CN102881776B - 一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法及太阳能电池。本发明提供的方法包括步骤：在硅片正面形成绒面；在所述硅片正面进行P扩散，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层；在所述硅片背面制备复合电介质膜，所述复合电介质膜中的各成分均匀分布；在所述硅片正面形成减反膜；在所述硅片背面形成背电极，在所述硅片正面形成正电极。相应的，本发明还提供一种采用本发明提供的方法制备的太阳能电池。采用本发明提供的方法可以有效提高太阳能电池的背钝化效果，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说涉及一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法及太阳能电池。
背景技术
提高光电转化效率和降低生产成本是当今太阳能电池研究的两个主要方面。影响太阳能电池光电转化效率的因素很多，但这些因素都可归结为太阳光子的利用率和表面复合情况。
提高太阳光的利用率可通过减少光的反射来实现：光线照射到电池正表面，一部分光在硅片表面被反射掉，另外的部分可透射进入硅片内部，为了充分利用太阳光，可在硅片表面形成绒面和增加减反射膜，以减少光线在硅片表面的反射损失。进入硅片内部的光子在传播过程中不断被吸收，但还有相当一部分到达了硅片的基底及背表面，而这些地方的高复合速率是影响太阳能电池效率的主要因素。因此，背钝化的研究显得十分重要。钝化可分为表面钝化和体钝化，它能消除硅片表面和内部的缺陷，如悬挂键、杂质、断键等，通过钝化可以降低载流子复合，提高少子寿命，起到提高电池效率的作用。
目前背钝化的实现方法主要有三种：（1）全Al背场：通过丝网印刷的方法在硅片的背面印刷一层铝浆，然后烧结即可。Al背场可与硅片形成良好的欧姆接触并能起到背钝化的效果，采用这种方法进行背钝化制造成本低，但硅片较薄时容易翘曲形成弓片，增加了电池片封装时的碎片率，这与为降低成本而使硅片薄片化的发展趋势相违背；（2）B扩散：通过在背面扩散B形成P+层来达到背钝化的目的，但常规热扩散的温度很高，通常要达到1200℃，且扩散并不均匀；（3）电介质膜：通过在硅片背面沉积电介质膜的方式来进行背钝化。起钝化作用的薄膜有很多。SiO2薄膜一般通过热氧法合成，其表面钝化效果很好，但制备温度很高；SixNy:H膜可同时起体钝化和表面钝化的作用，且其抗氧化性和阻挡外界污染能力强；Al2O3一般通过原子层沉积技术制备，其钝化效果的优越成为当今研究热点；SiC带隙宽度大，掺氢能力强，钝化效果好；AlN也是一种钝化材料。为了将各种钝化膜的作用结合起来，研究者通过建立叠层复合膜的模式，通过逐层沉积电介质膜，使其钝化效果超出了单层钝化膜。因此，在现有的采用电介质膜进行背钝化的技术中，大多采用多层膜结构来替代单层膜结构，如SiOx/SiNx、SiOx/Al2O3、SiC/SiNx等。但是真正起钝化作用的主要是和硅片背面直接接触的那一部分，其余膜所起的作用可能仅仅是增加光的反射，有利于透射到背面的光子的再利用，因此这种将多层膜结构的钝化效果也并不是很理想。
因此，开发一种工艺相对简单，背钝化效果优良、转化效率高的晶硅太阳能电池制备方法显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法及太阳能电池，用于解决目前采用多层电介质膜进行背钝化的过程中，部分钝化膜仅仅起到简单的光学作用，钝化效果差的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法，其中，包括以下步骤：
a）在硅片正面形成绒面；
b）在所述硅片正面进行P扩散，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层；
c）在所述硅片背面制备复合电介质膜，所述复合电介质膜中的各成分均匀分布；
d）在所述硅片正面形成减反膜；
e）在所述硅片背面形成背电极，在所述硅片正面形成正电极。
根据本发明的一个优选实施例，其中，在所述步骤a）和所述步骤b）之间还包括步骤：
f）在所述硅片背面形成P+（B）层。
根据本发明的另一个优选实施例，所述步骤f）进一步包括：
f1）将B离子注入到所述硅片背面；
f2）退火；
根据本发明的又一个实施例，采用磁控溅射法或纳米共混粒子真空烧结法在所述硅片背面制备所述复合电介质膜。
根据本发明的另一个方面，提供一种背钝化晶体硅太阳能电池，由上至下依次包括：正电极、减反膜、绒面、P扩散层、硅片、复合电介质膜、背电极，其特征在于，所述复合电介质膜中的各成分均匀分布。
根据本发明的一个优选实施例，在所述硅片和所述复合电介质膜之间还包括P+（B）层。
研究证明，具有Si-Al-O、Si-C-N化学键的薄膜具有不错的钝化效果。本发明提供的背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法和太阳能电池，通过简单的工艺，在硅片背面合成SixAlyOz、SixCyNz:H、SixAlyNz:H、Si3N4-SiC、Si3N4-Al2O3、SiO2-Al2O3等复合电介质膜，且通过控制靶材中各元素比例和反应气体流量或改变各纳米颗粒的比例，可任意调节复合膜中各组份比例，改变复合膜的性能。由于复合钝化膜中各成分均匀分布，其钝化效果能更好的叠加。在此基础上，通过离子注入并退火可在太阳能电池背面增加一层均匀的P+层，形成P-P+高低结，从而阻止P区的电子向P+区扩散，可大大减少载流子在硅片背面的复合，从而起到提高电池转化效率的目的。这种双重背钝化技术的钝化效果优良，电池的开路电压、短路电流及转化效率较常规电池有极大的提高，而且成本较低，是一种制造高效晶硅太阳能电池的有效方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明的一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图；
图2为根据本发明的一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法的另一个具体实施方式的流程示意图；
图3为根据图2所示的一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法的步骤S106的分解步骤流程示意图；
图4为根据本发明的一种背钝化晶体硅太阳能电池的一个具体实施方式的示意性截面图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
参考图1，图1为根据本发明的一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图。
步骤S101，在硅片100正面形成绒面200，即制绒。制绒的结果使入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。绒面200的制备可采用化学腐蚀法，如使用各类酸、碱和有机溶剂等来实现；或通过干法制绒，如反应离子刻蚀（RIE）、光刻（Lithography）等。常用的碱性溶液例如：氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。通常使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面200，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，可选的，还可在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂。
步骤S102，在所述硅片正面进行P扩散，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层。
可采用以POCl3为磷源在硅片100正面进行P的热扩散，保持方阻范围为30Ω/□~150Ω/□，例如，30Ω/□、100Ω/□或150Ω/□。
还可以先在硅片100的正面喷涂磷酸或其他含磷的掺杂源，然后通过快速热退火（RapidThermalAnealing）处理，同时完成硅片100的背面退火和硅片100的正面P扩散。
之后去除所述硅片正面的PSG（PhosphoSilicateGlass，磷硅玻璃）和周边P扩散层。在太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片100放在腐蚀性溶液（如氢氟酸、氢氧化钠等各类酸/碱或有机溶液）中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片100表面形成的一层PSG。
接下来，执行步骤S103，在所述硅片100背面制备复合电介质膜300，所述复合电介质膜300中的各成分均匀分布。为了使复合电介质膜300中各成分均匀分布，达到更好地钝化效果，可采用磁控溅射法或纳米复合粒子真空烧结法形成复合电介质膜300。
磁控溅射法中，以氧气或氨气为反应气体，通过轰击Si-Al合金靶材在硅片100背面制备SixAlyOz或SixAlyNz:H复合电介质膜300；或以Si-C合金靶材，氨气（NH3）或一氧化碳（CO）为反应气体制备SixCyNz:H或SixCyOz复合电介质膜300。
真空烧结法中，可将纳米Si3N4、SiC、SiO2、Al2O3颗粒共混制备成浆料均匀涂覆或者印刷于硅片100的背面，通过真空烧结形成Si3N4-SiC、Si3N4-Al2O3、SiO2-Al2O3等复合电介质膜300。
优选的，复合电介质膜300的厚度范围为5nm~5000nm，例如，5nm、2500nm或5000nm。
为了减少太阳能电池的表面反射，提高电池的光电转换效率，需要继续执行步骤S104，在硅片100的正面再沉积一层氮化硅（SiNx）减反膜400。可选用CVD（化学气相沉积）、PECVD（离子增强型化学气相沉积）等方法制备减反膜400。优选的，减反膜400的厚度范围为10-150nm，例如，10nm、75nm或150nm。减反膜的折射率范围为为1.8-2.3，例如，1.8、2.0或2.3。
步骤S105，在所述硅片100背面形成背电极520，在所述硅片100正面形成正电极510。
可选的，上述背电极520和/或正电极510可采用印刷银浆或者电镀铜的方式制备。
可选的，上述背电极520和/或正电极510可采用常压化学气相沉积（APCVD）技术、电镀技术（SputterDepositionSystem）或丝网印刷形成。
优选的，使用含玻璃料的腐蚀性浆料（铝浆、银浆或其它金属浆料）在硅片100背面形成条形背电极520。
优选的，背电极520的面积占背场总面积的1%~90%，例如1%、50%或90%。
如图2所示，可选的，在步骤S101和步骤S102之间，还包括步骤S106，在硅片100背面形成P+（B）层600。在太阳能电池背面增加一层均匀的P+层，形成P-P+高低结，从而阻止P区的电子向P+区扩散，可大大减少载流子在硅片100背面的复合，从而起到提高太阳能电池光电转化效率的目的。P+（B）层600与复合电介质膜300相结合的双重背钝化技术的钝化效果优良，电池的开路电压、短路电流及转化效率较常规电池有极大的提高。
具体地，参考图3，执行步骤S106-1~步骤S106-2形成P+（B）层600。
步骤S106-1，将B离子注入到所述硅片背面。运用离子注入技术，将B离子注入硅片100背面。
步骤S106-2，退火。将硅片100置于退火炉，例如采用管式热退火炉或链式快速退火炉等。退火温度控制在400℃~1200℃，例如400℃、800℃或1200℃。退火时间为1min~5h，例如1min、2h或5h。离子注入的深度范围为0.05μm~20.0μm，例如，0.05μm、1μm或20.0μm。方阻范围为0.01Ω/□~100Ω/□，例如0.01Ω/□、10Ω/□或100Ω/□。
可选的，在形成背电极520和正电极510之后对上述形成的太阳能电池进行烧结。
图4为本发明的一种背钝化晶体硅太阳能电池的一个具体实施方式的示意性截面图。
如图4所示，由上至下依次包括：正电极510、减反膜400、绒面200、P扩散层700、硅片100、P+（B）层600、复合电介质膜300、背电极520，其中，所述复合电介质膜300中的各成分均匀分布。
正电极510可采用银或者铜等材料制备。
硅片100的正面沉积有一层氮化硅（SiNx）减反膜400用于进一步减少太阳能电池表面的入射光反射。优选的，减反膜400的厚度范围为10-150nm，例如，10nm、75nm或150nm。减反膜的折射率范围为为1.8-2.3，例如，1.8、2.0或2.3。
绒面200的形成使利用了硅的各向异性腐蚀，通过形成绒面200，可有效增加入射光在太阳能电池表面的反射和折射次数，增加了光的吸收，以便提高太阳能电池的光电转换效率。
复合电介质膜300包括但不限于：SixAlyOz、SixAlyNz：H、SixCyNz:H、SixCyOz、Si3N4-SiC、Si3N4-Al2O3或SiO2-Al2O3。优选的，所述复合电介质膜的厚度范围为5~5000nm，例如，5nm、2500nm或5000nm。
背电极520与正电极510类似，也可以采用银或者铜等材料制备。背电极520可以有多种形式，例如点状背电极；优选的，所述背电极520为条形背电极。优选的，背电极520的面积占背场总面积的1%~90%，例如1%、50%或90%。
可选的，在硅片100和复合电介质膜300之间还包括P+（B）层600。在太阳能电池背面增加一层均匀的P+层，形成P-P+高低结，从而阻止P区的电子向P+区扩散，可大大减少载流子在硅片100背面的复合，从而进一步起到提高太阳能电池光电转化效率的目的。
采用本发明提供的方法可以有效提高太阳能电池的背钝化效果，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
Claims (13)
1.一种背钝化晶体硅太阳能电池的制备方法，其中，包括以下步骤：
a)在硅片正面形成绒面；
b)在所述硅片正面进行磷扩散，然后去除所述硅片正面的PSG和周边磷扩散层；
f)在所述硅片背面形成P+层；
c)在所述硅片背面制备复合电介质膜，所述复合电介质膜中的各成分均匀分布；
所述复合电介质膜包括：SixAlyOz、SixAlyNz：H、SixCyNz:H、SixCyOz、Si3N4-SiC、Si3N4-Al2O3或SiO2-Al2O3；
d)在所述硅片正面形成减反膜；
e)在所述硅片背面形成背电极，在所述硅片正面形成正电极；
所述步骤f)进一步包括：
f1)将B离子注入到所述硅片背面；
f2)退火。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，采用磁控溅射法或纳米共混粒子真空烧结法在所述硅片背面制备所述复合电介质膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合电介质膜的厚度范围为5nm～5000nm。
4.根据权利要求2任一项所述的方法，其中，所述复合电介质膜的厚度范围为5nm～5000nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减反膜的厚度范围为10nm～150nm。
6.根据权利要求1所述的方法，所述背电极为条形背电极。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其中，所述背电极的面积占背场总面积的1％～90％。
8.一种背钝化晶体硅太阳能电池，由上至下依次包括：正电极、减反膜、绒面、磷扩散层、硅片、复合电介质膜、背电极，其特征在于，所述复合电介质膜中的各成分均匀分布；
所述复合电介质膜包括：SixAlyOz、SixAlyNz：H、SixCyNz:H、SixCyOz、Si3N4-SiC、Si3N4-Al2O3或SiO2-Al2O3。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中，在所述硅片和所述复合电介质膜之间还包括P+层。
10.根据权利要求8或9所述的太阳能电池，其中，所述复合电介质膜的厚度范围为5nm～5000nm。
11.根据权利要求8或9所述的太阳能电池，其中，所述减反膜的厚度范围为10nm～150nm。
12.根据权利要求8所述的太阳能电池，所述背电极为条形背电极。
13.根据权利要求8或12所述的太阳能电池，其中，所述背电极的面积占背场总面积的1％～90％。
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