CN102569437A - 一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池技术领域。具体公开一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池及其制备方法，该太阳电池包括硅片衬底，硅片衬底包括有吸收太阳光的前表面，前表面有硅片前表面有扩散得到的n+层、氮化硅减反膜及银前电极，所述银前电极底部设有若干通孔，硅片衬底背面先形成二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，复合钝化膜背面印有网状图案的中间铝层，中间铝层通过通孔与银前电极的底部形成合金实现电荷导通，中间铝层背面镀有一层与背面电极形成电荷隔离的氧化铝介质层，网状图案中间铝层的无浆料区域被激光局域开孔并形成局域硼背场，背电极与硅片衬底以点接触方式形成欧姆接触。本发明的电池通过其制备工艺能够形成良好的欧姆接触和局域硼背场，中间铝层与主栅的导通能起到电场钝化作用，减少背面复合速率，并削弱光生电动势对太阳电池的负面影响，提高太阳电池效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及到一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池及其制备工艺。
背景技术
太阳电池就是由具有p-n结的半导体衬底组成。在一个薄的硅片上，接近电池表面的p-n结能够接收到碰撞到它的太阳光，具有一定能量的光子能产生电子空穴对，在p-n结内建电场的作用下电子、空穴产生定向移动，最后在衬底上产生光生电动势。衬底上产生的光生电动势场强方向与硅片衬底p-n结的内建电场场强方向相反，这样使得电池产生漏电电流，减少了有效电流，从而降低了太阳电池的效率。
目前研究及开发削弱光生电动势对太阳电池内建电场影响的产品还比较少，需要相关研究机构的关注。
随着太阳电池行业的快速发展，降低太阳电池生产成本与提高太阳电池效率成为目前研究人员的主要目标，因此各种新工艺、新方法、新结构不断被提出。传统铝背场工艺无法满足薄硅片背面低复合速率的要求，然而背面点接触电池被认为是一种可以减少金属-半导体接触面积，钝化背面大部分区域，有效地减少太阳电池背面复合速率，提高太阳电池效率的有效方式。同时，对于拥有局域背场的背面点接触太阳电池，其性能相对没有局域背场的背面点接触太阳电池更加优异。
目前制备背面点接触电极方式有丝网印刷腐蚀性浆料开孔、喷墨打印腐蚀性浆料开孔、光刻开孔(如PERC、PERL电池)等。局域背场形成的方式有局域掩模高温重掺、激光化学工艺(LCP)等。光刻开孔、激光化学工艺成本高，产业化投入大，而丝网印刷腐蚀性浆料开孔精度不高。
利用激光烧蚀技术制备背面点接触电极及形成局域背场被认为是方便快捷的方式。Fronhofer ISE开发的激光烧蚀工艺(LFC)，通过激光开孔并将铝与硅形成合金及局域背场，但该工艺需要真空蒸镀铝，其成本高；激光化学工艺(LCP)能够形成很好的局域背场，但设备成本投入大，难以产业化生产。本发明采用的激光工艺直接用于开孔及形成硼背场，其效率较高，成本较低，具有产业化生产的潜力。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池及其制备工艺，该结构及工艺能够起到背面钝化效果，减少漏电电流，提高电池效率，易于实现产业化生产。
为了达到上述技术方案，本发明是按以下技术方案实现的：
本发明所述的一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，包括硅片衬底，所述硅片衬底包括有吸收太阳光的前表面，硅片衬底的前表面有扩散得到的n+层、氮化硅减反膜及银前电极，所述银前电极底部设有若干通孔，所述硅片衬底背面先形成二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，所述复合钝化膜背面印有网状图案的中间铝层，所述中间铝层通过通孔与银前电极的底部形成合金实现电荷导通，中间铝层背面镀有一层与背面电极形成电荷隔离的氧化铝介质层，所述网状图案的中间铝层的无浆料区域被激光局域开孔并形成局域硼背场，背电极与硅片衬底以点接触方式形成欧姆接触。本发明中，是通过镀氧化铝到中间铝层形成一层电荷阻挡层，将中间铝层与背面电极隔离，光照时中间铝层与前电极形成等势体，而与背电极之间形成电容器。
作为上述技术的进一步改进，所述硅片衬底为p型单晶硅片衬底或p型多晶硅片衬底，硅片衬底电阻率为0.5Ω.cm～10Ω.cm，厚度为100～220μm。
所述通孔位于硅片衬底的前表面银前电极主栅的正下方，通孔直径为0.2～2mm。
所述的二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，二氧化硅的厚度为5～50nm，氮化硅厚度为40～200nm。
所述网状图案为平面结构，无浆料区域为方形、圆形或规则多边形阵列，其边长或直径为200～2000μm，背面接触孔的面积占无浆料区域的1％～80％。
所述的有网状图案的铝浆料层厚度为5～30μm。
所述的氧化铝层厚度为60～300nm。
本发明还公开了上述电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺，具体包括以下步骤：
(1)通过激光工艺在硅片衬底上形成若干通孔，并用化学腐蚀液去除硅片衬底表面的损伤层；
(2)在硅片衬底的两面经过高温扩散炉扩散形成n+层；
(3)采用化学腐蚀溶液去除硅片衬底背面的n+层；
(4)在硅片衬底的两面通过热氧化形成二氧化硅层；
(5)在硅片衬底背面镀上一层氮化硅(SiNx:H)，形成二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，随后用氢氟酸去除掉硅片衬底前表面的二氧化硅层；
(6)在硅片衬底前表面镀上氮化硅减反膜；
(7)采用丝网印刷工艺在硅片衬底背面的复合钝化膜上印刷具有网状图案的、无玻璃料的铝浆料层，即中间铝浆料层，并通过高温烧结炉燃烧掉该层铝浆料层中的有机物；
(8)在硅片衬底的背面镀上氧化铝层；
(9)采用喷淋工艺在网状图案的无浆料区域的槽内喷淋上硼酸；
(10)采用激光烧蚀工艺在网状图案的无浆料区域的槽内局域开膜，并使硅片衬底与硼酸在高温下反应形成硼硅合金及局域硼背场；
(11)在硅片衬底背面丝网印刷无玻璃料的铝浆料层；
(12)在硅片衬底前表面丝网印刷银浆料层，并通过烧结炉高温烧结使做背电极的铝浆料与硅片衬底基底形成局域欧姆接触，银前电极烧穿氮化硅与硅片衬底形成欧姆接触，具有网状图案的铝金属层与银前电极主栅底部形成合金。
上述步骤(1)中，化学腐蚀溶液为KOH或NaOH溶液，浓度是5％～40％，每条主栅下方的通孔数量为2～20个。
上述步骤(2)中，扩散液态源是POCl3，还可以选择气态或固态作为扩散源，也可以将硅片背对背放入扩散石英舟中实现单面扩散，扩散得到的结深是0.5±0.2μm及方阻为40～65Ω/□。
上述步骤(3)中，去除背结的化学腐蚀溶液为HF/HNO3或HF/HNO3/H2SO4混合液，还可以选择NaOH或KOH溶液.
上述步骤(4)的特征是，热氧化形成的二氧化硅层厚度为5～50nm。
上述步骤(5)的中，氮化硅的厚度为40～200nm，还可以选择镀氧化铝层或二氧化硅层；硅片前面二氧化硅层还可以选择保留。
上述步骤(6)中，氮化硅的厚度为40～100nm。
上述步骤(7)中，网状图案为平面结构，无浆料区域可为方形、圆形或规则多边形阵列，边长或直径为200～2000μm，铝浆料层厚度为5～30μm，无浆料区域占背面总面积的10％～80％。
上述步骤(8)的中，氧化铝层厚度为60～300nm，还可以选择镀二氧化硅层、氮化硅层。
上述步骤(9)中，硼酸溶液浓度为0.5％～5％，还可以选择喷墨打印、丝网印刷进行印刷。
上述步骤(10)中，背面接触孔的面积占无浆料区域的5％～80％，局域硼背场还可以通过光刻及局域高温掺杂工艺形成。
上述步骤(11)中，背面电极铝浆料层厚度为2～30μm，还可以用真空蒸镀工艺、电子束蒸发工艺形成背面铝电极。
上述步骤(12)中，银前电极的主栅位于所述的若干个通孔之上，通过通孔与中间铝浆料层导通，银前电极的厚度为5～30μm，还可以通过电镀工艺形成银前电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用丝网印刷和激光烧蚀工艺制备背面点接触电池，降低制造成本，适合规模化生产；
(2)采用喷淋工艺将硼酸保留在一定形状和高度的网状图案的槽内，然后用激光烧蚀工艺在槽内介质膜上开孔，使硼酸在高温下与硅基底形成硼背场，印刷铝浆料到背面并烧结可以形成良好的欧姆接触；
(3)中间铝浆料层与背面铝电极被氧化铝层隔离，无法与背电极接触，但与前电极的主栅导通，使得在光照时中间铝层与前电极形成等势体，同样带负电荷，该层中间铝层可以将到达硅片衬底背面的电子反射从而形成电场钝化层，减少背面复合速率；
(4)根据电场方向分析，中间铝浆料层削弱了光生电动势对硅片衬底的负面影响，减少漏电电流，从而提高太阳电池效率。
附图说明
图1-12是本发明制备电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺流程图
其中：
图1是在硅片衬底用激光器开四个通孔；
图2是在硅片两面通过扩散炉高温扩散形成n+层；
图3是去除硅片两面的磷硅玻璃和背面n+层；
图4是在硅片两面通过热氧化法形成薄二氧化硅层；
图5是在硅片背面镀一层氮化硅(SiNx:H)，并将硅片前表面的二氧化硅层去除；
图6是在硅片前表面镀上氮化硅(SiNx:H)减反膜；
图7是在硅片背面丝网印刷一层网状图案的、无玻璃料的中间铝浆料层，并在烧结炉中燃烧掉该层铝浆的有机物；
图8是在硅片背面镀一层氧化铝层；
图9是在硅片背面的网状图案的无浆料区域的槽内喷淋一层硼酸；
图10是通过激光器对硅片背面的网状图案的、无浆料区域的槽内进行局域开膜和烧蚀，形成局域硼背场；
图11是在硅片背表面丝网印刷一层背面电极铝浆料层；
图12是在硅片前表面丝网印刷银前电极并在高温下烧结，使前电极、背面电极与硅片衬底形成欧姆接触，中间铝浆料层通过通孔与银前电极的主栅底部形成合金。
图13是本发明所述电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池等轴测图。
图14是硅片衬底结构示意图。
具体实施方式
以下列举具体实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，以下实施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。
本发明所述的一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，如图13所示，包括硅片衬底10(如图14所示)，所述硅片衬底10包括有吸收太阳光的前表面，硅片衬底10的前表面有扩散得到的n+层4、氮化硅减反膜20及银前电极24，所述银前电极24底部设有若干通孔2，所述硅片衬底10背面先形成二氧化硅6和氮化硅8复合钝化膜，所述复合钝化膜背面印有网状图案的中间铝层12，所述中间铝层12通过通孔2与银前电极24的底部形成合金实现电荷导通，中间铝层12背面镀有一层与背面电极22形成电荷隔离的氧化铝介质层14，所述网状图案的中间铝层12的无浆料区域被激光局域开孔并形成局域硼背场18，背电极与硅片衬底以点接触方式形成欧姆接触。
以下通过三个实施例对本发明所述电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺进行具体说明：
实施例1
如图1～图12所示，本实施例所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺，其具体步骤如下：
(1)在硅片衬底10上用激光器开四个通孔2；
(2)在硅片衬底10两面通过扩散炉高温扩散形成n+层4；
(3)去除硅片衬底10两面的磷硅玻璃和背面n+层4；
(4)在硅片衬底10两面通过热氧化法形成薄二氧化硅层6；
(5)在硅片衬底10背面镀一层氮化硅(SiNx:H)即复合钝化膜8，并用氢氟酸将硅片衬底10前表面的二氧化硅层去除；
(6)在硅片衬底10前表面镀上氮化硅减反膜20即上氮化硅(SiNx:H)减反膜；
(7)在硅片衬底10背面丝网印刷一层网状图案的、无玻璃料的铝浆料层12，即中间铝层，并在烧结炉中燃烧掉该层铝浆的有机物；
(8)在硅片衬底10背面镀一层氧化铝层14；
(9)在硅片衬底10背面的网状图案的无浆料区域的槽26内喷淋一层硼酸16；
(10)在硅片衬底10背面的网状图案的无浆料区域的槽26内进行局域打孔和烧蚀，形成硼硅合金及局域硼背场18；
(11)在硅片衬底10背面丝网印刷一层铝浆料层形成背面铝电极22；
(12)在硅片衬底10前表面丝网印刷银前电极24并在高温扩散炉中烧结，使银前电极24、背面电极22与硅片衬底10形成欧姆接触，中间铝浆料层12通过通孔2与银前电极24主栅形成合金。
在上述步骤中，硅片衬底10在使用前需要经过超声波清洗、去损伤层，去损伤层厚度是5～10μm，同时还需要碱制绒制备出表面绒面结构，之后再通过盐酸、氢氟酸等漂洗后方可使用；经扩散形成的n+层4后，还需要二次清洗，去除磷硅玻璃，刻边并把硅片衬底10背面的p-n结去除，方可进行下一步骤。通过激光器对硅片衬底10背面的网状图案进行打孔并局域烧蚀后需要用进行超净水清洗，方可进行下一步。
所述硅片衬底10为p型单晶硅片，硅片的电阻率为0.5～5Ω.cm，厚度为100～150μm；激光打出的通孔直径为0.2～0.5mm。在形成的二氧化硅6和氮化硅8复合钝化膜中，二氧化硅的厚度为5～10nm，氮化硅厚度为70～80nm；氮化硅减反膜20厚度为70～80nm，在硅片衬底10背面丝网印刷的网状图案无浆料区域为正方形阵列，边长300μm，浆料厚度为5～10μm，无浆料区域占背面面积的20％；在网状图案上镀的氧化铝层14厚度为80～100nm；在网状图案无浆料区域的槽内喷淋的硼酸16的浓度为1％，厚度为5～10μm；在网状图案的无浆料区域的槽内用激光器进行局域背面接触孔的面积占无浆料区域的20％；银前电极24的厚度为10～20μm，背面铝电极22厚度为10～20μm；硅片衬底10前表面制得n+层4的方块电阻为40～50Ω/□。
实施例2
本实施例与上述实施例1的具体制备工艺步骤完全相同，其不同之处在于：
所述硅片衬底10为p型单晶硅片，硅片的电阻率为1～10Ω.cm，厚度为150～180μm；激光打出的通孔2的直径为0.5～0.8mm；此外，在形成的二氧化硅6和氮化硅8复合钝化膜中，二氧化硅6的厚度为10～15nm，氮化硅8厚度为80～100nm；氮化硅减反膜20厚度为70～80nm，。
在硅片背面丝网印刷的网状图案无浆料区域为圆形阵列，直径为400μm，浆料厚度为10～20μm，无浆料区域占背面面积的30％；在网状图案上镀的氧化铝层14厚度为100～120nm；在网状图案无浆料区域的槽内喷淋的硼酸16浓度为5％，厚度为10～20μm；在网状图案的无浆料区域的槽内用激光器进行局域背面接触孔的面积占无浆料区域的30％；银前电极24的厚度为15～20μm，背面铝电极22厚度为15～20μm；硅片衬底10前表面制得n+层4的方块电阻为50～55Ω/□。
实施例3
本实施例与上述实施例1的具体制备工艺步骤完全相同，其不同之处在于：
硅片衬底10也为p型单晶硅片，其硅片的电阻率为5～10Ω.cm，厚度为200～220μm。
激光打出的通孔2直径为1.0～1.2mm，在形成的二氧化硅6和氮化硅8复合钝化膜中，二氧化硅6的厚度为20～40nm，氮化硅8厚度为120～150nm；氮化硅减反膜20厚度为70～80nm，。在硅片背面丝网印刷的网状图案无浆料区域为正方形阵列，边长为500μm，浆料厚度为15～25μm，无浆料区域占背面总面积的50％。在网状图案上镀的氧化铝层14厚度为120～150nm。在网状图案无浆料区域的槽内喷淋的硼酸16浓度为3％，厚度为15～25μm。在网状图案的无浆料区域的槽内用激光器进行局域背面接触孔的面积占无浆料区域的40％。银前电极24的厚度为20～25μm，背面铝电极22厚度为20～25μm。硅片衬底10前表面制得n+层4的方块电阻为55～65Ω/□。
Claims (10)
1.一种电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：包括硅片衬底，所述硅片衬底包括有吸收太阳光的前表面，硅片衬底的前表面有扩散得到的n+层、氮化硅减反膜及银前电极，所述银前电极底部设有若干通孔，所述硅片衬底背面先形成二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，所述复合钝化膜背面印有网状图案的中间铝层，所述中间铝层通过通孔与银前电极的底部形成合金实现电荷导通，中间铝层背面设有一层与背面电极形成电荷隔离的氧化铝介质层，所述网状图案的中间铝层的无浆料区域被激光局域开孔并形成局域硼背场背电极，该背电极与硅片衬底以点接触方式形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述硅片衬底为p型单晶硅片衬底或p型多晶硅片衬底，硅片衬底电阻率为0.5Ω.cm～10Ω.cm，厚度为100～220μm。
3.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述通孔位于硅片衬底的前表面银前电极主栅的正下方，通孔直径为0.2～2mm。
4.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述的二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，二氧化硅的厚度为5～50nm，氮化硅厚度为40～200nm。
5.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述网状图案为平面结构，无浆料区域为方形、圆形或规则多边形阵列，其边长或直径为200～2000μm，背面接触孔的面积占无浆料区域的1％～80％。
6.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述的有网状图案的铝浆料层厚度为5～30μm。
7.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池，其特征在于：所述的氧化铝层厚度为60～300nm。
8.根据权利要求1所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过激光工艺在硅片衬底上形成若干通孔，并用化学腐蚀液去除硅片衬底表面的损伤层；
(2)在硅片衬底的两面经过高温扩散炉扩散形成n+层；
(3)采用化学腐蚀溶液去除硅片衬底背面的n+层；
(4)在硅片衬底的两面通过热氧化形成二氧化硅层；
(5)在硅片衬底背面镀上一层氮化硅(SiNx:H)，形成二氧化硅和氮化硅复合钝化膜，随后用氢氟酸去除掉硅片衬底前表面的二氧化硅层；
(6)在硅片衬底前表面镀上氮化硅减反膜；
(7)采用丝网印刷工艺在硅片衬底背面的复合钝化膜上印刷具有网状图案的、无玻璃料的铝浆料层，即中间铝金属层，并通过高温烧结炉燃烧掉该层铝浆料层中的有机物；
(8)在硅片衬底的背面镀上氧化铝层；
(9)采用喷淋工艺在网状图案的无浆料区域的槽内喷淋上硼酸；
(10)采用激光烧蚀工艺在网状图案的无浆料区域的槽内局域开膜，并使硅片衬底与硼酸在高温下反应形成硼硅合金及局域硼背场；
(11)在硅片衬底背面丝网印刷无玻璃料的铝浆料层；
(12)在硅片衬底前表面丝网印刷银浆料层，并通过烧结炉高温烧结使做背电极的铝浆料与硅片衬底基底形成局域欧姆接触，银前电极烧穿氮化硅与硅片衬底形成欧姆接触，具有网状图案的铝金属层与银前电极主栅底部形成合金。
9.根据权利要求8所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺，其特征在于，所述的硼酸溶液浓度为0.5％～40％。
10.根据权利要求8所述的电场钝化背面点接触晶体硅太阳电池的制备工艺，其特征在于，所述的步骤(1)中将硅片衬底背对背放入扩散石英舟中实现单面扩散，所述的n+层方阻为40～65Ω/□。
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