CN102623517B - 一种背接触型晶体硅太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

一种背接触型晶体硅太阳能电池及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种背接触型晶体硅太阳能电池，包括硅基底(10)、n型或p型掺杂的多晶硅层(15)，在所述n型或p型掺杂的多晶硅层(15)和硅基底(10)之间形成第一钝化层(11)。本发明还提供这种背接触型晶体硅太阳能电池的制作方法，通过热氧化法引入第一钝化层(11)。通过这样方法改进的太阳能电池会大大改善电池表面的钝化效果，减少光生载流子的复合，降低电学的损失，从而获得更高的转换效率，实现更大的功率输出。

Description

一种背接触型晶体硅太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明属于光伏技术领域，涉及一种背接触型晶体硅太阳能电池及其制作方法。
背景技术
太阳能电池工作原理的基础是半导体pn结的光生伏特效应。半导体材料具有一定的禁带宽度，当能量大于半导体材料禁带宽度的一束光垂直入射到pn结表面，光子将在离表面一定深度的范围内被吸收，而入射光将在结区及结附近的空间激发电子空穴对，产生在空间电荷区的光生电子和空穴在结电场的作用下分离，形成自n区向p区的光生电流。同时，由光生载流子漂移并堆积形成一个与光生电流反向的正向结电流。当光生电流和正向结电流达到稳定态的时候，pn结两端建立起稳定的电势差，即光生电压。通过连接外部电路，可以向外输出功率。
影响太阳能电池效率的主要因素主要包括光学损失和电学损失。其中光学损失主要包括电池前表面接触栅线的阴影损失，表面的反射损失以及长波段的非吸收损失，其中接触栅线的阴影损失是关键的影响因素。电学损失主要包括半导体表面及体内的光生载流子复合，半导体和金属栅线的体电阻和金属-半导体接触电阻损失，其中光生载流子的复合是主要的影响因素。
背电极型硅太阳能电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种硅太阳电池。这种电池的pn结和金属电极全都位于电池的背面，表面无栅线的遮挡，相对于一般的太阳能电池，其优势主要在于完全消除了正面栅线电极的遮光损失，从而提高了电池效率。
但是，在背接触型晶体硅太阳能电池中，电池的表面复合速率主要由电池背面p型发射极的复合速率所决定。在晶体生长过程中，晶体周期势场被破坏了的对应位置称为缺陷，这将在固体表面形成悬挂键即表面态。在实际的硅材料中，缺陷是不可避免的。硅片和电池的制备过程引起的表面损伤，外来原子的吸附等都将产生表面缺陷，这些结构的缺陷若存在于器件的界面，则称为界面态。表面或界面缺陷态对器件性能有极重要的影响。
在硅p型发射极和钝化层的界面上，发射极的掺杂浓度，是决定发射极复合速率最重要的因素。若发射极的表面掺杂浓度很高，就会增加表面态密度，从而增加了复合速率，降低了少子寿命和电池效率。而在硅和金属的接触层中，掺杂浓度越高，则硅与金属的欧姆接触电阻越小，从而会有更多的电流被收集，提高电池效率。传统的背接触型晶体硅太阳能电池结构中，p型发射极掺杂浓度的选取无法同时满足表面复合速率和金属欧姆接触电阻的这两种相反的需求，只能取折中的值。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种背接触型晶体硅太阳能电池，包括硅基底、n型或p型掺杂的多晶硅层，在所述n型或p型掺杂的多晶硅层和硅基底之间形成第一钝化层。
其中，所述第一钝化层的厚度为0.5～50nm。
并且，所述第一钝化层是通过热氧化方法形成的。
当第一钝化层厚度达到一定程度，需要采用光刻或丝网印刷法在所述第一钝化层上腐蚀开孔，所述开孔区域面积占第一钝化层20%以下。
所述背接触型晶体硅太阳能电池，在所述多晶硅层正面从下至上依次为第二钝化层、金属接触电极；在所述硅基底背面从上至下依次为背面掺杂层、背面氧化层以及抗反膜。
本发明还提供这种背接触型晶体硅太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：选取硅片去除损伤层并制作绒面，形成硅基底；
步骤二：在所述硅基底的正面形成第一钝化层；
步骤三：在所述硅基底的第一钝化层表面沉积一层p型掺杂区和n型掺杂去交错生长的多晶硅层；
步骤四：在所述多晶硅层的p型掺杂区和n型掺杂区之间刻蚀出沟槽，所述沟槽的刻蚀深度至硅基底表面，使所述p型掺杂区和n型掺杂区域完全隔离；
步骤五：在所述步骤四的硅基底正面沉积第二钝化层；
步骤六：在所述步骤五的硅基底的背面先后形成与所述硅基底电性能相同的背面掺杂层和背面氧化层；
步骤七：在所述背面氧化层上沉积抗反膜；
步骤八：在所述多晶硅层的第二钝化层上开孔；
步骤九：在所述步骤八的硅基底正面形成金属接触电极，退火或烧结形成欧姆接触层。
其中，所述第一钝化层是通过热氧化方法形成的。
所述第一钝化层的厚度为0.5～50nm。
当第一钝化层的厚度大于4nm，采用光刻或丝网印刷法在所述第一钝化层上腐蚀开孔，所述开孔区域面积占第一钝化层20%以下；当第一钝化层的厚度小于等于4nm，第一钝化层可以开孔，也可以不开孔。
与常规的背接触型晶体硅太阳能电池相比，本发明的独特之处在于：在太阳能电池的多晶硅层和硅基底之间沉积了一层很薄的钝化层，这层钝化层会大大改善电池表面的钝化效果，减少光生载流子的复合，降低电学的损失，从而获得更高的转换效率，实现更大的功率输出。
附图说明
图1a～图1e为本发明实施例的制作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本发明提供一种背接触型太阳能电池，从其正面到背面（正面指的是非受光面，背面指的是受光面）依次包括：金属接触电极17、第二钝化层16、p型和n型交错掺杂的多晶硅层15；第一钝化层11、硅基底10以及背面掺杂层18、背面氧化层19以及抗反膜20。
本发明在现有技术上进行改进，即在硅基底10及多晶硅层15之间引入第一钝化层11。这样p型掺杂从上到下形成一个梯度，上面高浓度的掺杂满足了与金属欧姆接触的电阻需求，下面低浓度的掺杂满足了钝化层表面态密度的需求，从而大大改善电池表面的钝化效果。与常规的背接触型太阳能电池相比，本发明能大大减少光生载流子的复合，降低电学的损失，从而获得更高的转换效率，实现更大的功率输出。
本发明还提供这种太阳能电池的制作方法步骤，下面将通过具体实施例说明。
实施例1
步骤一、步骤二如图1a所示。
步骤一：硅片去损伤层与制绒面，形成硅基底10。本实施例中使用的硅基底10为n型单晶硅片，电阻率为50Ω·cm，厚度为100um。在其他实施例中，硅片的电阻率范围为0.01-100Ω·cm，厚度范围为20-800um。
所述的去损伤层的过程，指的是用氢氧化钠、氢氧化钾或TMAH等碱类，在水浴50～90℃的条件下去除硅基底10表面的损伤层。接着对硅基底10背面进行的织构化处理。即在重量百分比为0.1%-10%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，温度50～90℃之间进行背面织构化。同时可以添加少量的碳酸钠，异丙醇或无水乙醇等添加剂改善绒面的质量。
步骤二：在所述硅基底10的正面形成第一钝化层11。
在硅基底10正面用热氧化法生长一层4-10nm的氧化层，形成第一钝化层11。然后利用光刻或丝网印刷方法制作掩膜，并在第一钝化层11中腐蚀开孔，开孔区域以便提供多晶硅层15和硅基底10的接触区域，开孔区域占第一钝化层11表面积的10%。
步骤三：在所述硅基底10的第一钝化层11表面沉积一层p型掺杂区和n型掺杂去交错生长的多晶硅层15。
先在硅基底10的第一钝化层11表面上用LPCVD法沉积一层未掺杂的多晶硅片12，厚度为200nm左右。
然后利用掩膜在为掺杂的多晶硅片表面的指定的区域沉积一层厚度为100nm的p型掺杂的氧化硅层13，方法可以为PECVD、LPCVD或者涂磷硅玻璃。在后续退火过程中，与指定区域对应的多晶硅片12上形成p型掺杂区。之后采用PECVD，LPCVD或者涂磷硅玻璃法，在硅片的整个区域沉积一层n型掺杂氧化硅层14，厚度为100nm。从而在后续退火过程中，与指定区域对应的多晶硅上形成n型掺杂区。其中p型和n型生长的先后顺序亦可颠倒。
最后在高温炉中退火，使p型掺杂氧化硅层13、n型掺杂氧化硅层14扩散到对应的多晶硅片12上，从而在硅基底10的形成p型掺杂区和n型掺杂区交错生长的多晶硅层15，如图1b所示。
步骤四：在所述多晶硅层15的p型掺杂区和n型掺杂区之间刻蚀出沟槽，所述沟槽的刻蚀深度至硅基底10表面，使所述p型掺杂区和n型掺杂区域完全隔离。
如图1c所示，在多晶硅层15的p型掺杂区域和n型掺杂区域之间，刻蚀出一个宽约100um的沟槽，刻穿掺杂的多晶硅层15和第一钝化层11至硅基底10表面，从而起到完全隔离p型掺杂区和n型掺杂区的作用。刻蚀的方法可以是激光刻槽或者掩膜后的干法湿法刻蚀。也可以是湿法刻蚀，这样还可以在沟槽中形成绒面结构，从而加强对入射光的吸收。
步骤五：在所述步骤四的硅基底10正面沉积第二钝化层16，如图1c所示。
在硅基底10的正面用PECVD法进行第二钝化层16的沉积，起到增强表面钝化的作用。其中，所述第二钝化层16的厚度为10nm，制作材料可以用氮化硅、多晶硅或二氧化硅。
步骤六：在所述步骤五的硅基底10的背面先后形成与所述硅基底10电性能相同的背面掺杂层18和背面氧化层19。
如图1d所示，在硅基底10正面沉积一层掩膜，然后将硅基底10放在高温扩散炉中进行磷掺杂在硅基底10背面形成n型的背面掺杂层18，其中使用的磷源为液体的POCl3。掺杂后形成的n型的背面掺杂层18的方块电阻为200Ω/□，深度为5um。在掺杂的过程常伴随着热氧化的过程，在硅基底10背面的热氧化形成的背面氧化层19厚度为100nm。
步骤七：在所述步背面氧化层19上沉积抗反膜20，如图1d所示。
然后在硅基底10背面氧化层19上，用LPCVD、PECVD、ALD等方法沉积抗反膜20，抗反膜20的材料可以是SiNx、SiOx、AlOx、TiO2、非晶硅膜或者这些膜的各种方式的组合膜，厚度为10-500nm。
步骤八：在所述多晶硅层15的第二钝化层16中开孔，并沉积金属接触电极17，如图1e所示。
利用掩膜在硅基底10正面的第二钝化层16和p型、n型掺杂的氧化硅层中腐蚀开孔，开孔刻穿多晶硅层15中氧化硅层至p型或n型掺杂的多晶硅片表面。开孔区域为金属和硅片的接触区域，制作掩膜层可采用光刻，丝网印刷等方法。开孔区域占整个太阳能电池正面面积的10%。
步骤九：在所述步骤八的硅基底正面形成金属接触电极17，退火或烧结形成欧姆接触，如图1e所示。
之后运用蒸发或溅射等手段，在正面制作金属接触电极17，并在背面形成交叉型的金属栅条。金属的材料可以是Al、Ag、Cu、Cr、Ti、Ni等中的一种或几种的组合。也可以运用丝网印刷手段，其中金属接触电极17的浆料为银浆或银铝浆。最后伴随着退火或烧结形成欧姆接触。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：
步骤二：在硅基底10正面用热氧化法生长一层1～4nm的氧化层，形成第一钝化层11。由于在本实施例中，第一钝化层11足够薄（厚度小于4nm），不开孔。
步骤三：利用光刻蚀或丝网印刷方法，在硅片的指定区域，用LPCVD法在第一钝化层11上生长一层p型掺杂的多晶硅片，然后在硅基片的剩余区域，用LPCVD法在第一钝化层11上生长一层n型掺杂的多晶硅片。多晶硅片的厚度为200nm。从而在硅基底10的形成p型掺杂区和n型掺杂区交错生长的多晶硅层15。
其余步骤参照实施例1所述。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：
步骤三：先沉积一层未掺杂的多晶硅片，然后在不同区域用不同的离子注入形成p型和n型掺杂区，形成多晶硅层15。
其余步骤参照实施例1所述。
本发明创造性的改进了背接触型太阳能电池的结构，在多晶硅层15和硅基底10层之间引入第一层钝化层11。这样p型发射极掺杂从上到下形成一个梯度，上面高浓度的掺杂满足了与金属欧姆接触的电阻需求，下面低浓度的掺杂满足了钝化层表面态密度的需求，从而大大改善电池表面的钝化效果。与常规的背接触型太阳能电池相比，本发明能大大减少光生载流子的复合，降低电学的损失，从而获得更高的转换效率，实现更大的功率输出。（经权威半导体软件Synopsys Sentaurus的模拟，新的结构能在原有高效率的基础上再提高1%-1.5%左右）。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种背接触型晶体硅太阳能电池，包括硅基底（10）、n型或p型掺杂的多晶硅层（15），在所述n型或p型掺杂的多晶硅层（15）和硅基底（10）之间形成第一钝化层（11）；所述第一钝化层（11）是通过热氧化方法形成的；其特征在于，所述第一钝化层（11）的厚度为0.5~50nm；采用光刻或丝网印刷法在所述第一钝化层（11）上腐蚀开孔，所述开孔区域占第一钝化层（11）面积20%以下；所述开孔区域以便提供多晶硅层（15）和硅基底（10）的接触区域。
2.根据权利要求1所述背接触型晶体硅太阳能电池，其特征在于，在所述多晶硅层（15）正面从下至上依次为第二钝化层（16）、金属接触电极（17）；在所述硅基底（10）背面从上至下依次为背面掺杂层（18）、背面氧化层（19）以及抗反膜（20）。
3.一种背接触型晶体硅太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取硅片去除损伤层并制作绒面，形成硅基底（10）；
步骤二：在所述硅基底（10）的正面形成第一钝化层（11）；
步骤三：在所述硅基底（10）的第一钝化层（11）表面沉积一层p型掺杂区和n型掺杂区交错生长的多晶硅层（15）；
步骤四：在所述多晶硅层（15）的p型掺杂区和n型掺杂区之间刻蚀出沟槽，所述沟槽的刻蚀深度至硅基底（10）表面，使所述p型掺杂区和n型掺杂区域完全隔离；
步骤五：在所述步骤四的硅基底（10）正面沉积第二钝化层（16）；
步骤六：在所述步骤五的硅基底（10）的背面先后形成与所述硅基底（10）电性能相同的背面掺杂层（18）和背面氧化层（19）；
步骤七：在所述背面氧化层（19）上沉积抗反膜（20）；
步骤八：在所述多晶硅层（15）的第二钝化层（16）上开孔；
步骤九：在所述步骤八的硅基底（10）正面形成金属接触电极（17），退火或烧结形成欧姆接触层；
其中，所述第一钝化层（11）是通过热氧化方法形成的；所述第一钝化层（11）的厚度为0.5~50nm；采用光刻或丝网印刷法在所述第一钝化层（11）上腐蚀开孔，所述开孔区域占第一钝化层（11）面积20%以下；所述开孔区域以便提供多晶硅层（15）和硅基底（10）的接触区域。
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