CN103094414A - 背钝化太阳能电池背电场的制备方法以及具有该背电场的背钝化太阳能电池 - Google Patents
背钝化太阳能电池背电场的制备方法以及具有该背电场的背钝化太阳能电池 Download PDFInfo
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Abstract
一种背钝化太阳能电池背电场的制备方法，包括以下步骤：提供基底，在该基底的背面形成钝化层；在所述钝化层的部分区域上印刷背电场浆料，所述钝化层未印刷背电场浆料的区域呈现为孔状阵列结构或沟状阵列结构；对印刷了所述背电场浆料的基底进行烧结，形成背电场，同时使所述背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层的印刷有所述背电场浆料的区域中，形成导电层。相应地，还提供了一种具有该背电场的背钝化太阳能电池。本发明可以有效地简化背钝化太阳能电池的制备工艺、增强太阳能电池的韧性以及降低太阳能电池的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种背钝化太阳能电池背电场的制备方法以及具有该背电场的背钝化太阳能电池。
背景技术
在传统工艺中，制备背钝化太阳能电池背电场的步骤如下：(a)提供基底(通常为硅片)，在该基底的背面（用于形成太阳能电池背光面的表面）上形成钝化层；(b)通过例如激光刻蚀或者湿法刻蚀的方式在钝化层上进行开孔以暴露部分钝化层；(c)在钝化层上印刷背电场浆料，其中，会存在部分背电场浆料进入到开孔中；(d)对印刷了所述背电场浆料的基底进行烧结，形成背电场，进入到开孔中的部分与基底形成良好的欧姆接触。
上述背钝化太阳能电池背电场的制备方法存在如下的不足之处：第一、在印刷背电场浆料前需要利用激光刻蚀等方式在钝化层上开孔，而开孔工艺复杂成本高，因此相应地提高了背电场制备的复杂度以及太阳能电池的生产成本；第二、由于整个基底的背面都印刷有背电场浆料，因此容易导致烧结后太阳能电池出现弯曲的现象（即弓片效应）；第三、需要在整个基底的背面印刷背电场浆料，成本较高。
此外，我们还注意到，在传统制备背钝化太阳能电池背电场的过程中，形成钝化层的过程需要繁琐的步骤：首先通过扩散和退火的方式，在基底的正面形成PN结的同时在基底的背面形成氧化层，但是由于该氧化层含有大量的杂质（通常为磷杂质），会降低整个太阳能电池的电学活性，导致效率严重下降，从而不能在其上进行背钝化太阳能电池背电场的制备，因此，接着需要对基底进行二次清洗去掉该 氧化层，然后再沉积厚度较厚的钝化层。如此一来，也使得整个太阳能电池的制备过程变得非常复杂。
因此，希望提出一种可以解决上述问题的背钝化太阳能电池背电场的制备方法以及具有该背电场的背钝化太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种背钝化太阳能电池背电场的制备方法以及具有该背电场的背钝化太阳能电池，可以有效地简化背钝化太阳能电池的制备工艺、增强太阳能电池的韧性以及降低太阳能电池的生产成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种背钝化太阳能电池背电场的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
a)提供基底，该基底的背面具有钝化层；
b)在所述钝化层的部分区域上印刷背电场浆料，所述钝化层未印刷背电场浆料的区域呈现为孔状阵列结构或沟状阵列结构；
c)对印刷了所述背电场浆料的基底进行烧结，形成背电场，同时使所述背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层的印刷有所述背电场浆料的区域中，形成导电层。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种背钝化太阳能电池，包括基底、位于该基底背面上的背电场、位于该背电场上的背电极、位于该基底正面的PN结以及位于该基底正面上的前电极，其中：
所述背电场具有贯穿其上下表面的孔状阵列结构或沟状阵列结构；
在所述背电场与所述基底之间存在钝化层和导电层，其中，所述导电层是在烧结形成所述背电场的过程中由背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层中形成的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，钝化层的厚 度范围在30nm-40nm之间，因此在印刷背电场浆料前需要利用激光刻蚀等方式在钝化层上开孔，该过程较为复杂；而在本发明中，钝化层的厚度范围在5nm-20nm之间，因此无需在钝化层上进行开孔，只需要在钝化层的部分区域上印刷背电场浆料然后进行烧结，烧结后，被背电场浆料所覆盖的钝化层形成导电层，得到良好的欧姆接触，可以有效地提高了太阳能电池的开路电压，而未被背电场浆料所覆盖的钝化层仍然起到钝化作用，可以有效地降低太阳能电池背面的复合速度，因此，本发明能够有效地简化背电场的制备工艺。
特别地，在传统制备背钝化太阳能电池背电场的过程中，首先通过扩散和退火的方式，在基底的正面形成PN结的同时在基底的背面形成氧化层，但是由于该氧化层含有大量的杂质（通常为磷杂质），会降低整个太阳能电池的电学活性，导致效率严重下降，从而不能在其上进行背钝化太阳能电池背电场的制备，因此，需要对基底进行二次清洗去掉该氧化层，然后再沉积厚度较厚的钝化层，步骤非常的繁琐；而在本发明中，可以使用离子注入和退火的方式在基底的正面形成PN结的同时在基底的背面形成薄的且不含杂质的氧化层，而该氧化层恰好适用于作为太阳能电池的钝化层，因此无需对基底进行二次清洗。如此一来，也有利于简化整个太阳能电池的制备工艺。
(2)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，由于整个基底的背面都印刷有背电场浆料，因此容易导致烧结后太阳能电池出现弯曲的现象（即弓片效应）；而在本发明中，由于仅在基底背面的部分区域印刷背电场浆料，所以利于烧结过程中基底中应力的释放，从而有效地改善太阳能电池烧结后出现的弓片效应，以及有效地提高了太阳能电池的韧性。
(3)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，需要在整个基底的背面印刷背电场浆料；而在本发明中，仅需要在基底背面的部分区域印刷背电场浆料，因此可以有效地减少背电场印刷过程中背电场浆料的使用量，从而有效地降低了太阳能电池的生产成本。
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为根据本发明的太阳能电池背电场的制备方法的流程图；
图2至图4为根据本发明的一个实施例按照图1所示流程制备太阳能电池背电场的各个阶段的剖面示意图；
图3(b)为图3(a)所示结构的仰视示意图，其中浆料未印刷区域为孔状阵列结构；
图3(c)为图3(b)所示结构中用虚线圈起部分的细节示意图；
图3(d)为图3(a)所示结构的仰视示意图，其中浆料未印刷区域为沟状阵列结构；
图5(a)为根据本发明的太阳能电池的剖面示意图；
图5(b)为背电场具有孔状阵列结构的太阳能电池的背面的结构示意图；以及
图5(c)为背电场具有沟状阵列结构的太阳能电池的背面的结构示意图。
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
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
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。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。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。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是 本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。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。
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池背电极的制备方法。图1为根据本发明的太阳能电池背电场的制备方法的流程图，图2至图4为根据本发明的一个实施例按照图1所示流程制备太阳能电池背电场的各个阶段的剖面示意图。下面，将结合图2至图4对图1中形成太阳能电池背电场的方法进行具体地描述。需要说明的是，本发明实施例的附图仅是为了示意的目的，因此没有必要按比例绘制。
在步骤S101中，提供基底，在该基底的背面形成钝化层。
具体地，如图2所示，提供用于形成太阳能电池的基底100。基底100的材料优选为硅片。基底100具有两个相对的表面，其中，用于形成太阳能电池进光面的表面为基底100的正面，用于形成太阳能电池背光面的表面为基底100的背面。所述基底100可以为P型，也可以为N型。
下面，以为P型硅片100为例对本发明所提供的太阳能电池背电场的制备方法继续进行说明。
首先，在硅片100的背面形成钝化层110。在本实施例中，形成所述钝化层110的过程如下：对硅片100进行清洗制绒后，从硅片100的正面进行磷离子注入并对其进行退火；退火后，在该硅片100的正面形成PN结（如图所示，离子注入后在硅片100的正面形成N型重掺杂层101，与P型硅片形成PN结）的同时在该硅片100的背面形成一层薄的氧化层（即SiO2层）。其中，由于该薄的氧化层不含磷杂质，因此，适用于作为太阳能电池的钝化层，后续在其上进行背电场的制备。特别地，所述钝化层110较薄，其厚度范围为5nm-20nm。
当然了，本领域的技术人员应该可以理解，还可以通过其他方式在硅片100的背面形成上述厚度较薄的钝化层。例如，通过磷扩散和退火的方式在硅片100的正面形成PN结，其中，在形成PN结的同时会在硅片100的背面形成含有大量磷杂质的氧化层，因此，需要通过二次清洗去掉该氧化层，然后利用采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）的方式，通过对时间等参数的控制，在硅片100的背面形成上述厚度较薄的钝化层110。其中，所述钝化层110的材料可以是SiNx或其他合适的材料。上述两种方式均属于惯用的半导体制作工艺，在此对其工艺细节不再赘述。
在步骤S102中，在所述钝化层110的部分区域上印刷背电场浆料120，所述钝化层110未印刷背电场浆料120的区域呈现为孔状阵列结构121或沟状阵列结构122。
具体地，如图3(a)所示，利用丝网印刷的方式在钝化层110上印刷背电场浆料120，其中，背电场浆料120并非覆盖整个钝化层110，而仅仅覆盖该钝化层110的部分区域。在下文中，将印刷背电场浆料120的区域称为浆料印刷区域，将未印刷背电场浆料120的区域称为浆料未印刷区域。印刷背电场浆料120的步骤如下：首先对丝网进行构图，将与浆料未印刷区域相对应的丝网上的网孔封住，也就是说，未被封住的网孔对应于浆料印刷区域；接着，将丝网放置在钝化层110之上并涂布背电场浆料120；然后，对背电场浆料120施加向下的外力使背电场浆料120透过未被封住的网孔达到钝化层110的表面。在本实施例中，所述背电场浆料120为铝浆。当然了，所述背电场浆料120还可以为本领域技术人员公知的其他背电场浆料，在此不再一一列举。
所述浆料未印刷区域呈现为孔状阵列结构121或者沟状阵列结构122。如图3(b)所示，所述浆料未印刷区域呈现为孔状阵列结构121，该孔状阵列结构121中的孔的形状为圆形。如图3(d)所示，所述浆料未印刷区域呈现为沟状阵列结构122，该沟状阵列结构122中的沟的形状为长条状。本领域的技术人员应当可以理解的是，所述孔的形状 不限于此，也可以是其他形状，例如正方形、三角形等。同样地，所述沟的形状也不限于长条状，在此对其不做任何限定。所述孔和沟的分布可以是均匀的，也可以是不均匀的。
优选地，浆料未印刷区域的面积与整个钝化层110面积的比例值小于10%。在浆料未印刷区域呈现为孔状阵列结构的情况下，可以通过调节孔状阵列结构中孔径大小以及孔距大小，达到钝化层110未被覆盖的区域的比例低于10%。类似地，在浆料未印刷区域呈现为沟状阵列结构的情况下，可以通过调节沟状阵列结构中沟槽边长以及沟槽间隔的大小来达到上述结果。具体到常用的规格为156M（156mm×156mm）的硅片，如图3(b)和图3(c)所示，浆料未印刷区域呈现为孔状阵列结构121，其中，所述孔状阵列结构121中的孔的形状为圆形。为了达到浆料未印刷区域的比例低于10%的目的，需要调节孔径（在图3(c)中以D表示）的范围在0.05cm-0.7cm之间、孔的横向间距（在图3(c)中以W1表示）的范围在0.15cm-0.21cm之间、以及孔的纵向间距（在图3(c)中以W2表示）的范围在0.15cm-0.21cm之间。
在步骤S103中，对印刷了所述背电场浆料120的基底100进行烧结，形成背电场130，同时使所述背电场浆料120中的金属元素扩散至所述钝化层110的印刷有所述背电场浆料120的区域中，形成导电层111。
具体地，首先对印刷了背电场浆料120的硅片100进行烘干，然后再进行高温烧结，背电场浆料120高温固化后形成背电场130。其中，烧结温度优选为800℃-900℃。如图3(a)所示，在烧结过程中，背电场浆料120中的金属元素在高温的作用下扩散至钝化层110中被该背电场浆料120所覆盖的区域中。由于钝化层110的厚度较薄，金属元素扩散后，被背电场浆料120所覆盖的钝化层110形成导电层111（在本实施例中为Al元素掺杂的P型重掺杂层），从而与硅片100形成良好的欧姆接触，进而可以有效地提高太阳能电池的开路电压。而对于钝化层110通过孔状阵列结构121或沟状阵列结构122暴露的区域，即钝化层110未被背电场浆料120所覆盖的部分，保留了钝化 层原有的特性，起到钝化作用，用以降低太阳能电池背面的复合速度。
本发明所提供的背钝化太阳能电池背电场的制备方法具有以下优点：
(1)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，钝化层的厚度范围在30nm-40nm之间，因此在印刷背电场浆料前需要利用激光刻蚀等方式在钝化层上开孔，该过程较为复杂；而在本发明中，钝化层的厚度范围在5nm-20nm之间，因此无需在钝化层上进行开孔，只需要在钝化层的部分区域上印刷背电场浆料然后进行烧结，烧结后，被背电场浆料所覆盖的钝化层形成导电层，得到良好的欧姆接触，可以有效地提高了太阳能电池的开路电压，而未被背电场浆料所覆盖的钝化层仍然起到钝化作用，可以有效地降低太阳能电池背面的复合速度，因此，本发明能够有效地简化背电场的制备工艺。
特别地，在传统制备背钝化太阳能电池背电场的过程中，首先通过扩散和退火的方式，在基底的正面形成PN结的同时在基底的背面形成氧化层，但是由于该氧化层含有大量的杂质（通常为磷杂质），会降低整个太阳能电池的电学活性，导致效率严重下降，从而不能在其上进行背钝化太阳能电池背电场的制备，因此，需要对基底进行二次清洗去掉该氧化层，然后再沉积厚度较厚的钝化层，步骤非常的繁琐；而在本发明中，可以使用离子注入和退火的方式在基底的正面形成PN结的同时在基底的背面形成薄的且不含杂质的氧化层，而该氧化层恰好适用于作为太阳能电池的钝化层，因此无需对基底进行二次清洗。如此一来，也有利于简化整个太阳能电池的制备工艺。
(2)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，由于整个基底的背面都印刷有背电场浆料，因此容易导致烧结后太阳能电池出现弯曲的现象（即弓片效应）；而在本发明中，由于仅在基底背面的部分区域印刷背电场浆料，所以利于烧结过程中基底中应力的释放，从而有效地改善太阳能电池烧结后出现的弓片效应，以及有效地提高了太阳能电池的韧性。
(3)在传统的背钝化太阳能电池背电场的制备过程中，需要在整 个基底的背面印刷背电场浆料；而在本发明中，仅需要在基底背面的部分区域印刷背电场浆料，因此可以有效地减少背电场印刷过程中背电场浆料的使用量，从而有效地降低了太阳能电池的生产成本。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种太阳能电池，如图5(a)所示，该太阳能电池包括基底100、位于该基底100背面上的背电场130、位于该背电场130上的背电极140、位于该基底100正面的PN结以及位于该基底100正面上的前电极150，其中，所述背电场130具有贯穿其上下表面的孔状阵列结构121或沟状阵列结构122；在所述背电场130与所述基底100之间存在钝化层110和导电层111，其中，所述导电层111是在烧结形成所述背电场130的过程中由背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层110中形成的。
具体地，所述基底100具有两个相对的表面，其中，用于形成太阳能电池进光面的表面为基底100的正面，用于形成太阳能电池背光面的表面为基底100的背面。所述基底100的材料优选为硅片。所述基底100为P型或者N型。下文中，将以P型硅片100为例进行说明。
所述背电场130位于所述硅片110上，其中，所述背电场130具有贯穿其上下表面的孔状阵列结构121或沟状阵列结构122。如图5(b)所示，所述背电场130具有孔状阵列结构121，该孔状阵列结构121中的孔的形状为圆形。如图5(c)所示，所述背电场130具有沟状阵列结构122，该沟状阵列结构122中的沟的形状为长条状。本领域的技术人员应当可以理解的是，所述孔的形状不限于此，也可以是其他形状，例如正方形、三角形等，同样地，所述沟的形状也不限于长条状，在此对其不做任何限定。所述孔和沟的分布可以是均匀的，也可以是不均匀的。在本实施例中，所述背电场130的材料为铝。在其他实施例中，还可以是本领域技术人员所公知的其他金属材料。
在所述背电场130与所述硅片100之间还存在钝化层110和导电层111。其中，所述导电层111是由部分钝化层110转化形成的，即， 在烧结形成所述背电场130的过程中，背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层110中形成了导电层111。在本实施例中，所述导电层111为Al元素掺杂的P型重掺杂层。钝化层110的材料包括SiO2、SiNx或其他合适的材料。特别地，所述钝化层110的厚度较薄，其厚度范围为5nm-20nm。所述钝化层110可以有效地降低太阳能电池背面的复合速度，所述导电层111可以使所述背电场130与所述硅片100进行良好的欧姆接触。
优选地，所述钝化层110的面积与硅片100背面面积的比例值小于10%。在所述背电场130具有孔状阵列结构121的情况下，可以通过调节孔状阵列中孔径大小以及孔距大小，达到钝化层110面积的比例低于10%。在所述背电场130具有沟状阵列结构122的情况下，可以通过调节沟状阵列中沟槽边长以及沟槽间隔的大小来达到上述结果。
所述PN结位于所述基底100的正面，如图5(a)所示，在本实施例中，在硅片100的正面为N型重掺杂层101，与P型硅片形成PN结。
所述前电极150和背电极140分别位于所述基底100正面上以及所述背电场130上。所述前电极150和背电极140的材料为本领域技术人员所公知的金属材料，例如银、铜等，在此不再一一列举。
本发明所提供的太阳能电池具有以下优点：
(1)传统的背钝化太阳能电池其背电场通过钝化层上的开孔与基底进行欧姆接触，而本发明所提供的背钝化太阳能电池其背电场位于钝化层之上，相较于传统太阳能电池的结构，本发明所提供的太阳能电池结构简单、易于制造；
(2)传统的背钝化太阳能电池其背电场覆盖整个基底的背面，在烧结后容易导致太阳能电池出现弯曲的现象（即弓片效应），而本发明所提供的背钝化太阳能电池其背电场由于仅覆盖基底背面的部分区域，因此利于烧结过程中基底中应力的释放，从而有效地改善太阳能电池烧结后出现的弓片效应，以及有效地提高了太阳能电池的韧性；
(3)传统的背钝化太阳能电池其背电场覆盖整个基底的背面，而本发明所提供的背钝化太阳能电池的背电场由于仅覆盖基底背面的部分区域，因此可以有效地减少形成用于背电场的浆料的使用量，从而有效地降低了太阳能电池的生产成本。
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。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (9)
1.一种背钝化太阳能电池背电场的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
a)提供基底（100），在该基底（100）的背面形成钝化层（110）；
b)在所述钝化层（110）的部分区域上印刷背电场浆料（120），所述钝化层（110）未印刷背电场浆料（120）的区域呈现为孔状阵列结构（121）或沟状阵列结构（122）；
c)对印刷了所述背电场浆料（120）的基底（100）进行烧结，形成背电场（130），同时使所述背电场浆料（120）中的金属元素扩散至所述钝化层（110）的印刷有所述背电场浆料（120）的区域中，形成导电层（111）。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在该基底（100）的背面形成所述钝化层（110）的步骤包括：
从所述基底（100）的正面进行离子注入并对其进行退火，在所述基底（100）的正面形成PN结的同时在所述基底（100）的背面形成所述钝化层（110）。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述钝化层（110）的厚度范围为5nm-20nm。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中：
所述钝化层（110）未印刷背电场浆料（120）的区域的面积与整个所述钝化层（110）的面积的比例值小于10%。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述孔状阵列结构（121）中孔的形状为圆形、正方形或三角形。
6.一种背钝化太阳能电池，包括基底（100）、位于该基底（100）背面上的背电场（130）、位于该背电场（130）上的背电极（140）、位于该基底（100）正面的PN结以及位于该基底（100）正面上的前电极（150），其中：
所述背电场（130）具有贯穿其上下表面的孔状阵列结构（121）或沟状阵列结构（122）；
在所述背电场（130）与所述基底（100）之间存在钝化层（110）和导电层（111），其中，所述导电层（111）是在烧结形成所述背电场（130）的过程中由背电场浆料中的金属元素扩散至所述钝化层（110）中形成的。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中，所述钝化层（110）的厚度范围为5nm-20nm。
8.根据权利要求6或7所述的太阳能电池，其中：
所述钝化层（110）的面积与所述太阳能电池背面面积的比例值小于10%。
9.根据权利要求6或7所述的太阳能电池，其中，所述孔状阵列结构（121）中孔的形状为圆形、正方形或三角形。
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