表面的空间电荷区展宽，减少了表面电场强度，提高了击穿电压，从而避免PN结发生表面效应，提高电阻率，电阻率高达1.0～5.7×1016Ω.cm。因此，按照上述方式处理过的太阳电池的PN结表面覆盖有钝化膜，钝化膜将PN结与外界环境相隔离，避免Na、Fe、Cu等金属离子扩散到硅片内破坏PN结，降低太阳电池输出功率虽时间的衰减率，延长太阳电池的使用寿命。
本发明还提供一种单晶硅太阳电池的制备方法，包括：将硅片依次进行清洗、制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结，并且，在所述刻蚀和烧结工序之间还包括：上述的边沿钝化工序。
上述制备方法中清洗是用于清除硅片表面的杂质，制绒是使用腐蚀液对硅片进行腐蚀，在硅片表面形成金字塔绒面结构，增强硅片对入射太阳光的吸收。扩散是制备PN结的工序，扩散后的硅片侧边也存在PN结，而侧边的PN结是不需要的，因此需要进行刻蚀，以去除硅片侧边的PN结，形成电池核心，刻蚀后需要对硅片进行镀膜，用于减少反射，印刷是采用银浆印刷正电极和背电极，再经烧结完成单晶硅电池的制备工序。在刻蚀和烧结工序之间，本发明还增加了上述边沿钝化工序，在太阳电池边沿表面制备出钝化膜，对PN结起到保护作用，防止Na、Fe、Cu等金属离子扩散入硅片，破坏PN结，延长太阳电池的使用寿命。
考虑到边沿钝化工序中，涂覆钝化微粉组合物可能会涂覆不够整齐，若边沿钝化工序置于印刷工序之前，钝化后个别栅线图案在印刷时可能部分印刷在钝化膜上。为了避免上述情况发生，本发明优选将边沿钝化工序安排于印刷和烧结工序之间，其优点还在于：钝化膜置于栅线上面不仅部会影响电池性能，而且还能起到保护作用。
上述制备工艺中的清洗、制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷和烧结工序可以采用本领域技术人员公知的方法，本发明对此并无特别限制。
本发明还提供一种单晶硅太阳电池，其边沿表面覆由钝化膜，所述钝化膜包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2。
由上述论述可知，上述钝化膜中B2O3和SiO2形成网络形成体，PbO形成网络外体氧化物，三者共同作用成型致密的网状结构，隔绝外界金属离子进入硅片。另外，钝化膜致密的网状结构中存在一定的负电荷，使PN结表面的空间电荷区展宽，减少了表面电场强度，提高了击穿电压，从而避免PN结发生表面效应，提高电阻率，电阻率高达1.0～5.7×1016Ω.cm。因此，外界环境中的Na、Fe、Cu等金属离子不易扩散到硅片内破坏PN结，由此使得该太阳电池的使用寿命较长。
本发明还提供一种光伏组件，该组件包括基板和密封于所述基板侧边的密封部，其中，基板包括：面板、面胶膜、电池片、背胶膜和背板，其中电池片由上述单晶硅太阳电池组合构成。
上述光伏组件的面板、面胶膜、背板和背胶膜可以采用现有光伏组件的相应结构，如采用钢化玻璃面板、EVA胶膜或PVB胶膜、背板膜等。密封部通常采用铝边框。
由于本发明提供的光伏组件的单晶太阳电池边沿表面覆有钝化膜，外界金属离子不易进入破坏电池片的电学性能，不易老化，因此该光伏组件具有较长的使用寿命。
本发明提供的光伏组件可以按照如下方式制备：
将一定数量的上述单晶硅太阳电池串联后并联，组合构成电池片组；
将面板、背胶膜、电池片、面胶膜、面板依次叠放后真空热压成型，得到基板；
用铝边框对基板的四边进行包覆，得到光伏组件。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的单晶硅太阳电池边沿钝化方法进行描述，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1、将硅片进行清洗。
2、将清洗后的硅片置于盛有腐蚀液的制绒槽内进行制绒。
3、在高温扩散炉内对制绒后的单晶硅片进行扩散，磷源为POCl3。
4、对扩散后的硅片进行刻蚀。
5、对刻蚀后的硅片进行镀单层氮化硅膜。
6、使用银浆对镀膜后的硅片进行丝网印刷。
7、对印刷后的单晶硅太阳电池进行边沿钝化，具体为：
在单晶硅太阳电池边沿表面涂覆如下成分的钝化微粉：
18wt％的PbO、27wt％的B2O3和55wt％的SiO2；
将单晶硅太阳电池以60℃/min的速率升温至600℃，保温8min；
以40℃/min的速率升温至800℃，保温30min；
以20℃/min的速率降温至650℃，保温30min；
缓慢降至室温。
8、将边沿纯化后的单晶硅太阳电池置于烧结炉内在750℃～980℃烧结15min，制得P型单晶硅电池片。
9、将步骤8制得的单晶硅太阳电池串联后并联，组合构成电池片组。
10、将背板、背胶膜、电池片、面胶膜、面板依次叠放后真空热压成型，得到基板。
11、用铝边框对基板的四边进行包覆，得到光伏组件。
实施例2
1、将硅片进行清洗。
2、将清洗后的硅片置于盛有腐蚀液的制绒槽内进行制绒。
3、在高温扩散炉内对制绒后的单晶硅片进行扩散，硼源为BBr3。
4、对扩散后的硅片进行刻蚀。
5、对刻蚀后的硅片进行镀单层氮化硅膜。
6、对刻蚀后的单晶硅太阳电池进行边沿钝化，具体为：
在单晶硅太阳电池边沿表面涂覆如下成分的钝化微粉：
5wt％的PbO、30wt％的B2O3和65wt％的SiO2；
将单晶硅太阳电池以61℃/min的速率升温至610℃，保温5min；
以30℃/min的速率升温至830℃，保温25min；
以15℃/min的速率降温至580℃，保温30min；
缓慢降至室温。
7、使用银浆对边沿钝化后的硅片进行丝网印刷。
8、将边沿纯化后的单晶硅太阳电池置于烧结炉内在750℃～980℃烧结15min，制得N型单晶硅电池片。
9、将步骤8制得的单晶硅太阳电池串联后并联，组合构成电池片组。
10、将背板、背胶膜、电池片、面胶膜、面板依次叠放后真空热压成型，得到基板。
11、用铝边框对基板的四边进行包覆，得到光伏组件。
实施例3
1、将硅片进行清洗。
2、将清洗后的硅片置于盛有腐蚀液的制绒槽内进行制绒。
3、在高温扩散炉内对制绒后的单晶硅片进行扩散，磷源为POCl3。
4、对扩散后的硅片进行刻蚀。
5、对刻蚀后的硅片进行镀单层氮化硅膜。
6、使用银浆对镀膜后的硅片进行丝网印刷。
7、对印刷后的单晶硅太阳电池进行边沿钝化，具体为：
在单晶硅太阳电池边沿表面涂覆如下成分的钝化微粉：
25wt％的PbO、25wt％的B2O3和50wt％的SiO2；
将单晶硅太阳电池以60℃/min的速率升温至600℃，保温8min；
以40℃/min的速率升温至800℃，保温30min；
以20℃/min的速率降温至650℃，保温30min；
缓慢降至室温。
8、将边沿纯化后的单晶硅太阳电池置于烧结炉内在750℃～980 ℃烧结15min，制得P型单晶硅电池片。
9、将步骤8制得的单晶硅太阳电池串联后并联，组合构成电池片组。
10、将背板、背胶膜、电池片、面胶膜、面板依次叠放后真空热压成型，得到基板。
11、用铝边框对基板的四边进行包覆，得到光伏组件。
比较例1
1、将硅片进行清洗。
2、将清洗后的硅片置于盛有腐蚀液的制绒槽内进行制绒。
3、在高温扩散炉内对制绒后的单晶硅片进行扩散，磷源为POCl3。
4、对扩散后的硅片进行刻蚀。
5、对刻蚀后的硅片进行镀单层氮化硅膜。
6、使用银浆对镀膜后的硅片进行丝网印刷。
7、将丝网印刷后的单晶硅太阳电池置于烧结炉内在750℃～980℃烧结15min，制得P型单晶硅电池片。
8、将步骤7制得的单晶硅太阳电池串联后并联，组合构成电池片组。
9、将背板、背胶膜、电池片、面胶膜、面板依次叠放后真空热压成型，得到基板。
10、用铝边框对基板的四边进行包覆，得到光伏组件。
分别按照实施例1～3和比较例1的方法制备型号为156×156的太阳电池，编号依次为A、B、C和D，测试上述四个单晶硅太阳电池在初始状态和老化状态的电池效率，测试结果列于表1。
表1单晶硅太阳电池初始状态和老化状态的电池效率
由上述结果可知，采用本发明提供的方法制备的单晶硅太阳电池 不易老化，可长时间保持较高的电池效率，电池使用寿命较长，由此也延长了由该电池制备的光伏组件的使用寿命。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种单晶硅太阳电池的边沿钝化方法，包括：
a)、在刻蚀后的单晶硅太阳能电池的边沿表面涂覆钝化微粉组合物，所述钝化微粉组合物包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2；
b)、将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池进行高温烧结。
2.根据权利要求1所述的边沿钝化方法，其特征在于，所述高温烧结具体为将涂覆过钝化微粉组合物的单晶硅太阳电池依次进行如下工序：
b1)、加热至450℃～630℃，保温2min～10min；
b2)、加热至680℃～830℃，保温20min～40min；
b3)、降温至550℃～750℃，保温10min～40min；
b4)、降至室温。
3.根据权利要求2所述的边沿钝化方法，其特征在于，所述步骤b1)中加热速率为45℃/min～125℃/min。
4.根据权利要求2所述的边沿钝化方法，其特征在于，所述步骤b2)中加热的速率为30℃/min～80℃/min。
5.根据权利要求2所述的边沿钝化方法，其特征在于，所述步骤b3)中降温的速率为10℃/min～25℃/min。
6.根据权利要求1所述的边沿钝化方法，其特征在于，所述钝化微粉的粒径小于10μm。。
7.一种单晶硅太阳电池的制备方法，包括：将硅片依次进行清洗、制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结，其特征在于，在所述刻蚀和烧结工序之间还包括：权利要求1所述的边沿钝化工序。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述边沿钝化工序位于所述印刷和烧结工序之间。
9.一种单晶硅太阳电池，其特征在于，其边沿表面覆有钝化膜，所述钝化膜包括：2wt％～30wt％的PbO、5wt％～40wt％的B2O3和40wt％～70wt％的SiO2。
10.一种光伏组件，其特征在于，包括基板和密封于所述基板侧边的密封部；所述基板包括依次设置的：面板、面胶膜、电池片、背胶膜和背板；其特征在于，所述电池片由权利要求9所述的单晶硅太阳电池组合构成。
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