CN103066135B - 一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法，该选择性发射极太阳电池，包括p型片为衬底的硅片，所述硅片的前表面依次设有扩磷的n+层、细栅线图案底部的n++层、氮化硅减反膜层、氮化硅隔离层以及银前电极，所述银前电极上设有置于底部的主栅线图案和细栅线图案，所述硅片的背面依次为铝背场及铝背电极。本发明采用前电极主栅线与硅衬底隔离技术，可以有效减少前表面重掺区域比例，降低栅线底部区域的缺陷复合，同时可增加硅片前表面氮化硅钝化区域，避免主栅线金属银与硅衬底的欧姆接触造成的复合，有效提高开路电压、短路电流及电池转化效率。该技术工艺简单，制造成本较低，适合规模化生产，具有很大的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及到一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法。
背景技术
随着太阳电池技术的革新，太阳电池转换效率的不断提升，太阳电池及组件生产成本大幅降低，光伏产业在各国政府的政策支持下得到了快速发展。为了实现更高的转化效率和更低的生产成本，研究人员通过理论与实践提出了很多的新工艺、新方法及新结构。选择性发射极电池结构作为高效电池结构中的一种，已经被大部分太阳电池公司应用实际生产中。选择性发射极电池采用前电极底部重掺、非电极底部区域轻掺技术，不仅能实现很好的蓝光响应，也能保证前表面银栅线与硅衬底形成良好的欧姆接触，使得电池的短路电流和效率得到很大提升。目前实现选择性发射极电池产业化生产的方法主要有二次扩散法、返刻法、激光重掺法、硅墨水重掺法等。
常规选择性发射极电池使用前电极栅线底部局域重掺结构能够得到良好的光学、电学性能太阳电池，但是局域重掺区域占硅片前表面面积的6%～10%左右，主栅线局域重掺区域占重掺区域的50%以上，这些重掺区域的电子-空穴复合速度很大。同时，主栅线的银浆与硅衬底形成的金属-半导体接触复合很大，而且主栅线底部区域被栅线遮挡，产生很少的电子-空穴对，其对收集有效电子能力有限。减少主栅线区域的重掺复合及金属-半导体复合可以有效提高短路电流及电池效率。
发明内容
本发明的目的就是为解决以上问题，提供一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法，该太阳电池可有减少主栅线底部区域复合，有效提高短路电流、开路电压及光电转化效率。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：
一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法，包括以下结构：硅片采用p型片为衬底，其前表面有扩磷的n+层；
硅片前表面细栅线图案底部有局域重掺磷的n++层，主栅线图案底部仍为轻掺的n+层；
硅片前表面有氮化硅减反膜；
硅片前表面有银前电极，其中银前电极的细栅线与其底部的n++层形成良好的欧姆接触，而主栅线因其底部较厚的氮化硅阻挡，无法与硅片衬底直接接触；
硅片背面有铝背场和铝电极。
上述前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法，包括以下步骤；
（1）在硅片衬底的两面经过高温扩散磷源形成n+层；
（2）在硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层或无局域重掺磷源形成n++层，主栅线图案底部为n+层；
（3）采用化学腐蚀溶液去除硅片衬底背面的n+层；
（4）在硅片前表面镀上氮化硅减反膜；
（5）在硅片前表面主栅线图案底部镀一层氮化硅隔离层；
（6）在硅片背面丝网印刷有铝浆料层并烘干；
（7）在硅片前表面印刷银浆料图案并烘干；
（8）通过高温烧结后形成银前电极、铝背场与铝背电极。
作为上述技术的进一步改进，
在上述步骤（1）之前对硅片衬底进行标准工艺清洗及制绒，在上述步骤（3）之前对硅片衬底用氢氟酸清洗表面磷硅玻璃。
作为上述技术的更进一步改进，上述步骤（2）中的硅片前表面细栅线图案底部局域n++层可采用二次扩散、返刻法、激光局域重掺法、硅墨水重掺法等方法实现。
上述步骤（3）中的化学腐蚀溶液为HF/HNO3的混合液，或者为NaOH或KOH溶液。
上述步骤（1）与步骤（3）之间的步骤（2）可以省去，直接制备出前电极主栅线与硅衬底隔离的常规发射极太阳电池。
进一步，上述步骤（4）氮化硅减反膜层为厚度为60～200nm的单层、双层或多层氮化硅减反膜。
进一步，上述步骤（5）中主栅线图案底部氮化硅隔离层的厚度为100～1000nm，该氮化硅隔离层还可选择非晶硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝或碳化硅介质材料,也可以选择非晶硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硅中的两种或多种介质材料的组合；主栅线图案底部氮化硅隔离层制备方法采用主栅线镂空图案的掩膜板做掩膜，直接在PECVD上镀氮化硅形成局域氮化硅隔离层，掩膜板材料可以选择石墨、硅片，也可以为铝板、铜板等金属板材，或者选择玻璃等非金属或金属氧化物板材；隔离层制备工艺可以选择等离子气相沉积（PECVD）、电子束蒸发、快速化学气相沉积和磁控溅射等技术。
进一步，上述步骤（6）所述铝浆料层的厚度为5～30μm。
进一步，上述步骤（7）中银浆料栅线图案的厚度为5～30μm。
进一步，所述基于一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池及其制备方法，步骤（8）中通过高温烧结使硅片前表面的细栅线银浆将其底部的氮化硅减反膜烧穿，细栅线与硅片衬底的n++层形成良好欧姆接触，而前表面的主栅线银浆因较厚的氮化硅隔离层阻挡不能将氮化硅减反膜烧穿，无法与硅衬底直接接触；烧结后前表面银浆料层形成银电极，背表面铝浆料层与硅片衬底作用形成铝背场和铝背电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）通过主栅线图案底部较厚氮化硅隔离层的隔离作用，可以避免主栅线金属银与硅衬底的欧姆接触造成的很大复合，有效减少银前电极底部区域的复合。
（2）主栅线图案底部得到氮化硅的介质膜钝化，可以降低硅片前表面的复合速度。
（3）本发明采用前电极主栅线图案底部轻掺杂结构，可以有效减少前表面重掺区域比例，降低栅线底部区域的缺陷复合，提高开路电压。
（4）采用简单的掩膜技术镀主栅线图案底部氮化硅隔离层，其技术简单，制造成本较低，适合规模化生产。
附图说明
图1是硅片衬底结构示意图；
图2是在硅片衬底的两面经过高温扩散磷源形成n+层的结构示意图；
图3是实施例一所述的硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层，主栅线图案底部仍为n+层的结构示意图；
图4是采用化学腐蚀溶液去除硅片衬底背面的n+层后的结构示意图；
图5是在硅片前表面镀上氮化硅减反膜后的结构示意图；
图6是在硅片前表面主栅线图案底部镀一层氮化硅隔离层后的结构示意图；
图7是在硅片背面丝网印刷有铝浆料层并烘干后的结构示意图；
图8是在硅片前表面印刷银浆料图案并烘干后的结构示意图；
图9是硅片经过高温烧结后的太阳电池结构示意图；
图10是图6中硅片前表面主栅线图案底部氮化硅隔离层的制备工艺示意图；
图中：1-硅片衬底；2-n+层；3-n++层；4-前表面氮化硅层；5-氮化硅隔离层；6-铝浆料层；7-银浆料栅线图案；8-铝背场；9-银前电极；10-铝背电极；11-掩膜板；12-与主栅线相一致的镂空区域；13-氮化硅源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
如图1～9所示，本发明所述的一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池，该太阳电池包括p型片为衬底的硅片衬底1，所述硅片衬底1的前表面依次设有扩磷的n+层2、氮化硅减反膜层4、氮化硅隔离层5以及银前电极9，所述银前电极9上设有置于底部的主栅线图案和细栅线图案，所述硅片衬底1的背面依次为铝背场8及置于铝背场8上的铝背电极10，所述银前电极9的细栅线图案底部有局域重掺磷的n++层3，主栅线图案底部仍为轻掺的n+层。通过主栅线图案底部较厚的氮化硅隔离层5的隔离作用，可以有效地避免主栅线金属银与硅衬底的欧姆接触造成的很大复合，有效减少银前电极底部区域的复合。
以下通过不同的实施例具体说明本发明所述的前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其具体步骤如下：
实施例一：
⑴如图1所示，将硅片衬底1放入高温扩散炉中，以POCl3作为磷源，通过高温扩散掺磷使硅片两面均形成n+层2，n+层2的方块电阻为90～100Ω/□。
⑵如图2所示，在硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层，主栅线图案底部仍为n+层3，n++层3的方块电阻为20～30Ω/□。
⑶如图3所示，采用HF/HNO3混合溶液通过单面蚀刻设备去除硅片衬底1背面的n+层2，其中HF溶液浓度为49%，HNO3溶液浓度为69%，HF溶液与HNO3溶液体积比为1:3。
⑷如图4所示，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面镀上氮化硅减反膜层4，所述前表面氮化硅层4的厚度为60nm，折射率为2.0。
⑸如图5所示，在硅片衬底1前表面盖上一张与硅片衬底1主栅线图案相一致的、具有镂空图案的硅片掩膜板，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面氮化硅层4之上的主栅线图案底部镀一层氮化硅(SiNx:H)隔离层5，其厚度为200nm。
⑹如图6所示，在硅片衬底1背面丝网印刷铝浆料层6并烘干，铝浆料层6厚度为5～10μm。
⑺如图7所示，在硅片衬底1前表面印刷作为前电极的银浆料栅线图案7并烘干，所述银浆料栅线图案7的厚度为5～10μm。
⑻如图8～图10所示，通过过高温烧结使硅片前表面的细栅线银浆将其底部的薄氮化硅减反膜层4烧穿，烧结后可与硅片衬底1的n++层3形成良好欧姆接触，而前表面的主栅线银浆因较厚的氮化硅隔离层5阻挡不能将氮化硅减反膜层4烧穿，无法与硅衬底1直接接触；烧结后前表面银浆料层形成银电极9，背表面铝浆料层6与硅片衬底1作用形成铝背场8和铝背电极10。
在该实施例中，所述硅片衬底1为p型单晶硅片衬底，硅片衬底1的电阻率为0.5Ω.cm～1Ω.cm，厚度为160～170μm。在扩散之前，需要对硅片衬底进行标准工艺预清洗及制绒。同时，扩散后的硅片衬底需要用先氢氟酸清洗表面磷硅玻璃，方可进行下一步骤。
实施例二：
⑴如图1所示，将硅片衬底1放入高温扩散炉中，以POCl3作为磷源，通过高温扩散掺磷使硅片两面均形成n+层2，n+层2的方块电阻为100～110Ω/□。
⑵如图2所示，在硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层3，主栅线图案底部仍为n+层2，n++层3的方块电阻为30～40Ω/□。
⑶如图3所示采用HF/HNO3混合溶液通过单面蚀刻设备去除硅片衬底1背面的n+层2，其中HF溶液浓度为49%，HNO3溶液浓度为69%，HF溶液与HNO3溶液体积比为1:3。
⑷如图4所示，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面镀上氮化硅减反膜层4，所述前表面氮化硅层4的厚度为80nm，折射率为2.08。
⑸如图5所示，在硅片衬底1前表面盖上一张与硅片衬底1主栅线图案相一致的、具有镂空图案的铝材掩膜板，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面氮化硅层4之上的主栅线图案底部镀一层氮化硅(SiNx:H)隔离层5，其厚度为500nm。
⑹如图6所示，在硅片衬底1背面丝网印刷铝浆料层6并烘干，铝浆料层6厚度为15～20μm。
⑺如图7所示，在硅片衬底1前表面印刷作为前电极的银浆料栅线图案7并烘干，所述银浆料栅线图案7的厚度为15～20μm。
⑻如图8～图10所示，过高温烧结使硅片前表面的细栅线银浆将其底部的薄氮化硅减反膜层4烧穿，烧结后可与硅片衬底1的n++层3形成良好欧姆接触，而前表面的主栅线银浆因较厚的氮化硅隔离层5阻挡不能将氮化硅减反膜层4烧穿，无法与硅衬底1直接接触；烧结后前表面银浆料层形成银电极9，背表面铝浆料层6与硅片衬底1作用形成铝背场8和铝背电极10。
所述硅片衬底1为p型多晶硅片，硅片衬底1的电阻率为0.5Ω.cm～1Ω.cm，厚度为130～140μm。在扩散之前，需要对硅片衬底进行标准工艺预清洗及制绒。同时，扩散后的硅片衬底需要用先氢氟酸清洗表面磷硅玻璃，方可进行下一步骤。
实施例三：
⑴如图1所示，将硅片衬底1放入高温扩散炉中，以POCl3作为磷源，通过高温扩散掺磷使硅片两面均形成n+层2，n+层2的方块电阻为110～120Ω/□。
⑵如图2所示，在硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层，主栅线图案底部仍为n+层2，n++层3的方块电阻为40～50Ω/□。
⑶如图3所示，采用NaOH溶液通过单面蚀刻设备去除硅片衬底1背面的n+层2，其中NaOH溶液浓度为20%。
⑷如图5所示，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面镀上氮化硅减反膜层4，所述前表面氮化硅层4的厚度为160nm，折射率为2.08。
⑸如图6、图7所示，在硅片衬底1前表面盖上一张与硅片衬底1主栅线图案相一致的、具有镂空图案的铜材掩膜板，通过PECVD设备在硅片衬底1前表面氮化硅层4之上的主栅线图案底部镀一层氮化硅(SiNx:H)隔离层5，其厚度为1000nm。
⑹如图8所示，在硅片衬底1背面丝网印刷铝浆料层6并烘干，铝浆料层6厚度为25～30μm。
⑺如图9所示，在硅片衬底1前表面印刷作为前电极的银浆料栅线图案7并烘干，所述银浆料栅线图案7的厚度为25～30μm。
⑻如图10所示，通过高温烧结使硅片前表面的细栅线银浆将其底部的薄氮化硅减反膜层4烧穿，烧结后可与硅片衬底1的n++层3形成良好欧姆接触，而前表面的主栅线银浆因较厚的氮化硅隔离层5阻挡不能将氮化硅减反膜层4烧穿，无法与硅衬底1直接接触；烧结后前表面银浆料层形成银电极9，背表面铝浆料层6与硅片衬底1作用形成铝背场8和铝背电极10。
在本实施例中，所述硅片衬底1为p型单晶硅片衬底或p型多晶硅片，硅片衬底1的电阻率为1Ω.cm～2Ω.cm，厚度为100～120μm。在扩散之前，需要对硅片衬底进行标准工艺预清洗及制绒。同时，扩散后的硅片衬底1需要用先氢氟酸清洗表面磷硅玻璃，方可进行下一步骤。
Claims (5)
1.一种前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其特征在于：其具体步骤是，
(1)在硅片衬底的两面经过高温扩散磷源形成n+层；
(2)在硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷源形成n++层，主栅线图案底部仍为n+层；
(3)采用化学腐蚀溶液去除硅片衬底背面的n+层，该步骤(3)中的化学腐蚀溶液为HF/HNO3的混合液，或者为NaOH或KOH溶液；
(4)在硅片前表面镀上氮化硅减反膜以形成氮化硅减反膜层，该步骤(4)氮化硅减反膜层为厚度为60～200nm的单层或多层氮化硅减反膜；
(5)在硅片前表面主栅线图案底部镀一层氮化硅隔离层，该步骤(5)中主栅线图案底部的氮化硅隔离层的厚度为60～1000nm，所述主栅线图案底部的氮化硅隔离层制备方法采用主栅线相一致的镂空图案的掩膜板做掩膜，直接镀氮化硅形成局域氮化硅隔离层，掩膜板材料为石墨、硅片或者为铝板、铜板金属板材，或者选择非金属或金属氧化物板材；隔离层制备工艺为等离子气相沉积(PECVD)或电子束蒸发或快速化学气相沉积或磁控溅射；
(6)在硅片背面丝网印刷有铝浆料层并烘干；
(7)在硅片前表面印刷银浆料图案并烘干；
(8)通过高温烧结后形成银前电极、铝背场与铝背电极。
2.根据权利要求1所述的前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其特征在于：上述硅片前表面细栅线图案底部局域重掺磷n++层采用二次扩散或返刻法或激光局域重掺法或硅墨水局域重掺法实现。
3.根据权利要求1所述的前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其特征在于：细栅线图案底部的n++层的方块电阻为20～70ohm/sq，n+层的方块电阻为90～150ohm/sq。
4.根据权利要求1所述的前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其特征在于：上述步骤(6)中铝浆料层的厚度为5～30μm。
5.根据权利要求1所述的前电极主栅线与硅衬底隔离的选择性发射极太阳电池的制备方法，其特征在于：上述步骤(7)中银浆料图案的厚度为5～30μm。
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