CN102738304B - 一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法 - Google Patents

一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，方法之一是在晶体硅基片背面先印刷第一层铝浆，印刷后烧结，清洗多余铝浆保留铝背场，然后在背面上沉积钝化膜，再印刷银浆套印第一层铝以便打开钝化膜，然后再印刷第二层铝浆将所有区域产生的电流收集。方法之二是在沉积第一层背面钝化层之后印刷第一层铝浆，印刷后烧结，然后沉积第二层背面钝化膜，再印刷银浆套印铝浆区域以便打开钝化膜，将电流导出，最后背面第二层印刷铝浆将所有区域产生的电流收集。本发明的制备方法可直接应用到太阳能电池的制作，进而提高太阳能电池光电转化效率。采用这种制备方法的优点在于不需要添置新的设备，不需要对现有产线进行升级，不需要引入新的化学品。

Description

一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法。
背景技术
光伏技术是一门利用大面积的p-n结二极管将太阳能转化为电能的技术。这个p-n结二极管叫做太阳能电池。制作太阳能电池的半导体材料都具有一定的禁带宽度，当太阳能电池受到太阳辐射时，能量超过禁带宽度的光子在太阳电池中产生电子空穴对，p-n结将电子空穴对分离，p-n结的非对称性决定了不同类型的光生载流子的流动方向，通过外部电路连接可以向外输出功率。这跟普通的电化学电池原理类似。
工业化生产p型晶硅太阳能电池通常采用全铝背场结构，即背面整面印刷铝浆，烧结后形成铝背场。这种结构的缺点是没有背面钝化和背面反射率低，从而影响了电池的电压和电流性能。局部铝背场电池克服了以上缺点，这种电池采用具有钝化效果的薄膜钝化电池背表面同时增加背表面反射率。钝化膜有效钝化硅材料表面存在的大量悬垂键和缺陷（如位错，晶界以及点缺陷等），从而降低光生载流子硅表面复合速率，提高少数载流子的有效寿命，从而促进太阳能电池光电转化效率的提升。钝化膜同时具有增加背面反射的效果，从而增加硅体材料对太阳光的吸收，提高光生载流子的浓度从而增加光电流密度。
钝化膜的种类和制备方法包括：PECVD非晶硅薄膜、PECVD SiCx薄膜、热氧、湿氧或者旋涂形成的氧化硅薄膜、SiO2/SiNx叠层薄膜、CVD、MOCVD、PECVD、APCVD或者ALD制备的Al2O3薄膜、Al2O3/SiNx叠层薄膜等等。
为了能将电流导出，通常需要在背面钝化膜上开孔或者开线，再印刷铝浆烧结后形成局部铝背场。孔或者线的总面积一般占背面的1-15%，面积过小会增加背面的接触电阻，过大则增加了背面的复合速率，两种情况都会影响电池的光电转化效率。开孔或者开线一般采用激光或者化学腐蚀的办法。采用激光需要增加新的设备，化学腐蚀则制程复杂，化学品成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法。
本发明提供的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的一种方法是在沉积背面钝化层之前先印刷第一层铝浆，印刷图形可以是点状或者线状。印刷后烧结，清洗铝浆，保留铝背场。然后沉积背面钝化膜。再印刷银浆套印铝浆区域以便打开钝化膜，将电流导出。最后背面第二层印刷铝浆将所有区域产生的电流收集。具体步骤包括：
a)在晶体硅基体材料背面印刷第一层铝浆，第一层铝浆覆盖部分晶体硅基体材料背面，覆盖图形为点状阵列或者线状阵列；
b)印刷后采用高温快速烧结，在晶体硅基体材料内形成局部铝背场；
c)利用化学溶液去除晶体硅基体材料背面上烧结后残余铝浆并将表面清洗干净；
d)在晶体硅基体材料背面上沉积背面钝化膜；
e)在背面钝化膜上套印银浆并烘干，其银浆套印的图形与第一层铝浆的图形完全吻合；
f)在背面钝化膜上印刷第二层铝浆并覆盖整个晶体硅基体材料背面；
g)将第二层铝浆烘干并利用高温快速烧结，使套印银浆穿过背面钝化膜与晶体硅基体材料内形成局部铝背场形成欧姆接触，同时高温烘干的第二层铝浆将所有银浆点或者线连接以便导出电流。
本发明提供的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的另一种方法是在沉积第一层背面钝化层之后印刷第一层铝浆，印刷图形可以是点状或者线状。印刷后烧结。然后沉积第二层背面钝化膜。再印刷银浆套印铝浆区域以便打开钝化膜，将电流导出。最后背面第二层印刷铝浆将所有区域产生的电流收集。具体步骤包括：
a)在晶体硅基体材料背面上沉积第一层背面钝化膜；
b)在第一层背面钝化膜上印刷第一层铝浆，第一层铝浆覆盖部分晶体硅基体材料背面，覆盖图形为点状阵列或者线状阵列；
c)印刷后采用高温快速烧结，在晶体硅基体材料内形成局部铝背场；
d)在晶体硅基体材料背面上沉积第二层背面钝化膜；
e)在第二层背面钝化膜上套印银浆并烘干，其银浆套印的图形与第一层铝浆的图形完全吻合；
f)在第二层背面钝化膜上印刷第二层铝浆并覆盖整个晶体硅基体材料背面；
g)将第二层铝浆烘干并利用高温快速烧结，使套印银浆穿过背面钝化膜与晶体硅基体材料内形成局部铝背场形成欧姆接触，同时高温烘干的第二层铝浆将所有银浆点或者线连接以便导出电流。
上述两种制备方法中：
所述晶体硅基体材料表面为抛光面或结构化绒面，所述抛光面采用化学溶液腐蚀制备而成，所述的化学溶液为KOH水溶液、NaOH水溶液、四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液或乙二胺(H2NCH2CH2NH2)水溶液，其中，KOH水溶液的重量百分比浓度为10~40%，温度为50~90℃； NaOH水溶液的重量百分比浓度为10~40%，温度为50~90℃；四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液的重量百分比浓度为10~30%，温度为50~90℃；乙二胺(H2NCH2CH2NH2)水溶液的重量百分比浓度为10~30%，温度为50~90℃。
所述的第一层铝浆的厚度为20-40um，图形为点状或者线状阵列，点的直径为50-400um，点间距为100-2000um，最小重复单元是三角形、四边形或者五边型，线的线宽为40-200um，线间距为100-2000um，线为实线或虚线。
所述的背面钝化膜是非晶硅薄膜，SiCx薄膜，热氧、湿氧或者旋涂形成的氧化硅薄膜，SiO2/SiNx叠层薄膜，Al2O3薄膜或Al2O3/SiNx叠层薄膜，背面钝化膜的厚度为30-300nm。
所述的背面钝化膜的制备方法包括CVD，PECVD，APCVD，MOCVD化学气相沉积法或ALD原子层沉积法。
所述的高温快速烧结的温度为600-800℃，时间为1-4分钟。
所述的银浆为具有烧穿背面钝化膜作用的普通银浆。
所述方法一步骤c)中的化学溶液为氢氟酸、硝酸、盐酸和硫酸中的一种或几种的混合物。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种新的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，该制备方法区别于常规先激光或者化学腐蚀钝化膜后印刷铝浆的p型晶体硅局部铝背场电池的制备方法，该制备方法可以直接应用到晶体硅太阳能电池的制作工艺中，进而提高太阳能电池光电转化效率。采用这种制备方法的优点在于不需要添置新的设备，不需要对现有产线进行升级，不需要引入新的化学品，具有很强的实用性。
具体实施方式
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例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。
实施例 1
本实施例提供的一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，具体步骤如下：
1)选取电阻率在0.5-6 Ω•cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在重量百分含量为15%的氢氧化钠去离子水溶液中，在温度为78℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
2)对硅片表面采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸和盐酸混合水溶液，清洗时间为2分钟，温度为25℃；
3)将以上制绒片进行清洗后，置于870℃的炉管中进行磷扩散制备n型发射极，扩散时间为30min，扩散后发射极方块电阻为80 Ohm/sqÿ；
4)将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机中去除背结和磷硅玻璃；
5)在硅片背面局部印刷铝浆，印刷图形是线状阵列，线的线宽为40um，线间距为2000um，铝浆的印刷高度为30um；
6)印刷铝浆后进行高温快速烧结从而在电池背面形成局部铝背场，烧结尖峰温度800℃，时间为3分钟；
7)对硅片背表面进行盐酸水溶液清洗去除烧结的铝浆，保留铝背场；
8)背面沉积30nm氧化铝，再在氧化铝上沉积200nm氮化硅形成叠层钝化膜用于钝化背表面并增加背面光反射；
9)PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为80nm，折射率2.0之间；
10)背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
11)背面银浆印刷：印刷银浆套印在铝浆印刷位置，银浆将打开钝化膜并和钝化膜下面的铝形成接触；
12)背面全铝印刷：除背电极外区域全部印刷铝浆，将电流全部收集；
13)正面电极印刷：在硅片磷扩散面（发射极面）上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银；
14)高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为800℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银烧穿氧化铝氮化硅叠层和钝化层下的铝形成欧姆接触。
本实施例中所用铝浆和银浆都为量产产品，没有引入新机器，新原料，所有制程都可以在现有产线完成。同时采用这种制备方法生产的局部铝背场电池没有铝浆空洞，避免了空洞下的高复合速率，提高了电池的光电转换效率。
实施例 2
本实施例提供的一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，具体步骤如下：
1)选取电阻率在0.5-6 Ω•cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在重量百分含量为15%的氢氧化钾去离子水溶液中，在温度为85℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
2)对硅片表面采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸和硫酸混合水溶液，清洗时间为2分钟，温度为25℃；
3)将以上制绒片进行清洗后，置于870℃的炉管中进行磷（P）扩散制备n型发射极，扩散时间为30min，扩散后发射极方块电阻为80 Ohm/sqÿ；
4)将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机中去除背结和磷硅玻璃；
5)在硅片背面局部印刷铝浆，印刷图形是点状阵列，点的直径为60um，点间距为800um，最小重复单元可以是三角形，四边形或者五边型，铝浆的印刷度为40um；
6)印刷铝浆后进行高温快速烧结从而在电池背面形成局部铝背场，烧结尖峰温度700℃，时间为4分钟；
7)对硅片背表面进行硫酸水溶液清洗去除烧结的铝浆，保留铝背场；
8)背面沉积30nm氧化铝，再在氧化铝上沉积200nm氮化硅形成叠层钝化膜用于钝化背表面并增加背面光反射；
9)PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为80nm，折射率2.0；
10)背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
11)背面银浆印刷：印刷银浆套印在铝浆印刷位置，银浆将打开钝化膜并和钝化膜下面的铝形成接触；
12)背面全铝印刷：除背电极外区域全部印刷铝浆，将电流全部收集；
13)正面电极印刷：在硅片磷扩散面（发射极面）上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银；
14)高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为800℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银烧穿氧化铝氮化硅叠层和钝化层下的铝形成欧姆接触。
本实施例中所用铝浆银浆都为量产产品，没有引入新机器，新原料，所有制程都可以在现有产线完成。同时采用这种制备方法生产的局部铝背场电池没有铝浆空洞，避免了空洞下的高复合速率，相较于实施例1中线状列阵，优化过的点状列阵会带来更好的背面钝化效果，提高了电池的光电转换效率。
实施例 3
本实施例提供的一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，具体步骤如下：
1)选取电阻率在0.5-6 Ω•cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在重量百分含量为15%的氢氧化钠去离子水溶液中，在温度为78℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
2)对硅片表面采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸和盐酸混合水溶液，清洗时间为2分钟，温度为25℃；
3)将以上制绒片进行清洗后，置于870℃的炉管中进行磷（P）扩散制备n型发射极，扩散时间为30min，扩散后发射极方块电阻为80 Ohm/sqÿ；
4)将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机中去除背结和磷硅玻璃；
5)背面沉积5nm氧化铝；
6)在沉积有氧化铝的硅片背面局部印刷铝浆，印刷图形是线状阵列，线的线宽为40um，线间距为2000um，铝浆的印刷高度为30um；
7)印刷铝浆后进行高温快速烧结从而在电池背面形成局部铝背场，烧结尖峰温度800℃，时间为3分钟；
8)在氧化铝上继续沉积200nm氮化硅形成叠层钝化膜用于钝化背表面并增加背面光反射；
9)PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为80nm，折射率2.0；
10)背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
11)背面银浆印刷：印刷银浆套印在铝浆印刷位置，银浆将打开钝化膜并和钝化膜下面的铝形成接触；
12)背面全铝印刷：除背电极外区域全部印刷铝浆，将电流全部收集；
13)正面电极印刷：在硅片磷扩散面（发射极面）上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银（Ag）；
14)高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为800℃。经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银烧穿氧化铝氮化硅叠层和钝化层下的铝形成欧姆接触。
本实施例相较于实施例1，2有效地避免了使用化学溶液清洗铝浆时产生的污染，简化了工艺步骤，节约了成本而且不用进行产线升级。同时本实施例的铝浆可以烧穿背面钝化层，因此这种制备方法生产的局部铝背场电池没有铝浆空洞，避免了空洞下的高复合速率，提高了电池的光电转换效率。
实施例 4
本实施例提供的一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，具体步骤如下：
1)选取电阻率在0.5-6 Ω•cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在重量百分含量为15%的氢氧化去离子水溶液中，在温度为78℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
2)对硅片表面采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸和硫酸混合水溶液，清洗时间为2分钟，温度为25℃；
3)将以上制绒片进行清洗后，置于870℃的炉管中进行磷（P）扩散制备n型发射极，扩散时间为30min，扩散后发射极方块电阻为80 Ohm/sqÿ；
4)将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机中去除背结和磷硅玻璃；
5)背面沉积5nm氧化铝；
6)在沉积有氧化铝的硅片背面局部印刷铝浆，印刷图形是点状阵列，点的直径为60um，点间距为800um，最小重复单元可以是三角形，四边形或者五边型，铝浆的印刷高度为40um；
7)印刷铝浆后进行高温快速烧结从而在电池背面形成局部铝背场，烧结尖峰温度700℃，时间为4分钟；
8)在氧化铝上继续沉积200nm氮化硅形成叠层钝化膜用于钝化背表面并增加背面光反射；
9)PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为80nm，折射率2.0；
10)背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
11)背面银浆印刷：印刷银浆套印在铝浆印刷位置，银浆将打开钝化膜并和钝化膜下面的铝形成接触；
12)背面全铝印刷：除背电极外区域全部印刷铝浆，将电流全部收集；
13)正面电极印刷：在硅片磷扩散面（发射极面）上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银；
14)高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为800℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银烧穿氧化铝氮化硅叠层和钝化层下的铝形成欧姆接触。
本实施例相较于实施例1，2有效地避免了使用化学溶液清洗铝浆时产生的污染，简化了工艺步骤，节约了成本而且不用进行产线升级。同时本实施例的铝浆可以烧穿背面钝化层，因此这种制备方法生产的局部铝背场电池没有铝浆空洞，避免了空洞下的高复合速率，相较于实施例3中线状列阵，优化过的点状列阵会带来更好的背面钝化效果，提高了电池的光电转换效率。
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，其他的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 (8)

1.一种利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是包括如下步骤：
a)在晶体硅基体材料背面上沉积第一层背面钝化膜；
b)在第一层背面钝化膜上印刷第一层铝浆，第一层铝浆覆盖部分晶体硅基体材料背面，覆盖图形为点状阵列或者线状阵列；
c)印刷后采用高温快速烧结，在晶体硅基体材料内形成局部铝背场；
d)在晶体硅基体材料背面上沉积第二层背面钝化膜；
e)在第二层背面钝化膜上套印银浆并烘干，其银浆套印的图形与第一层铝浆的图形完全吻合；
f)在第二层背面钝化膜上印刷第二层铝浆并覆盖整个晶体硅基体材料背面；
g)将第二层铝浆烘干并利用高温快速烧结，使套印银浆穿过背面钝化膜与晶体硅基体材料内形成局部铝背场形成欧姆接触，同时高温烘干的第二层铝浆将所有银浆点或者线连接以便导出电流。
2.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述晶体硅基体材料表面为抛光面或结构化绒面，所述抛光面采用化学溶液腐蚀制备而成。
3.根据权利要求2所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的化学溶液为KOH水溶液、NaOH水溶液、四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液或乙二胺(H2NCH2CH2NH2)水溶液，其中，KOH水溶液的重量百分比浓度为10~40%，温度为50~90℃； NaOH水溶液的重量百分比浓度为10~40%，温度为50~90℃；四甲基氢氧化铵水溶液的重量百分比浓度为10~30%，温度为50~90℃；乙二胺水溶液的重量百分比浓度为10~30%，温度为50~90℃。
4.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的第一层铝浆的厚度为20-40um，图形为点状或者线状阵列，点的直径为50-400um，点间距为100-2000um，最小重复单元是三角形、四边形或者五边型，线的线宽为40-200um，线间距为100-2000um，线为实线或虚线。
5.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的背面钝化膜是非晶硅薄膜，SiCx薄膜，热氧、湿氧或者旋涂形成的氧化硅薄膜，SiO2/SiNx叠层薄膜，Al2O3薄膜或Al2O3/SiNx叠层薄膜，背面钝化膜的厚度为30-300nm。
6.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的背面钝化膜的制备方法包括CVD，PECVD，APCVD，MOCVD化学气相沉积法或ALD原子层沉积法。
7.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的高温快速烧结的温度为600-800℃，时间为1-4分钟。
8.根据权利要求1所述的利用局部铝背场结构制备晶体硅太阳能电池背电极的方法，其特征是：所述的银浆为具有烧穿背面钝化膜作用的普通银浆。
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