CN102769072A - N型晶硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种N型晶硅太阳能电池及其制备方法。该制备方法包括扩散制结、刻蚀、沉积减反射层、印刷及烧结步骤，在扩散制结步骤之前包括选择性背场的制备过程，选择性背场的制备过程包括：1)在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的磷背场；以及2)利用激光垂直照射磷背场上欲形成金属栅线区的区域使区域内所掺杂的磷元素富集，形成选择性背场。本发明在制备背场时只需要在硅片基体的背面制备浅掺杂的背场，节约了磷的使用量，缩短了扩散时间；采用激光照射使照射区域的磷向局部富集并向硅片基体内扩散，形成的选择性背场从活性区到金属栅线区薄层电阻逐渐降低，进而在制备金属电极时更容易形成良好的欧姆接触并获得更好的填充因子。

Description

N型晶硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种N型晶硅太阳能电池及其制备方法。 
背景技术
单晶硅太阳能电池已经被大规模应用到各个领域，其良好的稳定性和成熟的工艺流程是其大规模应用的基础。单晶硅太阳能电池的生产工艺流程如图1所示。首先需要对硅片进行清洗，通过化学清洗达到对硅片表面的结构化处理；然后将清洗后的硅片进行扩散工艺，硅片经硼扩散工艺形成P-N结；之后对形成P-N结的硅片进行周边刻蚀工艺，以去掉在扩散工艺中硅片边缘所形成的导电层；然后经过化学清洗工艺，以除去在扩散过程中在硅片表面形成的玻璃层；然后经PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺沉积减反射膜氮化硅膜；最后再依次经丝网印刷工艺、烧结工艺等制作得到符合要求的单晶硅太阳能电池。 
对于传统的P型太阳能电池，其发射极是经磷扩散形成的N型表面，亦是电池的受光面，通常采用选择性发射极技术来提高硅片表面钝化性能，其基本原理是在活性区域进行较小浓度的浅掺杂(方阻在20～90欧姆之间)，而在金属电极下方区域进行较大浓度的重掺杂。减小光学活性区域的掺杂浓度一方面可以减小表面复合，从而获得更高的开路电压，另一方面因为缩减了表面死层的厚度从而提高了量子效率，所以有利于获得更高的短路电流；而提高金属电极下方区域的掺杂浓度一方面可以降低该区域的薄层电阻，从而减小金属接触电阻，另外由于该区域发射极厚度也会随掺杂浓度的增加而增加，从而可以增大电池烧结工艺窗口。对于N型太阳能电池，它具有磷扩散形成的背表面场，为了提高背场的钝化性能，同样可以采用选择性背场工艺，其基本原理和结构与选择性发射极一样。 
以N型晶硅太阳能电池为例，目前广泛使用腐蚀浆料技术来制备选择性背场，如图2所示，其基本原理是在硅片的背场表面使用丝网印刷技术印刷一层腐蚀性浆料，其中丝网的图案要与将来印刷金属浆料时所用丝网相对应，以保证腐蚀浆料只存在于光活性区域。硅片经加热后，腐蚀浆料在硅片表面发生反应，使这些区域的磷的浓度下降，相应的提高了背场的薄层电阻，而未印刷腐蚀浆料的金属栅线区内磷的浓度则不发生变化。这样就在金属栅线区形成了相对高掺杂的深扩散区，而在其它区域形成了相对低掺杂浅扩散区。 
使用如上所述的腐蚀浆料技术制备的选择性背场，从金属栅线区到活性区薄层电阻逐渐升高，在制作金属电极时，往往由于电极落在这些高方阻区域而导致接触电阻升高，以致电池的填充因子下降明显。而且，由于腐蚀浆料只能降低活性区域的掺杂浓度，而不会改变金属栅线区的掺杂浓度，所以从一开始就需要制备有较高浓度的磷背场，这样就提高了磷扩散工艺的生产时间和原料成本，同时为了制备有较高均匀性的背场也对扩散技术提出了更高的要求。另外制备和清洗腐蚀浆料的过程，会消耗大量的水，也会产生大量有害有毒的污染物。 
发明内容
本发明旨在提供一种N型晶硅太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术中的选择性背场导致填充因子下降的问题。 
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种N型晶硅太阳能电池的制备方法，包括扩散制结、刻蚀、沉积减反射层、印刷及烧结步骤，在扩散制结步骤之前包括选择性背场的制备过程，该选择性背场的制备过程包括：1)、在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的磷背场；以及2)、利用激光垂直照射磷背场上欲形成金属栅线区的区域使区域内所掺杂的磷元素富集，形成选择性背场。 
进一步地，上述步骤2)中采用的激光的功率为0.5～10W，脉冲宽度为100ps～500ns，波长为300～1600nm，频率为100Hz～200KHz，光斑的直径为5～100μm。 
进一步地，上述步骤2)中激光照射的时间为4～10s。 
进一步地，上述制备方法在制备选择性背场之前还包括采用碱液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体。 
进一步地，上述制备方法在选择性背场的制备过程之后的步骤包括：A、在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；B、将具有p-n结的硅片基体依次进行刻蚀、清洗和减反射层沉积；以及C、在经过步骤B处理的硅片基体的选择性背场的欲形成金属栅线区的区域印刷金属浆料并烧结，形成N型晶硅太阳能电池。 
根据本发明的另一方面，还提供了一种N型晶硅太阳能电池，该N型晶硅太阳能电池通过上述的制备方法制备而成。 
应用本发明的技术方案，在制备背场时只需要在硅片基体的背面制备浅掺杂的背场，从而节约了磷的使用量，缩短了磷扩散工艺的生产时间，进而提高了N型晶硅太阳能电池的生产效率；采用激光照射使照射区域的磷向局部富集并向硅片基体内扩散，形成的选择性背场从活性区到金属栅线区薄层电阻逐渐降低，进而在制备金属电极时更容易形成良好的欧姆接触并获得更好的填充因子；此外，使用激光照射硅片基体，操作简单，不会产生对人有害的污染物。 
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 
图1示出了现有技术中单晶硅太阳能电池的制作工艺流程； 
图2示出了现有技术中采用腐蚀浆料技术得到的N型晶硅太阳能电池的结构示意图； 
图3示出了本发明的N型晶硅太阳能电池的制备方法；以及 
图4示出了采用本发明的制备方法得到的N型晶硅太阳能电池的结构示意图。 
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 
在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种N型晶硅太阳能电池的制备方法，包括扩散制结、刻蚀、沉积减反射层、印刷及烧结步骤，在扩散制结步骤之前包括选择性背场的制备过程，选择性背场的制备过程包括：1)、在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的磷背场；以及2)、利用激光照射磷背场上欲形成金属栅线区的区域使区域内所掺杂的磷元素富集，形成选择性背场。 
图4示出了按照上述制备过程制备的选择性背场，在制备背场时只需要在硅片基体的背面制备浅掺杂的背场，从而节约了磷的使用量，缩短了磷扩散工艺的生产时间，进而提高了N型晶硅太阳能电池的生产效率；采用激光照射使照射区域的磷向局部富集并向硅片基体内扩散，形成的选择性背场从活性区到金属栅线区薄层电阻逐渐降低，进而在制备金属电极时更容易形成良好的欧姆接触并获得更好的填充因子；此外，使用激光照射硅片基体，操作简单，不会产生对人有害的污染物。 
在本发明一种优选的实施例中，上述步骤2)中采用的激光的功率为0.5～10W，脉冲宽度为100ps～500ns，波长为300～1600nm，频率为100Hz～200KHz，光斑的直径为5～100μm。当采用上述参数限定的激光对硅片基体进行照射时，既能实现快速形成选择性背场的目的，又不会对活性区、生长在硅片基体表面的磷背场产生影响。 
适当调节激光照射的时间能够得到不同性能表现的选择性背场，优选激光照射的时间为4～10s。经过4～10s照射后，该区域内的富集后的磷的浓度以及向硅片基体内延伸的深度能够很好地降低该区域的薄层电阻。 
为了增加N型晶硅太阳能电池的受光面积并降低反射率，优选制备方法在制备选择性背场之前还包括采用碱液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体。其中，可用于本发明的碱液包括但不限于氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等无机碱液和四乙基氢氧化氨、乙二胺等有机碱液。 
在本发明另一种优选的实施例中，如图3所示，上述制备方法在选择性背场的制备过程之后的步骤包括：A、在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；B、将具有p-n结的硅片基体依次进行刻蚀、清洗和减反射层沉积；以及C、在经过步骤B处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷金属浆料并烧结，形成N型晶硅太阳能电池。制备的减反射层可以有效地降低光反射率，从而提高N型晶硅太阳能电池的光电转换效率。 
在本发明另一种典型的实施方式中，还提供了一种N型晶硅太阳能电池，如图4所示，该N型晶硅太阳能电池通过本发明的制备方法制备而成。通过本发明的方法制备得到N型晶硅太阳能电池具有采用激光照射形成的选择性背场具有较好的钝化性能，从而使其具有较好的光电转化效率。 
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本发明的有益效果。 
实施例1 
采用质量浓度为5％的氢氧化钠溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场；利用功率为5.0W、脉冲宽度为200ns、波长为1000nm、频率为90KHz、光斑的直径为50μm的激光照射背场上欲形成金属栅线区的区域，10s后形成选择性背场；在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成实施例1的N型晶硅太阳能电池。 
实施例2 
采用质量浓度为5％的氢氧化钾溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场，方阻约30Ω；利用功率为8.0W、脉冲宽度为500ns、波长为500nm、频率为200KHz、光斑的直径为5μm的激光照射背场上欲形成金属栅线区的区域，5s后形成选择性背场；在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成实施例2的N型晶硅太阳能电池。 
实施例3 
采用质量浓度为10％的乙二胺溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场；利用功率为6.0W、脉冲宽度为100ps、波长为1500nm、频率为100Hz、光斑的直径为100μm的激光照射背场上欲形成金属栅线区的区域，6s后形成选择性背场；在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成实施例3的N型晶硅太阳能电池。 
实施例4 
采用质量浓度为5％的氢氧化钠溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场；利用功率为2.0W、脉冲宽度为80ps、波长为1800nm、频率为100Hz、光斑的直径为80μm的激光照射背场上欲形成金属栅线区的区域，12s后形成选择性背场；在具有选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成实施例4的N型晶硅太阳能电池。 
对比例1 
采用质量浓度为5％的氢氧化钾溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场，方阻约30Ω；在硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的均匀背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成对比例1的N型晶硅太阳能电池。 
对比例2 
采用质量浓度为5％的氢氧化钾溶液对硅片进行腐蚀在硅片的表面形成金字塔形绒面，并采用氢氟酸对经过腐蚀的硅片进行清洗得到硅片基体；采用纯POCl3的气体在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的背场，方阻约30Ω；在硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；在硅片背表面涂上一层腐蚀性浆料，该腐蚀浆料只存在于硅片背面欲形成金属电极的区域以外并腐蚀这些区域使其方阻升高，经过烘干、清洗等步骤后，制得选择性背场。将具有p-n结的硅片基体依次进行等离子刻蚀、化学清洗和沉积形成SiNx减反射层；在经过上述步骤处理的硅片基体的选择性背场的欲形成栅线区的区域印刷银浆料并烧结，形成对比例2的N型晶硅太阳能电池。 
对实施例1至4以及对比例1和对比例2的N型晶硅太阳能电池进行性能测试，测试结果见表1。 
表1 
由表1中的数据可以看出，将对比例1的N型晶硅太阳能电池的填充因子和光电转换效率定义为100％并作为基准，与对比例2的N型晶硅太阳能电池相比，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的N型晶硅太阳能电池的填充因子和光电转换效率得到明显改善，并且都大于对比例1的N型晶硅太阳能电池的填充因子和光电转换效率，因此本发明解决了现有技术中的选择性背场导致填充因子下降的问题。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种N型晶硅太阳能电池的制备方法，包括扩散制结、刻蚀、沉积减反射层、印刷及烧结步骤，其特征在于，在所述扩散制结步骤之前包括选择性背场的制备过程，所述选择性背场的制备过程包括：
1)、在硅片基体上扩散形成一层浅掺杂的磷背场；以及
2)、利用激光垂直照射所述磷背场上欲形成金属栅线区的区域使所述区域内所掺杂的磷元素富集，形成所述选择性背场。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中采用的激光的功率为0.5～10W，脉冲宽度为100ps～500ns，波长为300～1600nm，频率为100Hz～200KHz，光斑的直径为5～100μm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述激光照射的时间为4～10s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在制备所述选择性背场之前还包括采用碱液对硅片进行腐蚀在所述硅片的表面形成金字塔形绒面，并对经过腐蚀的硅片进行清洗得到所述硅片基体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在所述选择性背场的制备过程之后的步骤包括：
A、在具有所述选择性背场的硅片基体的正面进行硼扩散制结形成p-n结；
B、将具有所述p-n结的硅片基体依次进行刻蚀、清洗和减反射层沉积；以及
C、在经过所述步骤B处理的硅片基体的选择性背场的欲形成金属栅线区的区域印刷金属浆料并烧结，形成所述N型晶硅太阳能电池。
6.一种N型晶硅太阳能电池，其特征在于，所述N型晶硅太阳能电池通过权利要求1至5中任一项所述的制备方法制备而成。
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