CN102610686B - 一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作工艺 - Google Patents

一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种背接触硅太阳能电池，包括经过表面织构化的N型单晶硅片，正面设有第一N型重掺杂层，外面依次设有第一SiO2钝化层和减反射膜层；背面设有相互间隔设置的第二N型重掺杂层和P型重掺杂层，外设有第二二氧化硅钝化层，第二N型重掺杂层处的第二SiO2钝化层外依次设有重掺杂AZO薄膜层和银浆；所述P型重掺杂层处的第二SiO2钝化层外依次设有重掺杂CuAlO2薄膜层覆和银铝浆。本发明还公开了一种背接触硅太阳能电池的制作工艺。本发明解决了现有技术中太阳能电池转换效率低下，而背接触电池由于普遍采用激光打孔制作成本高昂的问题，经过工艺改进做到接触面重掺杂，附着重掺低阻TCO材料形成隧道电流，并且选择采用低温浆料烧结法，在保证电池效率的前提下降低了制作成本。

Description

一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作工艺
技术领域
本发明涉及了一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作工艺，属于太阳能电池新型电池技术领域。
背景技术
当阳光照射到太阳电池时，可以在没有机械转动或没有污染性副产物的情况下将入射能直接转换成电能。太阳电池早已不是实验室仅有的珍品，对它的使用已经有50多年的历史。开始时是提供空间电源，现在已经在地面发电上占据越来越大的份额。近几年，这类电池的制造技术得到进一步改进。太阳电池的生产成本将逼近火力发电的水平，为世界能源需求做出巨大贡献。
在多种形态结构的太阳能电池中，背接触晶体硅太阳能电池由于其受光面相比常规电池，大幅度减少甚至完全摒除了遮光栅线的设计，将电池正负电极全部设计于背表面，充分利用。这样能够大幅度提高受光面光照面积，提高短路电流密度从而大幅度改善晶硅电池效率。
在背接触电池设计中，尤以EWT(emitter warp through)与MWT(metal warp through)为主要设计原形，其中正面完全无栅线设计能够最大幅度利用受光面，同时正负电极全部移至背面，但是背面同时具有PN型区域特性，并且由于寄生电容效应的存在，因此常规铝背场钝化或者高密度正电荷钝化介质都无法同时钝化两型，如果采用热硅氧化层钝化设计，又由于氧化层的绝缘特性，严重影响载流子的输运，极大增加串联电阻从而影响电池效率，如果采用激光打点法引出电极，无疑在成本上增加了极大负担尚且又无法保证成功率，故正面完全无栅设计的采用率相对较低。
发明内容
本发明提供了一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作工艺，利用基本的正面无栅背接触电池设计，经过工艺改进做到接触面重掺杂，并且使用热氧化层钝化工艺，同时对隧道电流所需的重掺低阻TCO材料进行选择，最后采用低温浆料烧结法，在保证电池效率的前提下降低了制作成本。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型单晶硅片，所述N型单晶硅片的正面设有第一N型重掺杂层；背面设有相互间隔设置的第二N型重掺杂层和P型重掺杂层，所述第一N型重掺杂层外依次设有第一SiO2钝化层和减反射膜层，所述第二N型重掺杂层和P型重掺杂层外设有第二二氧化硅钝化层，所述第二N型重掺杂层处的第二SiO2钝化层外依次设有重掺杂AZO薄膜层和银浆；所述P型重掺杂层处的第二SiO2钝化层外依次设有重掺杂CuAlO2薄膜层覆和银铝浆。
前述的背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：所述N型单晶硅片的正面呈多个金字塔连续均匀分布状。
前述的背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：所述第二SiO2钝化层的厚度为15nm-25nm。
一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）选择N型单晶硅片，采用腐蚀工艺将N型单晶硅片的正面腐蚀成金子塔表面；
（2）采用丝网印胶的方法，在N型单晶硅片的正面覆盖丝印掩膜胶，背面局部覆盖丝印掩膜胶，在未覆盖丝印掩膜胶处形成P型区域，并对丝印掩膜胶烘干；
（3）将步骤（2）中的N型单晶硅片放置到管式扩散炉中，采用BBr3为扩散源，使用氮气携带鼓泡的方法，在未覆盖丝印掩膜胶处的P型区域完成重硼扩散，并去除丝印掩膜胶；
（4）再次采用丝网印胶的方法，在步骤（3）中的P型重掺杂层覆盖丝印掩膜胶；
（5）将步骤（4）中的N型单晶硅片放置于N型杂质扩散炉中，采用POCL3为扩散源，在未覆盖丝印掩膜胶处进行N型重掺杂；
（6）去除丝印掩膜胶，并对N型单晶硅片进行酸洗去除电池工艺中可能产生的表面杂质；
（7）将N型单晶硅片置于热氧化炉内，在硅片的正面和背面形成SiO2钝化层，然后将硅片置于PECVD内，使用氮化硅在硅片的正面形成减反射膜层；
（8）利用金属掩膜板覆盖P型区域，采用重掺杂AZO为靶材，禁带宽度3.4eV，制造N型单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板N型区域制作AZO薄膜层；
（9）将金属掩膜板覆盖N型区域，采用重掺杂CuAlO2为靶材，禁带宽度3.5eV，制造N型单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板P型区域制作CuAlO2薄膜层；
（10）在250℃-350℃温度条件下，对N型单晶硅片进行15-25分钟的热退火处理；
（11）去除金属掩膜板后，进行两道丝网印刷，分别用低温银铝浆印刷覆盖于CuAlO2薄膜上，并烘干，再用低温银浆覆盖于AZO薄膜上，烘干。
前述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于： 步骤（8）中制作AZO薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.48Pa，氧氩气氛下，溅射功率160W，衬底温度280℃，磁控电压600V，形成25nm/min -35nm/min的沉积速率，持续16-20分钟。
前述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于：步骤（9）中制作CuAlO2薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.5Pa，溅射功率220W，衬底温度280℃，形成20nm/min-30nm/min的沉积速率，持续18-22分钟。
本发明的有益效果是：采用N型基底硅片，采用热氧化层背面钝化设计，同时加入存在于IC工艺中的TCO-Oxide-Semiconductor设计，后道使用磁控溅射工艺，预先改良工艺制备重掺PN型区域，满足隧道电流产生条件，与高带宽重掺TCO之间可产生隧道电流进行载流子输运，完全摒弃了激光打孔，降低了成本，同时对背表面仍具有极好的钝化效果，从而较大幅度提高了短路电流密度，基本维持串联电阻的现有水平，最终提高电池效率。并且由于低电阻TCO薄膜的存在，电极制备可使用低温浆料，只需与TCO形成欧姆接触，浆料无需接触硅本体，因此无需重复的高温工艺，大幅度减少电池受污染或者结构受高温影响产生无法预料破坏的可能。
附图说明
图1是本发明背接触晶体硅太阳能电池剖视图；
   图2是本发明N型单晶硅片制绒后的结构示意图；
图3是本发明N型单晶硅片覆盖丝印掩膜胶后的结构示意图；
图4是本发明N型单晶硅片完成重硼扩散后的结构示意图；
图5是本发明N型单晶硅片去除丝印掩膜胶后的结构示意图；
图6是本发明N型单晶硅片的重硼扩散除覆盖了丝印掩膜胶后的结构示意图；
图7是本发明N型单晶硅片未覆盖丝印掩膜胶处N型重掺杂后的结构示意图；
图8是本发明N型单晶硅片完成钝化和减反射层后的结构示意图；
图9是本发明N型单晶硅片N型区域完成AZO薄膜层后的结构示意图；
图10是本发明N型单晶硅片P型区域完成CuAlO2薄膜层后的结构示意图。
图中：N型单晶硅片1，第一N型重掺杂层2，第一SiO2钝化层3，减反射膜层4，P型重掺杂层5，第二N型重掺杂层6，第二二氧化硅钝化层7，重掺杂AZO薄膜层8，重掺杂CuAlO2薄膜层9，银浆10，银铝浆11，丝印掩膜胶12，金属掩膜板13。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型单晶硅片1，所述N型单晶硅片1的正面设有第一N型重掺杂层2；背面设有相互间隔设置的第二N型重掺杂层6和P型重掺杂层5，所述第一N型重掺杂层2外依次设有第一SiO2钝化层3和减反射膜层4，所述第二N型重掺杂层6和P型重掺杂层5外设有第二二氧化硅钝化层7，所述第二N型重掺杂层6处的第二SiO2钝化层7外依次设有重掺杂AZO薄膜层8和银浆10；所述P型重掺杂层5处的第二SiO2钝化层7外依次设有重掺杂CuAlO2薄膜层9和银铝浆11。电极制备使用低温浆料，与TCO形成欧姆接触，浆料无需接触硅本体，因此无需重复的高温工艺，大幅度减少电池受污染或者结构受高温影响产生无法预料破坏的可能。
所述N型单晶硅片1的正面呈多个金字塔连续均匀分布状（图中未示出），金字塔结构的大小为1.5um-2.0um，作为电池的受光表面，提高电池的受光率。
所述第二SiO2钝化层7的厚度为15nm-25nm，结合重掺杂靶材AZO与CuAlO2分别对应重掺N与P型区域，形成基本的电子隧穿条件，引起隧道电流完成载流子输运，并且由于氧化层横向绝缘特性本质上遏制了漏电效应。
一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，包括如下步骤：
（1）选择N型单晶硅片1，采用腐蚀工艺将N型单晶硅片1的正面腐蚀成金子塔表面，作为电池受光表面，如图2所示；
（2）采用丝网印胶的方法，在N型单晶硅片1的正面覆盖丝印掩膜胶12，背面局部覆盖丝印掩膜胶12，在未覆盖丝印掩膜胶处形成P型区域，并在150℃下对丝印掩膜胶12进行烘干，时长约为16分钟，如图3所示；
（3）将步骤（2）中的N型单晶硅片1放置到管式扩散炉中，在985℃的扩散温度下，采用BBr3为扩散源，进行80分钟扩散，使用氮气携带鼓泡的方法，其中包含进片，回温与出舟等工序，总工艺时间为116分钟，在未覆盖丝印掩膜胶12处的P型区域完成重硼扩散，扩散完成后测量其局部扩散区域方块电阻约为12Ω， 并使用丁酮去除丝印掩膜胶12，如图4和图5所示；
（4）再次采用丝网印胶的方法，在步骤（3）中的P型重掺杂层5处覆盖丝印掩膜胶12，如图6所示；
（5）将步骤（4）中的N型单晶硅片1放置于N型杂质扩散炉中，在890℃的扩散温度下，采用POCL3为扩散源，在未覆盖丝印掩膜胶12处进行N型重掺杂，在背面形成第二N型重掺杂层6，在正面形成第一N型重掺杂层2的目的是形成二级势垒，提高势垒宽度，从而阻止少数载流子被俘获于表面高复合区，从而增大开路电压；
（6）去除丝印掩膜胶12，并对N型单晶硅片1进行酸洗去除电池工艺中可能产生的表面杂质，如图7所示；
（7）将N型单晶硅片1置于热氧化炉内，在300℃的温度下，在硅片1的正面形成第一SiO2钝化层3和背面形成第二SiO2钝化层7，解决了P型区域的钝化难题，然后将硅片置于PECVD内，同晶硅电池常规工艺，使用氮化硅在硅片的正面形成减反射膜层4，利用干涉加强反射相消原理从而进一步提高对于入射光的捕获概率，如图8所示；
（8）利用金属掩膜板13覆盖P型区域，采用重掺杂AZO为靶材，禁带宽度3.4eV，制造N型单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板处制作AZO薄膜层；制作AZO薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.48Pa，氧氩气氛下，溅射功率160W，衬底温度280℃，磁控电压600V，形成25nm/min -35nm/min的沉积速率，持续18分钟，将大约540nm厚度的重掺杂AZO薄膜层覆8盖于第二N型重掺杂层6上，如图9所示；
（9）将金属掩膜板覆盖N型区域，采用重掺杂CuAlO2为靶材，禁带宽度3.5eV，制造N型单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板处制作CuAlO2薄膜层，制作CuAlO2薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.5Pa，溅射功率220W，衬底温度280℃，形成20nm/min-30nm/min的沉积速率，持续20分钟，将大约500nm厚度的重掺杂CuAlO2薄膜层9覆盖于P型重掺杂层5上；
（10）在250℃-350℃温度条件下，对N型单晶硅片进行15-25分钟的热退火处理；
（11）去除金属掩膜板后，进行两道丝网印刷，分别用低温银铝浆印刷覆盖于CuAlO2薄膜上，并烘干，再用低温银浆覆盖于AZO薄膜上，烘干，至此，整个背接触晶体硅太阳能电池制备完成。
综上所述，本发明提供了一种背接触晶体硅太阳能电池极其制作工艺，利用基本的正面无栅背接触电池设计，经过工艺改进做到接触面重掺杂，并且使用热氧化层钝化工艺，同时对隧道电流所需的重掺低阻TCO材料进行选择，最后采用低温浆料烧结法，在保证电池效率的前提下降低了制作成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (6)

1.一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型单晶硅片（1），所述N型单晶硅片（1）的正面设有第一N型重掺杂层（2）；背面设有相互间隔设置的第二N型重掺杂层（6）和P型重掺杂层（5），所述第一N型重掺杂层（2）外依次设有第一SiO2钝化层（3）和减反射膜层（4），所述第二N型重掺杂层（6）和P型重掺杂层（5）外设有第二SiO2钝化层（7），其特征在于：所述第二N型重掺杂层（6）处的第二SiO2钝化层（7）外依次设有重掺杂AZO薄膜层（8）和银浆（10）；所述P型重掺杂层（5）处的第二SiO2钝化层（7）外依次设有重掺杂CuAlO2薄膜层（9）和银铝浆（11）。
2.根据权利要求1所述的背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：所述N型单晶硅片（1）的正面呈多个金字塔连续均匀分布状。
3.根据权利要求1或2所述的背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：所述第二SiO2钝化层（7）的厚度为15nm-25nm。
4.一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）选择N型单晶硅片，采用腐蚀工艺将N型单晶硅片的正面腐蚀成金子塔表面；
（2）采用丝网印胶的方法，在N型单晶硅片的正面覆盖丝印掩膜胶，背面局部覆盖丝印掩膜胶，在未覆盖丝印掩膜胶处形成P型区域，并对丝印掩膜胶烘干；
（3）将步骤（2）中的N型单晶硅片放置到管式扩散炉中，采用BBr3为扩散源，使用氮气携带鼓泡的方法，在未覆盖丝印掩膜胶处的P型区域完成重硼扩散，并去除丝印掩膜胶；
（4）再次采用丝网印胶的方法，在步骤（3）中的P型重掺杂层表面覆盖丝印掩膜胶；
（5）将步骤（4）中的N型单晶硅片放置于N型杂质扩散炉中，采用POCL3为扩散源，在未覆盖丝印掩膜胶处进行N型重掺杂；
（6）去除丝印掩膜胶，并对N型单晶硅片进行酸洗去除电池工艺中可能产生的表面杂质；
（7）将N型单晶硅片置于热氧化炉内，在硅片的正面和背面形成SiO2钝化层，然后将硅片置于PECVD内，使用氮化硅在硅片的正面形成减反射膜层；
（8）利用金属掩膜板覆盖P型区域，采用重掺杂AZO为靶材，禁带宽度3.4eV，在单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板处N型区域制作AZO薄膜层；
（9）将金属掩膜板覆盖N型区域，采用重掺杂CuAlO2为靶材，禁带宽度3.5eV，在单晶硅片背面未覆盖金属掩膜板处P型区域制作CuAlO2薄膜层；
（10）在250℃-350℃温度条件下，对N型单晶硅片进行15-25分钟的热退火处理；
（11）去除金属掩膜板后，进行两道丝网印刷，分别用低温银铝浆印刷覆盖于CuAlO2薄膜上，并烘干，再用低温银浆覆盖于AZO薄膜上，烘干。
5.根据权利要求4所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于： 步骤（8）中制作AZO薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.48Pa，氧氩气氛下，溅射功率160W，衬底温度280℃，磁控电压600V，形成25nm/min -35nm/min的沉积速率，持续16-20分钟。
6.根据权利要求4所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制作工艺，其特征在于：步骤（9）中制作CuAlO2薄膜层的工艺条件为：靶基距为7cm，压强为0.5Pa，溅射功率220W，衬底温度280℃，形成20nm/min-30nm/min的沉积速率，持续18-22分钟。
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JP特开2002-164556A 2002.06.07
JP特开2002-299654A 2002.10.11

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