CN102569522A

CN102569522A - 一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法

Info

Publication number: CN102569522A
Application number: CN2012100284343A
Authority: CN
Inventors: 丁建宁; 袁宁一; 邱建华; 王秀琴
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及晶体硅太阳电池，特指一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法。本发明利用氧化铝做背钝化层，采用飞秒激光热效应和化学还原相结合的方法，在氧化铝钝化层上进行扫描，实现电池的背面栅电极制作。本发明一方面可简化工艺；另一方面在保证良好欧姆接触的同时，显著降低对钝化层的破坏，从而提高电池效率。

Description

一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法

技术领域

本发明涉及晶体硅太阳电池，特指一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法。

背景技术

利用新能源是当前世界各国必须首先解决的重大课题，而太阳能具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等诸多优点，是解决能源和环境问题的理想能源；虽然光伏技术近几年取得了突飞猛进的进步，但是如何进一步提高电池效率，降低成本仍然是个迫切要解决的问题。

在所有太阳电池中，晶体硅太阳电池的转换效率最高，技术也最为成熟，应用最为广泛；对晶体硅太阳电池，在少数载流子寿命大大提高和有发射区钝化的基础上，发生在背表面的复合和背表面对光的内反射作用成为影响光电转换效率的关键；常规晶体硅太阳电池采用所谓“全Al 背场”结构，尽管这种结构有很多优点，但由于烧结形成的Al₂Si 合金背表面在减少复合和背反射效果方面的局限，特别是Al₂Si 合金区本身即高复合区，限制了电池效率的进一步提高；在此背景下，局部背接触结构开始应用于高效晶体硅太阳电池；局部背接触结构的特点是：背面电极接触只占整个背表面的很小部分，其余部分则覆以钝化层，钝化层上蒸镀金属作背反射面，这种结构有利于降低少子的背表面复合，

目前采用局部背接触结构的高效太阳电池，主要有激光刻槽技术制作栅连线，即在电池背面先生长钝化层，如氧化铝；然后激光刻槽；化学清洗；涂铝桨，高温烧结；高温烧结的目的是实现良好的欧姆接触，在此过程中，激光刻槽，会对钝化层造成不同程度的破坏，导致背表面的载流子复合效率提高；高温烧结会降低钝化层的钝化效果，产生单晶硅的高温缺陷，从而降低电池效率；除了激光刻槽技术，德国Frauhofer太阳能研究所【R．Preu，schneiderloehner，Stephan Glunze．Method of semiconductor-metal contact through a dieleer， producing【P】．USA，Jan．2006，Patent No.：US698221882】提出激光烧结电极技术，具体工艺过程为【S．w．Glunz．New concepts for high-efficiency silicon solar Materials＆Solar cells．Solar Energy materials Cells, 2006, 3276~3284】：在完成了电池前表面的结构工艺后，首先在硅片的背面沉积一层钝化膜，接着在钝化膜上镀一层铝，然后在要制备电极的铝膜上用激光烧蚀，使铝穿透介质钝化层融人体硅基体并与硅形成良好的欧姆接触；由于用作电极的目前多为较厚的铝材料(大于2 μm，以使太阳电池有小的串联电阻)，这样就需要选择较长波长的1064 nm激光，以实现铝膜对激光的适合吸收深度，使铝硅界面融化和再结晶；另外，由于光斑对材料的损伤区域和电极的欧姆接触面积优化的结果，使得激光烧结使用的激光束斑达到了80～120 μm，还有激光烧结时，材料表面被激光熔融的点呈分立排布，间距在0.5 mm左右。

本发明不同于上述方法，利用氧化铝做背钝化层，利用激光热效应和化学还原相结合的方法，在氧化铝钝化层上进行扫描，在激光热效应作用下，把氧化铝还原成铝，并由于局域高温效应，实现铝栅线和硅良好的欧姆接触。

发明内容

本发明提出一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法，即利用氧化铝做背钝化层，采用飞秒激光热效应和化学还原相结合的方法，在氧化铝钝化层上进行扫描，实现电池的背面栅电极制作。

超短、超强和高聚焦能力是飞秒激光的三大特点，飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，采用飞秒激光扫描，可制作更细的栅连线，降低激光辐照损伤，有利于电池效率的进一步提高。

该发明一方面可简化工艺；另一方面在保证良好欧姆接触的同时，显著降低对钝化层的破坏，从而提高电池效率；

本发明高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备所采用的核心技术方案包括如下步骤：

（1）氧化铝钝化层的制备：包括但不限于利用原子层沉积（ALD）技术制备氧化铝薄膜；

（2）飞秒激光扫描：在氢气或一氧化碳气氛下，利用激光在钝化层上所需位置扫描，形成栅连线；

（3）蒸镀铝层：利用热蒸发或电子束蒸发在经激光扫描后的氧化铝钝化层上沉积铝层。

具体为：

1、氧化铝钝化层的制备：利用ALD技术制备氧化铝薄膜，以三甲基和去离子水为液态源，在100～250℃下沉积氧化铝层，沉积厚度20～50nm。

2、飞秒激光扫描：在氢气或一氧化碳气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描，采用中心波长为808 nm的钛宝石飞秒激光系统；激光器输出中心波长808 nm，脉冲宽度30~100飞秒，重复频率1 ~10 kHz；输出激光由衰减片调节单脉冲能量为0.01~2毫焦，飞秒激光引入显微镜，经滤光、能量衰减、扩束后，利用大数值孔径的物镜对光束进行聚焦，获得直径为5～20微米的高斯光束，样品固定在三维移动平台的XY平面上，计算机控制激光扫描头沿着X和Y方向移动，这样通过飞秒激光扫描形成平行的栅线。

（1）计算机控制扫描头沿着X轴方向向右移动，移动速率100~200 mm/s，进行X方向扫描；

（2）X方向移动一行以后，计算机控制扫描头沿Y方向向前移动100~500 μm，重复X方向扫描；

（3）重复步骤（2）和（3）直至扫描结束。

3、蒸镀铝层：利用热蒸发或电子束蒸发在经激光扫描后的氧化铝钝化层上沉积铝层，厚度在100～200 nm。

附图说明

图1 对比例二中激光刻槽清洗后的SEM，从图中可以看出，普通激光刻槽后，对硅片的损伤较大；

图2 实例一中激光扫描后的SEM图，表面比较平整，对硅片的损伤小。

具体实施方式

对比例一

硅片采用双面抛光的P型单晶硅片，电阻率为1.5欧姆厘米，厚度180微米。

1、硅片正面沉积氮化硅/氧化硅层

用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法，在硅片表面先制作50 nm，折射率为1.7 的SiOx层，再沉积30 nm，折射率2.05的SiNx层。

2、硅片背面沉积氧化铝层

利用ALD技术制备氧化铝薄膜，以三甲基和去离子水为液态源，在200℃下沉积氧化铝层，沉积厚度25 nm。

3、少子寿命测量

使用少子寿命测量仪测试，少子寿命230μs。

对比例二

硅片采用对比例一中同样的硅片。

1、硅片正面沉积氮化硅/氧化硅层

同对比例一中步骤1。

2、硅片背面沉积氧化铝层

同对比例一中步骤2。

3、激光刻槽

激光波长 1.06 μm，激光功率0.2 w，槽宽40 μm，槽与槽间的间隔1 mm。

4、少子寿命测量

使用少子寿命测量仪测试，少子寿命110μs，可以看出，普通激光刻槽后，少子寿命降低了一半。

对比例三

硅片采用对比例一中同样的硅片。

1、硅片正面沉积氮化硅/氧化硅层

同对比例一中步骤1。

2、硅片背面沉积氧化铝层

同对比例一中步骤2。

3、飞秒激光刻槽

中心波长为808nm，重复频率1 kHz，脉冲宽度60fs，单脉冲能量为1 mJ，光斑直径为10 μm，槽宽11 μm，槽与槽间的间隔200 μm。

4、少子寿命测量

使用少子寿命测量仪测试，少子寿命160μs，可以看出，单独采用飞秒激光刻槽后，少子寿命也下降较多。

实例一

硅片采用对比例一中同样的硅片。

1、硅片正面沉积氮化硅/氧化硅层

同对比例一中步骤1。

2、硅片背面沉积氧化铝层

同对比例一中步骤2。

3、激光扫描：在氢气气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描；在氢气气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描，采用中心波长为808nm，重复频率1 kHz，脉冲宽度60fs的钛宝石飞秒激光系统；飞秒激光引入显微镜，经滤光、能量衰减、扩束后，利用大数值孔径的物镜对光束进行聚焦，获得单脉冲能量为1 mJ，直径为10 μm的高斯光束，获得的铝栅线宽度（槽宽）11 μm，槽与槽间的间隔200 μm，铝栅线电阻是0.12 Ω。

4、少子寿命测量

使用少子寿命测量仪测试，少子寿命210 μs。

实例二

硅片采用对比例一中同样的硅片。

1、硅片正面沉积氮化硅/氧化硅层

同对实例一中步骤1。

2、硅片背面沉积氧化铝层

同实例一中步骤2。

3、激光扫描：在氢气气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描，在一氧化碳气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描。采用中心波长为808nm，重复频率10 kHz，脉冲宽度100 fs的钛宝石飞秒激光系统；飞秒激光引入显微镜，经滤光、能量衰减、扩束后，利用大数值孔径的物镜对光束进行聚焦，获得单脉冲能量为0.5 mJ，直径为20 μm的高斯光束，获得的铝栅线宽度21 μm，槽与槽间的间隔400 μm，铝栅线电阻是0.14 Ω。

4、少子寿命测量

使用少子寿命测量仪测试，少子寿命201 μs。

对比例三

1、硅片

采用双面抛光的P型单晶硅片，电阻率为1.5欧姆厘米，厚度180微米。

2、绒面制作

将硅片放入异丙醇溶液中进行超声清洗，去除油渍和污垢，然后在85℃下，质量分数15%的NaOH水溶液中进行腐蚀，去除机械损伤层，硅片干燥待用；将硅片放入溶质配比为NaOH 5%wt，NaSiO₃ 1.5%wt的水溶液中腐蚀，腐蚀时间为25 min，反应温度为80℃。

3、扩散掺杂

采用三氯氧磷为液态扩散源，以氮气为携带气体，将清洗好的硅片放入扩散炉中进行气相扩散，扩散温度在830℃，时间15 min，使磷原子扩散到P型硅片中，构成PN结，这个过程中，将会在硅片表面产生杂质磷硅玻璃；用浓度为5%的氢氟酸腐蚀掉硅片表面的磷硅玻璃，用化学腐蚀法去掉硅片边缘以及背面的N型扩散层，以防止短路。

4、在硅片正面制备钝化减反膜

同对比例中步骤一。

5、背钝化

利用PECVD在硅片背面制备氧化铝和氮化铝双层钝化层，氧化铝厚度25 nm，氮化硅厚度150 nm。

6、激光刻槽，化学清洗

硅片的背面利用激光进行刻槽，激光波长 1.06μm，激光功率0.7w，激光频率200 kHz，扫描头移动速度3.8 m/s，槽宽40 μm，槽与槽间的间隔1 mm，激光刻槽后，利用浓度为12％的NaOH水容易清洗硅片30 min。

7、背面电极的制作

将铝浆印在硅片的背面，在250℃下烘干，以制作背电极。

8、正面栅状电极的制作

使用丝网印刷工艺，54栅线，60 um，将银浆印在硅片的正面（受光面）并烘干，以制作栅状电极。

9、烧结

将硅片放入烧结炉中进行分段烧结，温度为250-910℃，使银浆和铝浆分解为金属电极并烙印在电池片上。

测试结果：在AM1.5，100mW/cm²标准光强的照射下,单晶太阳电池的转换效率为19.3 %。

实例三

1、硅片

2、绒面制作

同对比例三中步骤2。

3、扩散掺杂

同对比例三中步骤3。

4、在硅片正面制备钝化减反膜

同对比例三中步骤4。

5、背钝化

利用ALD技术制备氧化铝薄膜，以三甲基和去离子水为液态源，在200 ℃下沉积氧化铝层，沉积厚度25 nm。

6、背面激光扫描，形成栅线

在氢气气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描，采用中心波长为808 nm，重复频率1 kHz，脉冲宽度80 fs的钛宝石飞秒激光系统；飞秒激光引入显微镜，经滤光、能量衰减、扩束后，利用大数值孔径的物镜对光束进行聚焦，获得单脉冲能量为1.2 mJ，直径为15 μm的高斯光束，获得的铝栅线宽度16 μm，槽与槽间的间隔250 μm，铝栅线电阻是0.11 Ω。

7、利用蒸发技术在硅片背面沉积一层铝膜。

利用热蒸发在经激光扫描后的氧化铝钝化层上沉积铝层，厚度在150 nm。

8、焊接用电极的制作

使用丝网印刷工艺，将银铝浆（busbar焊接用）印在硅片的背面在250 ℃下烘干。

9、正面栅状电极的制作

10、烧结

将硅片放入烧结炉中进行烧结，温度为450 ℃，时间30 min，使银浆和铝浆分解为金属电极并烙印在电池片上。

测试结果:在AM1.5，100 mW/cm²标准光强的照射下,单晶太阳电池的转换效率为22.1 %。

Claims

1.一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法，包括制备氧化铝钝化层的步骤，激光扫描的步骤和蒸镀铝层的步骤，其特征在于：激光扫描的步骤为：采用飞秒激光热效应和化学还原相结合的方法，在氧化铝钝化层上进行扫描，实现电池的背面栅电极制作，具体如下：在氢气或一氧化碳气氛下，利用飞秒激光在钝化层上所需位置扫描，采用中心波长为808 nm的钛宝石飞秒激光系统；激光器输出中心波长808 nm，脉冲宽度30~100飞秒，重复频率1 ~10 kHz；输出激光由衰减片调节单脉冲能量为0.01~2毫焦，飞秒激光引入显微镜，经滤光、能量衰减、扩束后，对光束进行聚焦，获得直径为5～20微米的高斯光束，样品固定在三维移动平台的XY平面上，计算机控制激光扫描头沿着X和Y方向移动，通过飞秒激光扫描形成平行的栅线。

2.如权利要求1所述的一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法，其特征在于：所述的计算机控制激光扫描头沿着X和Y方向移动，通过飞秒激光扫描形成平行的栅线的方法如下：

（3）重复步骤（2）和（3）直至扫描结束。

3.如权利要求1所述的一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法，其特征在于：所述的制备氧化铝钝化层的步骤为：利用ALD技术制备氧化铝薄膜，以三甲基和去离子水为液态源，在100～250℃下沉积氧化铝层，沉积厚度20～50nm。

4.如权利要求1所述的一种高效晶体硅太阳电池局部背接触结构的制备方法，其特征在于：所述的蒸镀铝层的步骤为：利用热蒸发或电子束蒸发在经激光扫描后的氧化铝钝化层上沉积铝层，厚度在100～200 nm。