CN102437246B

CN102437246B - 一种晶体硅太阳能电池的制备方法

Info

Publication number: CN102437246B
Application number: CN2011104284013A
Authority: CN
Inventors: 蒋旭东; 黄志林; 肖剑峰
Original assignee: SUN EARTH SOLAR POWER CO Ltd
Current assignee: Cai Minyi; Su Yuanzhou
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102437246A

Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳能电池的制备方法，在对硅片的背表面进行钝化处理工艺中，由于氧化铝具有固定的负电荷，因此能降低背表面的复合，同时因为氮化硅富含氢，因此能有效的实现钝化，另外氧化铝和氮化硅钝化叠层作为背反射器能大大提高长波光的吸收，钝化叠层介于背面电极和硅片间能大大降低晶体硅太阳能电池的翘曲度，而且能够有效降低对硅片中体少子寿命的影响；在制作背面电极时，由于腐蚀区域的腐蚀深度刚好去掉钝化叠层，因此能够有效地解决因硅片的背表面钝化后而引起的背面电极与硅片难以形成良好欧姆接触的问题，同时通过利用银线连接所有相邻的导电材料构成密集的网状结构，这种网状结构非常有利于硅片的背表面载流子的收集传导。

Description

一种晶体硅太阳能电池的制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池的制造工艺，尤其是涉及一种晶体硅太阳能电池的制备方法。

背景技术

随着常规能源的日趋紧张，可再生能源越来越受到人类的重视，在过去的十年内，太阳能发电量呈现指数式增长，随着太阳能电池的制造工艺的不断改进及生产成本的不断降低，太阳能电池将越来越受到大家的青睐。

目前，太阳能电池的制造工艺已经标准化，按工艺线的生产顺序分为如下步骤：1、对硅片进行制绒：通过化学反应使原本光亮的硅片表面（包括正面和背面）形成凹凸不平的结构以延长光在其表面的传播路径，从而提高太阳能电池片对光的吸收效率；2、在硅片上扩散制作PN结：P型硅片在扩散后表面变成N型，形成PN结，使得硅片具有光伏效应，扩散的浓度、深度以及均匀性直接影响太阳能电池片的电性能，扩散进的杂质的总量用方块电阻来衡量，杂质总量越小，方块电阻越大；3、对硅片进行去边结处理：去掉扩散制作PN结时在硅片边缘形成的将PN结两端短路的导电层；4、对硅片的表面进行钝化处理；5、制作正面电极和背面电极；6、烧结：使印刷的电极与硅片之间形成合金。

提高光电转换效率和降低成本是太阳能电池制造过程中需考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，在晶体硅太阳能电池批量化生产过程中，一方面，由于生产设备的不断更新换代以及制备方法的不断改进，使得晶体硅太阳能电池的生产成本进一步降低，同时也使得光电转换效率不断提高，新的制备方法促进生产设备的发展，生产设备的更新又带动制备方法的改进，最后传统的惯用的制备方法将因无法满足高效率和低成本的需求而难以在市场上竞争；另一方面，由于晶体硅太阳能电池的成本降低主要还是体现在硅片厚度的降低，然而，硅片厚度的降低将带来背表面复合的增加、翘曲度的增加和长波光吸收的降低，这些都是今后太阳能电池发展急需解决的问题。

现有的高效率晶体硅太阳能电池一般采用热氧化生长的二氧化硅实现背钝化，部分高效率晶体硅太阳能电池则采用氮化硅和二氧化硅叠层实现背钝化。这两种背钝化实现方法都有其缺陷：第一种实现方法，由于硅片中体少子寿命对高温工艺存在高敏感性，尤其是多晶硅片，因此900℃以上的热氧化生长工艺会导致硅片中体少子寿命明显衰退；第二种实现方法，氮化硅和二氧化硅叠层难于解决晶体硅太阳能电池的翘曲度问题。另一方面，背钝化结构的绝缘性阻断了硅片与背面电极，导致硅片与背面电极之间无法形成欧姆接触。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其能够有效降低背表面的复合、提高长波光的吸收、降低电池的翘曲度，且能够使硅片与背面电极之间形成良好的欧姆接触，大幅度地提高光电转换效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种晶体硅太阳能电池的制备方法，按工艺线的生产顺序分为如下步骤：对硅片进行制绒；在硅片上扩散制作PN结；对硅片进行去边结处理；对硅片的表面进行钝化处理；制作正面电极和背面电极；烧结；其特征在于：

采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺对硅片的两个表面进行双面钝化处理，具体处理过程为：1）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺在经去边结处理后的硅片的背表面上镀设一层厚度为20～200nm的氧化铝薄膜；2）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺对经去边结处理后的硅片的正表面通过通入高纯氨气进行表面钝化，实现正面钝化；3）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺在氧化铝薄膜的下表面上镀设一层厚度为80～150nm的氮化硅薄膜，形成钝化叠层，实现背钝化；

采用局部腐蚀和点接触方式制作背面电极，具体制作过程为：①以矩形阵列形式在硅片的背表面钝化处理后形成的钝化叠层上腐蚀出数量众多的腐蚀区域，腐蚀区域的深度为钝化叠层的厚度；②向所有腐蚀区域中填入导电材料；③采用银线连接所有相邻的两个腐蚀区域内的导电材料，形成银线网；④在钝化叠层的下表面的两侧区域上分别制作两个点状电极，并连接点状电极与银线网，构成背面电极。

所述的步骤1）的工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.5～1.8托，高纯氧气流量为3.7～4.7升/分钟，三甲基铝流量为0.42～0.47升/分钟，衬底温度为400～500℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为20～200nm；所述的步骤2）的工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.5～1.8托，高纯氨气流量为4～6升/分钟，衬底温度为400～500℃，钝化时间为3～5分钟；所述的步骤3）的工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.5～1.8托，高纯氨气流量为3～7升/分钟，硅烷流量为0.42～0.72升/分钟，衬底温度为420～480℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为80～150nm。

所述的腐蚀区域采用的腐蚀方式为化学腐蚀或物理腐蚀。

所述的化学腐蚀为采用浓硝酸与氢氟酸进行腐蚀，所述的物理腐蚀为采用激光进行刻蚀。

所有所述的腐蚀区域的大小和形状均相同。

所述的腐蚀区域的横截面的面积为1～10平方毫米，任意相邻的两个所述的腐蚀区域之间的间距相等，间距为1～5毫米。

所述的腐蚀区域的横截面的形状为圆形或者方形或者任意的不规则形状；所述的腐蚀区域的横截面的形状为圆形时，所述的腐蚀区域的直径为1～3毫米。

所述的导电材料为铝、银、氧化砷、氧化锌、氧化铟和其它导电材料中的一种或几种，所述的导电材料的填入方式采用注射或印刷方式。

所述的银线网的一侧的边缘连线的四分之一位置处和四分之三位置处通过连接用银线分别连接有一个所述的点状电极，所述的银线网的相对的另一侧的边缘连线的四分之一位置处和四分之三位置处通过连接用银线分别连接有一个所述的点状电极，四个所述的点状电极与所述的银线网相连接构成背面电极。

所述的银线、所述的连接用银线和所述的点状电极均采用印刷或溅射或喷涂银浆方式进行制备，所述的银线的宽度为50～80微米，所述的连接用银线的长度为3～5毫米，所述的点状电极的形状为正方形，边长为3～5毫米。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）在对硅片的背表面进行钝化处理工艺中，通过在经去边结处理后的硅片的背表面上镀设由氧化铝薄膜和氮化硅薄膜构成的钝化叠层，由于氧化铝具有固定的负电荷，因此在硅片的背表面上的氧化铝薄膜能有效的降低背表面的复合，在氧化铝薄膜上设置氮化硅薄膜，因为氮化硅富含氢，因此能有效的钝化，采用氧化铝薄膜和氮化硅钝化叠层实现背钝化可进一步的降低背表面的复合，同时能够显著地提高晶体硅太阳能电池的开路电压；氧化铝薄膜和氮化硅钝化叠层作为背反射器能大大提高长波光的吸收；氧化铝薄膜和氮化硅钝化叠层介于背面金属电极和硅片间能大大降低晶体硅太阳能电池的翘曲度，从而有效的降低生产成本。另一方面，由于氧化铝薄膜和氮化硅薄膜的制备无需在高温（900℃以上）环境下进行，因此不仅能够增加背钝化效果，而且能够有效降低对硅片中体少子寿命的影响。

2）在制作背面电极时，采用局部腐蚀方式在钝化叠层上腐蚀出数量众多的腐蚀区域，且腐蚀区域的深度为钝化叠层的厚度，然后在腐蚀区域内填入导电材料，并用银线连接所有相邻的导电材料形成银线网，再在硅片的背表面上制备点状电极，点状电极与银线网连接构成背面电极，由于腐蚀区域的腐蚀深度刚好去掉钝化叠层露出硅片的背表面，因此能够有效地解决因硅片的背表面钝化后而引起的背面电极与硅片难以形成良好欧姆接触的问题；同时通过利用银线连接所有相邻的导电材料构成密集的网状结构，这种密集的网状结构非常有利于硅片的背表面载流子的收集传导，同时能够有效地提高晶体硅太阳能电池片的短路电流、开路电压、填充因素等参数值，从而使晶体硅太阳能电池片的整体性能提升。

3）利用本发明的制备方法制备晶体硅太阳能电池，通过多次实验，实验结果表明制备得到的晶体硅太阳能电池的效率可达18%左右，并且能够较好地满足工业化生产的目的。

附图说明

图1为采用本发明方法制备得到的背面电极的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提出的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，按工艺线的生产顺序分为如下步骤：对硅片进行制绒；在硅片上扩散制作PN结；对硅片进行去边结处理；对硅片的表面进行钝化处理；制作正面电极和背面电极；烧结。

在此具体实施例中，对硅片进行制绒、在硅片上扩散制作PN结、对硅片进行去边结处理、制作正面电极及烧结均采用现有的常规工艺。

在此具体实施例中，采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）工艺对硅片的两个表面进行双面钝化处理，具体处理过程为：

1）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺在经去边结处理后的硅片的背表面上镀设一层厚度为100nm的氧化铝薄膜，具体的工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.7托，高纯氧气流量为4升/分钟，三甲基铝流量为0.45升/分钟，衬底温度为400℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为100nm。

2）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺对经去边结处理后的硅片的正表面通过通入高纯氨气进行表面钝化，实现正面钝化，具体的工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.58托，高纯氨气流量为5升/分钟，衬底温度为400℃，钝化时间为5分钟。

3）采用13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积工艺在氧化铝薄膜的下表面上镀设一层厚度为120nm的氮化硅薄膜，形成钝化叠层，实现背钝化，具体的工艺条件为：工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.6托，高纯氨气流量为5升/分钟，硅烷流量为0.7升/分钟，衬底温度为450℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为120nm。

在此具体实施例中，采用局部腐蚀和点接触方式制作背面电极（背面电极的结构如图1所示），具体制作过程为：

①局部腐蚀：以矩形阵列形式在硅基体的背表面钝化处理后形成的钝化叠层1上腐蚀出数量众多的且大小和形状均相同的腐蚀区域2，腐蚀区域2的深度为钝化叠层的厚度，即腐蚀区域2的深度为去掉钝化叠层露出硅基体的背表面为准。

在此具体实施例中，腐蚀区域2采用的腐蚀方式为化学腐蚀或物理腐蚀，如化学腐蚀可采用浓硝酸与氢氟酸进行腐蚀，物理腐蚀可采用激光进行刻蚀。

在此具体实施例中，腐蚀区域2的形状可根据实际情况进行设置，可将腐蚀区域2的横截面的形状设计为圆形或者方形或者任意的不规则形状，在实际制作过程中，可将腐蚀区域加工为腐蚀孔，腐蚀孔易于加工，数量众多的腐蚀孔在钝化叠层上形成点阵，如图1所示；腐蚀区域2的大小也可根据实际情况进行设置，一般情况下可将腐蚀区域2的横截面的面积设计为1～10平方毫米范围内，如果腐蚀区域2的横截面的面积小于1平方毫米，则可能会导致后续制作银线时无法与腐蚀区域2内的导电材料形成良好接触，如果腐蚀区域2的横截面的面积大于10平方毫米，则会使硅太阳能电池片的背面腐蚀区域过多占用钝化叠层的面积，从而将导致硅太阳能电池片的整体性能下降，包括短路电流、开路电压、填充因素等数值下降。本发明经大量实验，实验结果表明当腐蚀区域2的横截面的面积为4平方毫米时最佳，如果腐蚀区域2的横截面的形状为圆形时即为腐蚀孔时，一般可将腐蚀孔的直径设计为1～3毫米，2毫米为最佳直径长度。

在此具体实施例中，制作腐蚀区域2时需保证任意相邻的两个腐蚀区域2之间的间距相等，且间距在1～5毫米范围内，如果两个腐蚀区域2之间的间距小于1毫米，则会使腐蚀区域过于密集，在硅片面积固定的情况下促使背面腐蚀区域总面积过多，相应地钝化叠层面积就会减小，这样将导致硅太阳能电池片的整体性能下降，包括短路电流、开路电压、填充因素等数值下降；如果两个腐蚀区域2之间的间距大于5毫米，则会导致用于连接相邻两个腐蚀区域2内的导电材料的银线过长，不利于电荷传导。

②向所有腐蚀区域2中填入导电材料3。

在此具体实施例中，导电材料3可以采用铝、银、氧化砷、氧化锌、氧化铟和其它导电材料中的一种或几种，导电材料3的填入方式可采用注射或印刷或其它填充方式。如采用铝作为导电材料并选择印刷法进行填充，填充过程为：先将铝浆（任何掺有铝的有机混合物）倒入网版中，网版的设计图形可以根据腐蚀区域的腐蚀位置进行设计；然后全自动印刷机的硅片定位系统将铝浆准确填充到腐蚀区域内；再将铝浆烘干凝固。

③采用银线4连接所有相邻的两个腐蚀区域2内的导电材料3，形成银线网，导电材料3与银线4之间形成良好的接触。

在此具体实施例中，银线4可通过印刷或溅射或喷涂银浆，再通过烧结的方式固定于钝化叠层的下表面上，银线4的宽度可设计为50～80微米。

④点接触：在钝化叠层1的下表面的两侧区域上分别制作两个点状电极，并连接点状电极与银线网，构成背面电极。

在此具体实施例中，银线网的上侧的边缘连线的四分之一位置处延伸出一条纵向向上的第一连接用银线51，在第一连接用银线51的末端连接有第一点状电极61；银线网的上侧的边缘连线的四分之三位置处延伸出一条纵向向上的第二连接用银线52，在第二连接用银线52的末端连接有第二点状电极62；银线网的下侧的边缘连线的四分之一位置处延伸出一条纵向向下的第三连接用银线53，在第三连接用银线53的末端连接有第三点状电极63；银线网的下侧的边缘连线的四分之三位置处延伸出一条纵向向下的第四连接用银线54，在第四连接用银线54的末端连接有第四点状电极64，第一点状电极61、第二点状电极62、第三点状电极63和第四点状电极64分别与银线网相连接构成背面电极。

在此具体实施例中，所有连接用银线和所有点状电极均可通过印刷或溅射或喷涂银浆，再通过烧结的方式固定于钝化叠层的下表面上。如所有连接用银线和所有点状电极均可选择印刷法进行制备，制备过程为：将银浆（任何掺有银的有机混合物）倒入网版中，网版的设计图形可以根据腐蚀区域的腐蚀位置进行设计；然后全自动印刷机的硅片定位系统将银浆准确地连接到各个腐蚀区域之间；再将银浆烘干凝固。

在此具体实施例中，所有连接用银线的长度均可设计为3～5毫米，所有点状电极的形状均可设计为正方形，边长可设计为3～5毫米。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处仅在于对硅片的表面进行钝化处理所采用的工艺条件不一样。

在本实施例中，镀设氧化铝薄膜的具体工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.8托，高纯氧气流量为3.7升/分钟，三甲基铝流量为0.42升/分钟，衬底温度为500℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为50nm；正面钝化的具体工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.7托，高纯氨气流量为4升/分钟，衬底温度为420℃，钝化时间为4分钟；镀设氮化硅薄膜的具体工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.5托，高纯氨气流量为7升/分钟，硅烷流量为0.45升/分钟，衬底温度为425℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为98nm。

实施例三：

在本实施例中，镀设氧化铝薄膜的具体工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.5托，高纯氧气流量为4.5升/分钟，三甲基铝流量为0.47升/分钟，衬底温度为470℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为170nm；正面钝化的具体工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.8托，高纯氨气流量为6升/分钟，衬底温度为480℃，钝化时间为3.5分钟；镀设氮化硅薄膜的具体工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.8托，高纯氨气流量为3.5升/分钟，硅烷流量为0.6升/分钟，衬底温度为480℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为140nm。

实施例四：

在本实施例中，镀设氧化铝薄膜的具体工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.1.6托，高纯氧气流量为4.2升/分钟，三甲基铝流量为0.44升/分钟，衬底温度为450℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为150nm；正面钝化的具体工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.65托，高纯氨气流量为5.5升/分钟，衬底温度为500℃，钝化时间为3分钟；镀设氮化硅薄膜的具体工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.7托，高纯氨气流量为4升/分钟，硅烷流量为0.72升/分钟，衬底温度为420℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为80nm。

Claims

1.一种晶体硅太阳能电池的制备方法，按工艺线的生产顺序分为如下步骤：对硅片进行制绒；在硅片上扩散制作PN结；对硅片进行去边结处理；对硅片的表面进行钝化处理；制作正面电极和背面电极；烧结；其特征在于：

所述的步骤1）的工艺条件为：功率为3000W，真空度为1.5～1.8托，高纯氧气流量为3.7～4.7升/分钟，三甲基铝流量为0.42～0.47升/分钟，衬底温度为400～500℃，沉积时间由沉积氧化铝薄膜的速度而定，氧化铝薄膜的厚度为20～200nm；所述的步骤2）的工艺条件为：功率为2500W，真空度为1.5～1.8托，高纯氨气流量为4～6升/分钟，衬底温度为400～500℃，钝化时间为3～5分钟；所述的步骤3）的工艺条件为：功率为3500W，真空度为1.5～1.8托，高纯氨气流量为3～7升/分钟，硅烷流量为0.42～0.72升/分钟，衬底温度为420～480℃，沉积时间由沉积氮化硅薄膜的速度而定，氮化硅薄膜的厚度为80～150nm；

2.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的腐蚀区域采用的腐蚀方式为化学腐蚀或物理腐蚀。

3.根据权利要求2所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的化学腐蚀为采用浓硝酸与氢氟酸进行腐蚀，所述的物理腐蚀为采用激光进行刻蚀。

4.根据权利要求3所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所有所述的腐蚀区域的大小和形状均相同。

5.根据权利要求4所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的腐蚀区域的横截面的面积为1～10平方毫米，任意相邻的两个所述的腐蚀区域之间的间距相等，间距为1～5毫米。

6.根据权利要求5所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的腐蚀区域的横截面的形状为圆形或者方形或者任意的不规则形状；所述的腐蚀区域的横截面的形状为圆形时，所述的腐蚀区域的直径为1～3毫米。

7.根据权利要求6所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的导电材料为铝、银、氧化砷、氧化锌、氧化铟和其它导电材料中的一种或几种，所述的导电材料的填入方式采用注射或印刷方式。

8.根据权利要求7所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的银线网的一侧的边缘连线的四分之一位置处和四分之三位置处通过连接用银线分别连接有一个所述的点状电极，所述的银线网的相对的另一侧的边缘连线的四分之一位置处和四分之三位置处通过连接用银线分别连接有一个所述的点状电极，四个所述的点状电极与所述的银线网相连接构成背面电极。

9.根据权利要求8所述的一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的银线、所述的连接用银线和所述的点状电极均采用印刷或溅射或喷涂银浆方式进行制备，所述的银线的宽度为50～80微米，所述的连接用银线的长度为3～5毫米，所述的点状电极的形状为正方形，边长为3～5毫米。