CN102522453B - 一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法。首先，在清洗制绒后的p型晶体硅片背表面沉积含磷的二氧化硅薄膜，或者，在清洗制绒后的n型晶体硅片背表面沉积含硼的二氧化硅薄膜；然后，制备前、背收集电极，将背部收集电极引出后，在电池的背表面制备二氧化硅薄膜，并在二氧化硅薄膜表面制备场效应电极；最后，在p型晶体硅电池的场效应电极与前栅电极间加载正偏压，或者，在n型晶体硅电池的场效应电极与前栅电极间加载负偏压，完成电池制作。与现有的晶体硅太阳能电池制作方法相比，本发明的方法简单易行，极大地简化了现有的制作工艺，降低了制作成本，具有广阔的应用前景。

Description

一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池光伏发电技术领域，具体涉及一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法。

背景技术

近年来世界各国对新能源技术开发的投入日益增多，太阳能电池作为清洁能源利用的最重要方式之一，已经引起了世界各国的广泛关注。经过多年发展，已经开发出了多种太阳能电池材料。晶体硅太阳能电池因其光电转换效率较高、技术成熟并且原材料充足，占据了光伏市场85％以上的市场份额，预计在未来的10～20年内依然是光伏市场的主流。

然而，现阶段晶体硅太阳能电池制造所使用的硅材料用量过大，而且电池制作工艺由多个高温步骤组成，因此综合能耗较高，使晶体硅太阳能电池的成本缩减受到极大限制。

目前晶体硅太阳能电池制作的主流技术是高温扩散制作晶体硅太阳能电池，其工艺主要包括：(1)对硅片进行清洗、制绒处理，即清洗去除晶体硅片表面的损伤层，然后对晶体硅片表面进行碱腐蚀或者多晶硅片表面进行酸腐蚀得到表面绒面结构；(2)采用高温扩散得到PN结，通常对p型晶体硅片掺杂磷元素；去除表面磷硅玻璃以及边缘PN结；(3)采用PECVD技术在p型晶体硅片的n型发射极表面制备氮化硅(SiN_x)减反射层；(4)在沉积有氮化硅的N⁺型发射极电池前表面丝网印刷银栅线，并在电池背面整面丝网印刷铝浆，结合高温烧结工艺得到前、背电极，完成电池制作。

上述晶体硅太阳能电池的制作过程简单，工艺成熟，为产业界广泛采纳。然而该制作工艺也存在如下缺点：(1)需要有一个高温扩散形成PN结的过程，工艺成本比较高。(2)在晶体硅片的一个表面通过高温扩散掺杂形成PN结时，通常会在晶体硅片的另一表面产生寄生扩散，从而需要进行去背结工艺，导致工艺流程复杂化；(3)获得的发射极特性对电池的性能影响很大，过高的掺杂浓度将导致表面复合速率过大，形成表面“死区”，而过低的表面掺杂浓度将极大增加电池的串联电阻，影响电池的填充因子；(4)PN结扩散过程中将会形成较厚的磷硅玻璃，其中含有大量的磷原子，需要通过高污染的氢氟酸溶液去除，因此一方面导致大量磷源浪费，另一方面由于使用大量高污染的氢氟酸溶液而需要处理工艺废液，导致综合成本的提高。

因此，如何改进晶体硅太阳能电池的制作方法，以简化工艺流程、降低制作成本是促进晶体硅太阳能电池进行大规模生产应用的重要研究课题。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足，提出一种全新的具有场效应结构的无结晶体硅太阳能电池的制作方法，能够极大地降低电池的制作成本。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法，以p型晶体硅片或n型晶体硅片为衬底，其特征是：

在清洗制绒后的p型晶体硅片的背表面沉积一层含磷的二氧化硅薄膜，在含磷的二氧化硅薄膜表面制备背收集电极，引出背收集电极后，在背收集电极表面继续沉积二氧化硅薄膜，并在该二氧化硅薄膜表面通过溅射或蒸镀方法制备一层场效应金属电极；然后，在场效应金属电极与前栅电极间加载正偏压，从而利用二氧化硅的场效应使p型晶体硅衬底背面形成反型层；

或者，在清洗制绒后的n型晶体硅片的背表面沉积一层含硼的二氧化硅薄膜，在含硼的二氧化硅薄膜表面制备背收集电极，引出背收集电极后，在背收集电极表面继续沉积二氧化硅薄膜，并在该二氧化硅薄膜表面通过溅射或蒸镀方法制备一层场效应金属电极；最后，在场效应金属电极与前栅电极间加载负偏压，从而利用二氧化硅的场效应使n型晶体硅衬底背面形成反型层。

作为优选，所述的含磷的二氧化硅薄膜、含硼的二氧化硅薄膜以及二氧化硅薄膜的沉积温度为0℃～200℃。进一步优选，所述的含磷的二氧化硅薄膜、含硼的二氧化硅薄膜以及二氧化硅薄膜的沉积温度在室温与200℃之间。

作为优选，所述的含磷的二氧化硅薄膜、含硼的二氧化硅薄膜的厚度为50～200纳米，所述的二氧化硅薄膜的厚度为100～4000纳米。

作为优选，当p型晶体硅片为衬底时，首先在p型晶体硅片的前表面沉积含硼的氮化硅薄膜，然后通过丝网印刷工艺或者结合激光掺杂及蒸镀、电镀工艺，在含硼的氮化硅薄膜表面制备前栅电极；当n型晶体硅片为衬底时，首先在n型晶体硅片的前表面沉积含磷的氮化硅薄膜，然后在含磷的氮化硅薄膜表面制备前栅电极。

本发明通过在背面场效应金属电极上加载一个偏压，从而诱导低温沉积的二氧化硅薄膜中的H⁺离子在低温沉积的二氧化硅薄膜内部定向移动，最后在二氧化硅的两个界面上形成一对正负电荷层，并进一步在硅衬底表面上诱导产生耗尽层，从而在硅的背面形成能带弯曲，实现光生载流子的有效分离。与现有晶体硅太阳能电池的制作方法相比，本发明提供的晶体硅太阳能电池的制作方法具有如下优点：

(1)本发明的制作方法避免采用POCl₃的高温扩散形成PN结的工艺，从而降低了晶体硅太阳能电池的制作成本，并且省去了去除边缘PN结的等离子体刻蚀或湿法刻蚀等工艺，从而进一步简化了工艺流程；

(2)由于避免采用高温扩散形成PN结的工艺，从而避免了表面“死区”的形成；

(3)本发明的制作方法避免了现有制作工艺需要氢氟酸溶液去除表面磷硅玻璃的步骤所引起的不足，极大地降低了晶体硅太阳能电池制作中产生的间接材料成本；

(4)本发明的制作方法中，电池背面通过优选的金属电极制作方法，制得的电池具有背表面局部接触式结构，从而可以减小背表面的复合速率；同时背表面采用介质/金属结构，从而也是一个有效的背反射镜结构，可以有效改善电池的光谱响应；

因此，本发明提供的晶体硅太阳能电池的制作方法简单易行，极大地简化了现有晶体硅太阳能电池的制作工艺，降低了晶体硅太阳能电池的制作成本，在晶体硅太阳能电池领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1与2中制作得到的p型晶体硅太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明实施例3与4中制作得到的n型晶体硅太阳能电池的结构示意图；

图3是制作图1与图2所示晶体硅太阳能电池中，当激光掺杂区域与电极线垂直时，背部收集电极(p型晶体硅)或者前栅收集电极(n型晶体硅)的结构图；

图4是本发明晶体硅太阳能电池前栅收集电极结构图，或前表面激光开槽掺杂图形及前栅收集电极结构图，或背表面激光开槽掺杂图形及背收集电极结构图；

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图4中的附图的标记为：

1：前栅收集电极；2：含硼的氮化硅薄膜；3：p⁺型掺杂区域；4：p型晶体硅衬底；5：n⁺型掺杂区域；6：反型层；7：含磷的二氧化硅薄膜；8：背部局部电接触收集电极；9：二氧化硅薄膜；10：背表面场效应电极；

11：p型晶体硅衬底背表面上含磷二氧化硅薄膜上的激光掺杂区域，或者n型晶体硅衬底前表面上含磷氮化硅薄膜上的激光掺杂区域；

12：p型晶体硅衬底前、背电极细栅线及细电极，或者p型晶体硅衬底前、背电极细栅线及细电极种子层，或者n型晶体硅衬底背表面上含硼二氧化硅薄膜上细电极位置的激光开槽区域，或者n型晶体硅衬底前电极细栅线及细电极种子层；

13：p型晶体硅衬底前、背电极主栅线及主电极，或p型晶体硅衬底前、背电极主栅线及主电极种子层，或n型晶体硅衬底背表面上含硼二氧化硅薄膜上主电极位置的激光开槽区域，或n型晶体硅衬底前电极主栅线及主电极种子层；

14：n型晶体硅衬底；15：含磷的氮化硅薄膜；16：含硼的二氧化硅薄膜。

实施例1：

本实施例中，以p型晶体硅片4为衬底材料制备晶体硅太阳能电池，该p型晶体硅片4是p型单晶硅片，图1所示是该p型晶体硅太阳能电池的结构示意图，其具体制备方法如下：

步骤1：用常规清洗方法清洗p型晶体硅衬底4，并进行绒面制作；

步骤2：把p型晶体硅衬底4放在PECVD反应腔内，通入硅烷、氨气及少量硼烷，在400℃的反应温度下在p型晶体硅衬底4的前表面沉积含硼的氮化硅薄膜2，厚度为70nm；

步骤3：将前表面沉积有含硼的氮化硅薄膜2的p型晶体硅衬底4取出后放入另一个PECVD反应腔内，通入硅烷、氧气及少量磷烷，在室温条件下在p型晶体硅衬底4的背表面沉积含磷的二氧化硅薄膜7，其厚度为50nm，然后取出；

步骤4：采用波长为532nm的绿色激光，按图3标记11所示图形在含磷的二氧化硅薄膜7的背表面进行图形化激光掺杂，从而在p型晶体硅衬底4的背表面获得图形化局部n⁺型掺杂区域5；

步骤5：采用丝网印刷工艺在含磷的二氧化硅薄膜7表面按图3标记12、13所示图形丝网印刷银浆主线和细线，而在含硼的氮化硅薄膜表面按图4标记12、13所示图形丝网印刷铝浆栅线，通过高温烧结工艺形成前栅收集电极1与背部局部电接触收集电极8；

步骤6：将电池背部局部电接触收集电极8的主电极用导线引出，与前栅收集电极1作为电池的两电极端备用；将电池放入PECVD反应腔内，通入硅烷和氧气，在室温条件下在含磷的二氧化硅薄膜7表面沉积二氧化硅薄膜9，厚度为1μm；

步骤7：在二氧化硅薄膜9背表面通过溅射方法沉积一层金属铝层作为背部场效应电极10；

步骤8：在背部场效应电极10与前栅收集电极1之间加载+1.5V偏压，从而在p型晶体硅衬底4的背面形成一强的反型层6，完成电池制作。

实施例2：

本实施例中，以p型晶体硅片4为衬底材料制备晶体硅太阳能电池，该p型晶体硅片4是p型多晶硅片，图1所示是该p型晶体硅太阳能电池的结构示意图，其具体制备方法如下：

步骤1：用常规清洗方法清洗p型晶体硅衬底4，并进行绒面制作；

步骤2：把p型晶体硅衬底4放入PECVD反应腔内，通入硅烷、氨气及少量硼烷，在450℃的反应温度下在p型多晶硅衬底4的前表面沉积含硼的氮化硅薄膜2，厚度为70nm；

步骤3：将前表面沉积有含硼的氮化硅薄膜2的p型晶体硅衬底4取出后放入另一个PECVD反应腔内，通入硅烷、氧气及少量磷烷，在100℃的反应温度下在p型晶体硅衬底4的背表面沉积含磷的二氧化硅薄膜7，其厚度为60nm，然后取出；

步骤4：采用波长为532nm的绿色激光，按图3标记11所示图形在含磷的二氧化硅薄膜7的背表面进行图形化激光掺杂，从而在p型晶体硅衬底4的背表面上获得图形化局部n⁺型掺杂区域5；

步骤5：采用丝网印刷工艺在含硼的氮化硅薄膜2表面按图4标记12、13所示图形丝网印刷铝浆栅线种子层，而在含磷的二氧化硅薄膜7表面上按图3标记12、13丝网印刷银浆主线和细线种子层，通过高温烧结工艺形成前、背收集电极种子层；

步骤6：采用电镀工艺在前、背收集电极种子层位置上电镀铜加厚电极，从而形成前栅收集电极1与背部局部电接触收集电极8；

步骤7：将电池背部局部电接触收集电极8的主电极用导线引出，与前栅收集电极1作为电池的两电极端备用；将电池放入PECVD反应腔内，通入硅烷和氧气，在室温条件下在含磷的二氧化硅薄膜7背表面上沉积二氧化硅薄膜9，厚度为1.5μm；

步骤8：在二氧化硅薄膜9背表面上通过蒸镀方法沉积一层金属铝层作为背部场效应电极10；

步骤9：在背部场效应电极10与前栅收集电极1之间加载+1V偏压，从而在p型晶体硅衬底4的背面形成一强的反型层6，完成电池制作。

实施例3：

本实施例中，以n型晶体硅片14为衬底材料制备晶体硅太阳能电池，该n型晶体硅片14是n型单晶硅片，图2所示是该n型晶体硅太阳能电池的结构示意图，其具体制备方法如下：

步骤1：用常规清洗方法清洗n型晶体硅衬底14，并进行绒面制作；

步骤2：把n型晶体硅衬底14放入PECVD反应腔内，通入硅烷、氨气及少量磷烷，在400℃的反应温度下在n型晶体硅衬底14的前表面沉积含磷的氮化硅薄膜15，厚度为70nm；

步骤3：将前表面沉积有含磷的氮化硅薄膜15的n型晶体硅衬底14取出后放入另一个PECVD反应腔内，通入硅烷、氧气及少量硼烷，在室温条件下在n型晶体硅衬底14的背表面沉积含硼的二氧化硅薄膜16，其厚度为50nm，然后取出；

步骤4：采用波长为532nm的绿色激光，按图3标记11所示图形在含磷的氮化硅薄膜15的表面进行图形化激光掺杂，从而在n型晶体硅衬底14的前表面获得图形化局部n⁺型掺杂区域5；

步骤5：采用丝网印刷工艺在含磷的氮化硅薄膜15表面按图3标记12、13所示图形丝网印刷银浆栅线种子层，通过高温烧结工艺形成前栅收集电极种子层；

步骤6：采用波长为532nm的绿色激光，在含硼的二氧化硅薄膜16的背表面开槽并获得选择性硼重掺杂区域3，开槽图形如图4所示；

步骤7：通过电镀工艺，在背表面的选择性硼重掺杂区域3以及前表面银栅线种子层位置电镀铜，从而形成前栅收集电极1及背部局部电接触收集电极8；

步骤8：将电池背部局部电接触收集电极8的主电极用导线引出，与前栅收集电极1作为电池的两电极端备用，将电池放入PECVD反应腔内，通入硅烷和氧气，在室温条件下在含硼的二氧化硅薄膜16的背表面沉积二氧化硅薄膜9，厚度为2μm；

步骤9：在二氧化硅薄膜9的背表面通过溅射方法沉积一层金属铝层作为背部场效应电极10；

步骤10：在背部场效应电极10与前栅收集电极1间加载-1.5V偏压，从而在n型晶体硅衬底14的背面形成一强的反型层6，完成电池制作。

实施例4：

本实施例中，以n型晶体硅片14为衬底材料制备晶体硅太阳能电池，该n型晶体硅片14是n型多晶硅片，图2所示是该n型晶体硅太阳能电池的结构示意图，其具体制备方法如下：

步骤1：用常规清洗方法清洗n型晶体硅衬底14，并进行绒面制作；

步骤2：把n型晶体硅衬底14放入PECVD反应腔内，通入硅烷、氨气及少量磷烷，在350℃的反应温度下在n型晶体硅衬底14的前表面沉积含磷的氮化硅薄膜15，厚度为70nm；

步骤3：将前表面沉积有含磷的氮化硅薄膜15的n型晶体硅衬底14取出后放入另一个PECVD反应腔内，通入硅烷、氧气及少量硼烷，在100℃的反应温度下在n型晶体硅衬底14的背表面沉积含硼的二氧化硅薄膜16，其厚度为100nm，然后取出；

步骤4：采用波长为532nm的绿色激光，按图4标号11所示图形在含磷的氮化硅薄膜15表面进行图形化激光掺杂，从而在n型晶体硅衬底14的前表面获得图形化局部n⁺型掺杂区域5；

步骤5：采用丝网印刷工艺在含磷的氮化硅薄膜15表面按图3标记12、13所示图形丝网印刷银浆栅线种子层，通过高温烧结工艺形成前栅收集电极种子层；

步骤6：采用波长为532nm的绿色激光，在含硼的二氧化硅薄膜16的背表面开槽并获得选择性硼重掺杂区域3，开槽图形如图4所示；

步骤7：通过电镀工艺，在背表面的选择性重掺杂区域3以及前表面银栅线种子层位置电镀镍，从而形成前栅收集电极1及背部局部电接触收集电极8。

步骤8：将电池背部局部电接触收集电极8的主电极用导线引出，与前栅收集电极1作为电池的两电极端备用；将电池放入PECVD反应腔内，通入硅烷和氧气，在室温条件下在含硼的二氧化硅薄膜16的背表面沉积二氧化硅薄膜9，厚度为500nm；

步骤9：在二氧化硅薄膜9背表面通过蒸镀方法沉积一层金属铝层作为背部场效应电极10；

步骤10：在背部场效应电极10与前栅收集电极1间加载-2V偏压，从而在n型晶体硅衬底的背面形成一强的反型层6，完成电池制作。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种场效应晶体硅太阳能电池的制作方法，其特征是：

在清洗制绒后的p型晶体硅片的背表面沉积一层含磷的二氧化硅薄膜，在含磷的二氧化硅薄膜表面制备背收集电极，引出背收集电极后，在背收集电极表面继续沉积二氧化硅薄膜，并在该二氧化硅薄膜表面通过溅射或蒸镀方法制备一层场效应金属电极；最后，在场效应金属电极与前栅电极间加载正偏压，从而利用二氧化硅的场效应使p型晶体硅衬底背面形成反型层；

或者，在清洗制绒后的n型晶体硅片的背表面沉积一层含硼的二氧化硅薄膜，在含硼的二氧化硅薄膜表面制备背收集电极，引出背收集电极后，在背收集电极表面继续沉积二氧化硅薄膜，并在该二氧化硅薄膜表面通过溅射或蒸镀方法制备一层场效应金属电极；最后，在场效应金属电极与前栅电极间加载负偏压，从而利用二氧化硅的场效应使n型晶体硅衬底背面形成反型层；

所述的含磷的二氧化硅薄膜、含硼的二氧化硅薄膜的厚度为50～200纳米。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体硅太阳能电池的制作方法，其特征是：所述的二氧化硅薄膜的厚度为100～4000纳米。

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