CN103618025B - 一种晶体硅背结太阳能电池制备方法 - Google Patents

一种晶体硅背结太阳能电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是针对现有背结太阳能电池制备工艺流程复杂、成本高、周期长的缺陷提供一种晶体硅背结太阳能电池制备方法。主要工艺流程为,首先在硅片衬底背面重掺杂直接形成发射区,再进行表面介质层钝化,然后进行激光掺杂工艺形成集电区,制作电极、电极栅线、母线,最后在硅片衬底正面纳米颗粒陷光结构,即制备得晶体硅背结太阳能电池。该方法采用激光掺杂工艺,在激光打孔的同时完成与发射区极性相反的掺杂源在集电极接触孔内的扩散,形成与发射区极性相反,与硅片衬底极性相同的掺杂集电区;简化了工艺流程,有效缩短工艺周期、降低了工艺成本、提高效率;采用纳米颗粒陷光结构陷光效果好、有效提升太阳能电池性能。

Description

一种晶体硅背结太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备方法,具体涉及一种晶体硅背结太阳能电池制备方法。
背景技术
太阳能电池是将太阳光能转换成电能的半导体器件。主要以半导体材料为制作材料,其工作原理是光电材料吸收光子后由于光电效应产生电子-空穴对,并通过内建电场的分离和加速作用产生电动势,与外部电路连接后产生电流。
背接触太阳能电池结构可分为电极wrap-through型、发射极wrap-though型与背结(back-junction)型;与传统的正面接触的太阳能电池相比,背接触太阳能电池将电池表面的电极栅线部分或全部向背光面转移,有效减少了电池受光面的遮蔽面积,从而提升电池的光能吸收效率,方便电池级联。背结太阳能电池是基于背接触太阳能电池技术发展出的一种高性能太阳能电池结构,其将所有电极(包括发射极电极与基区电极)都制作在电池背面,完全消除了正面受光遮蔽面积,光能吸收效率更高,电池级联更方便;且大部分背表面区域都被相应极性的金属接触覆盖,级联电阻小,载流子收集效率高。
文献《MANUFACTURE OF SOLAR CELLS WITH21%EFFICIENCY(效率为21%的太阳能电池的制备)》(Mulligan,William P,et al."Manufacture of solar cells with21%efficiency."Proc.19th EPVSEC(2004):387.)中公开了一种背结太阳能电池及其制备方法。其结构如图1所示,其中1为太阳能电池制绒正表面、2为氮化硅减反射层、3为二氧化硅钝化层、4为N型掺杂的前表面场、5为硅片衬底、6为集电极、7为背面钝化层、8为电极金属接触孔、9为发射极、10和11分别为集电极和发射极的金属栅线。其制备方法为:首先在N型硅衬底的正表面和背表面同时进行POCL3掺杂,形成N型掺杂区,并在正、背两面形成SiO2层;然后,为了制作电极,采用光刻技术在衬底背表面按照预先设计的图案刻蚀出凹槽,并采用传统高温掺杂技术对凹槽区域进行局域掺杂,即第二次P型掺杂,形成发射区;最后采用丝网印刷技术印刷正负金属电极。
该制备方法中,光刻技术工艺流程复杂、效率低,增加了太阳能电池生产成本和耗时;同时采用局域掺杂形成发射区,发射区覆盖率低,限制了少子的收集概率,导致太阳能电池性能受限制;此外,硅表面制绒技术腐蚀过程可控性差,且其金字塔结构陷光效果不稳定、金字塔表面氮化硅沉积质量差,导致太阳能电池性能低。
发明内容
本发明的目的是针对现有背结太阳能电池制备工艺流程复杂、成本高、周期长的缺陷提供一种晶体硅背结太阳能电池制备方法。
本发明的技术方案如下,一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
A、采用重掺杂工艺在太阳能硅片衬底一侧掺杂形成PN结,所用掺杂源与硅片衬底极性相反,在之后步骤中,称掺杂一侧表面为背面,未被掺杂一侧表面为正面,所形成的与硅片衬底极性相反的掺杂区为发射区,该区对应电极为发射区电极;
B、对硅片衬底进行表面介质层钝化,在硅片衬底背面形成背面介质钝化膜;在硅片衬底正面首先进行轻掺杂形成钝化表面场、所用掺杂源与硅片衬底极性相同,然后热氧生长形成热氧钝化膜,最后沉积正面减反层;
C、在硅片衬底背面集电极位置进行激光掺杂工艺,首先在集电极位置添加掺杂源,所用掺杂源与硅片衬底极性相同,然后采用激光打孔,作为集电极接触孔,同时完成掺杂步骤,于集电极接触孔内形成与发射区极性相反,与硅片衬底极性相同的掺杂集电区,集电极接触孔深度完全穿透发射区掺杂层;
D、在硅片衬底背面发射极位置进行激光刻蚀工艺,形成发射极接触孔,发射极接触孔深度不应穿透发射区掺杂层;
E、金属电极制备,采用电镀或印刷工艺在硅片衬底背面集电极接触孔位置与发射极接触孔位置分别形成金属接触,形成集电极与发射极,并完成电极栅线、母线的制备;
F、采用金属材料在硅片衬底正面减反层上蒸发形成金属薄膜层,并采用退火工艺使金属薄膜层形成纳米颗粒陷光结构,即最终完成晶体硅背结太阳能电池制备。
优选的,所述掺杂源为N型时,为氮、磷、砷、锑或者含以上元素的化合物;所述掺杂源为P型是,为硼、铝、镓、铟或者含以上元素的化合物。
优选的,所述步骤A中重掺杂发射区电阻率约为0.1~3.5Ω·cm,方阻为5Ω/□~140Ω/□。
优选的,所述步骤B中轻掺杂钝化表面场方阻为60Ω/□~240Ω/□;热氧钝化膜厚度为5nm~50nm;正面减反层为氮化硅层,采用化学气相沉积法,沉积厚度为50nm~150nm。对P型太阳能硅片衬底背面采用化学气相沉积法(PECVD)沉积厚度为100nm-2000nm的氮化硅层,作为背面介质钝化膜;对N型太阳能硅片衬底背面采用热氧生长工艺形成厚度为5nm~50nm的氧化硅层,作为背面介质钝化膜。
优选的,所述步骤C中,集电极接触孔深度为1um~30um;所述步骤D中,发射极接触孔深度为500nm~1500nm。
优选的,所述步骤F中金属材料为金或银;纳米颗粒的颗粒直径为10nm-240nm;退火温度为200-480℃。
需要进一步说明的是,步骤C、D中,集电极接触孔和发射极接触孔在硅片背面的整体图形设计为多种规则图案,包括连续点状、离散点状、直线、折线、曲线或者它们的组合图案。步骤E中若采用标准的印刷工艺直线电极制备,可以使用一张印刷掩膜板同时制作发射极与集电极。
本发明提供一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,主要工艺流程为,首先在硅片衬底背面重掺杂直接形成发射区,再进行表面介质层钝化,然后进行激光掺杂工艺形成集电区,制作电极、电极栅线、母线,最后在硅片衬底正面纳米颗粒陷光结构,即制备得晶体硅背结太阳能电池。该方法采用激光掺杂工艺,在激光打孔的同时完成与发射区极性相反的掺杂源在集电极接触孔内的扩散,形成与发射区极性相反,与硅片衬底极性相同的掺杂集电区;太阳能电池结构背面发射极覆盖率最大化,提高背接触背结晶硅电池的短路电流以及内量子效率,提升太阳能电池性能。同时,该工艺避免了现有技术中采用光刻凹槽、二次掺杂工艺形成集电区,简化了工艺流程,有效缩短工艺周期、降低了工艺成本、提高效率;且激光掺杂工艺操控性,电极接触孔制备过程中利用激光仪自动步进对准,后续工艺无需再次对准。电极制备过程中采用采用标准的印刷工艺直线电极制备,可以使用一张印刷掩膜板同时制作发射极与集电极,降低工艺成本。采用纳米颗粒陷光结构克服现有硅表面制绒技术腐蚀过程可控性差,且其金字塔结构陷光效果不稳定、金字塔表面氮化硅沉积质量差的缺陷,有效提升太阳能电池性能。
综上所述,本发明提供一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,该方法工艺流程简单、工艺可控性好、有效缩短晶体硅背结太阳能电池生产周期、降低生产成本、提高生产效率,且制备得晶体硅背结太阳能电池性能优良。
附图说明
图1为现有背结太阳能电池结构示意图。
图2为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤A形成掺杂发射区后结构示意图。
图3为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤B形成背面介质钝化膜后结构示意图。
图4为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤C形成面场钝化层后结构示意图
图5为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤D、E形成热氧钝化层、Si4N3减反层后结构示意图。
图6为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤F制备得掺杂集电区及集电极接触孔后结构示意图。
图7为本发明具体实施方式中太阳能硅片经步骤G制备得发射极接触孔后结构示意图。
图8为被发明具体实施方式中太阳能电池集电极接触孔与发射极接触孔图形呈线条状图形示意图。
图9为被发明具体实施方式中太阳能电池集电极接触孔与发射极接触孔图形呈沿直线分布的离散孔状图形示意图。
图10为本发明具体实施方式步骤I中电极印刷工艺示意图。
图11为本发明具体实施方式中步骤H金属蒸镀后形成金属薄膜层结构示意图。
图12为本发明具体实施方式最终制备得晶体硅背结太阳能电池结构示意图。
其中,1为N型太阳能硅片、2表示太阳能硅片背面、3表示太阳能硅片正面、4为掺杂发射区、5为背面介质钝化膜、7为表面场钝化层、8为热氧钝化层、9为Si4N3减反层、10为集电极接触孔、11为掺杂集电区、12为发射极接触孔、13为发射极、14为集电极、15为印刷掩膜版、16为纳米颗粒陷光结构。
具体实施方式
现结合附图说明本发明的具体实施方式。基于背景技术中的相关现有技术的描述,在本发明具体实施方式中,对于太阳能电池的加工技术不再详细说明其原理。
晶体硅背结太阳能电池制备方法,包括如下步骤:
A、对经过标准清洗流程处理后的N型太阳能硅片1一侧执行重掺杂(P型掺杂)工艺,掺杂源为含硼化合物、如B2O3,在之后步骤中,称掺杂一侧表面为背面2,未被掺杂一侧表面为正面3,在硅片背面2上形成掺杂发射区4,方阻为5Ω/□~140Ω/□,如图2所示;
B、采用氢氧化铵双氧水混合溶液、氢氟酸溶液以及盐酸双氧水混合溶液,对所述太阳能硅片背面2执行标准的去含硼二氧化硅工艺后,于背面2执行标准热氧生长工艺形成背面热氧钝化层,作为背面介质钝化膜5,厚度为5nm~50nm,如图3所示;
C、对经步骤B太阳能硅片正面3执行标准扩散工艺(轻掺杂工艺),掺杂源为含磷化合物,如H3PO4、POCl3、H(OPOOH)nOH、HPO3、H3PO3、H3PO2,在硅片正面3上形成表面场钝化层7,轻掺表面场方阻为60Ω/□~240Ω/□,如图4所示;
D、采用氢氧化铵双氧水混合溶液、氢氟酸溶液以及盐酸双氧水混合溶液,对所述太阳能硅片正面3执行标准的去含磷二氧化硅工艺后,于正面执行标准热氧生长工艺形成正面热氧钝化层8,厚度为5nm~50nm,如图5所示;
E、对经过热氧生长后的太阳能硅片1,于正面执行标准PEVCD沉积工艺,生成Si4N3减反层9,厚度为50nm~150nm,如图5所示;
F、在经步骤E太阳能硅片背面2指定集电极接触孔位置处执行标准激光掺杂工艺,形成掺杂集电区11以及集电极接触孔10,接触孔深度1um~30um,如图6所示,接触孔图形可参考图8、图9;
G、在经步骤F太阳能硅片背面2指定发射极电极位置处执行标准激光刻槽工艺,形成发射极接触孔12,接触孔深度500nm~1500nm,如图7所示,接触孔图形可参考图8、图9;
H、对太阳能硅片正面执行金属蒸镀工艺后进行退火工艺,生成纳米颗粒陷光结构,退火温度为200~480℃,颗粒直径为10nm~240nm,如图12所示;
I、在太阳能硅片背面执行电极印刷工艺,利用印刷掩膜版15一次性印制金属发射极13与金属集电极14,如图10所示。继而完成后续相关工艺,最终完成晶体硅背结太阳能电池制备,其结构如图12所示。
本发明晶体硅背结太阳能电池制备方法工艺流程简单、工艺成本低,制备得晶体硅背结太阳能电池性能优良。本发明并非局限于本具体是实施方式。

Claims (10)

1.一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
A、采用重掺杂工艺在太阳能硅片衬底一侧掺杂形成PN结,所用掺杂源与硅片衬底极性相反,在之后步骤中,称掺杂一侧表面为背面,未被掺杂一侧表面为正面,所形成的与硅片衬底极性相反的掺杂区为发射区,该区对应电极为发射区电极;
B、对硅片衬底进行表面介质层钝化,在硅片衬底背面形成背面介质钝化膜;在硅片衬底正面首先进行轻掺杂形成钝化表面场、所用掺杂源与硅片衬底极性相同,然后热氧生长形成热氧钝化膜,最后沉积正面减反层;
C、在硅片衬底背面集电极位置进行激光掺杂工艺,首先在集电极位置添加掺杂源,所用掺杂源与硅片衬底极性相同,然后采用激光打孔,作为集电极接触孔,同时完成掺杂步骤,于集电极接触孔内形成与发射区极性相反,与硅片衬底极性相同的掺杂集电区,集电极接触孔深度完全穿透发射区掺杂层;
D、在硅片衬底背面发射极位置进行激光刻蚀工艺,形成发射极接触孔,发射极接触孔深度不应穿透发射区掺杂层;
E、金属电极制备,采用电镀或印刷工艺在硅片衬底背面集电极接触孔位置与发射极接触孔位置分别形成金属接触,形成集电极与发射极,并完成电极栅线、母线的制备;
F、采用金属材料在硅片衬底正面减反层上蒸发形成金属薄膜层,并采用退火工艺使金属薄膜层形成纳米颗粒陷光结构,即最终完成晶体硅背结太阳能电池制备。
2.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述掺杂源为N型时,为氮、磷、砷、锑或者含以上元素的化合物;所述掺杂源为P型时,为硼、铝、镓、铟或者含以上元素的化合物。
3.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤A中重掺杂发射区电阻率为0.1~3.5Ω·cm,方阻为5Ω/□~140Ω/□。
4.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤B中对P型太阳能硅片衬底背面采用化学气相沉积法(PECVD)沉积厚度为100nm-2000nm的氮化硅层,作为背面介质钝化膜;对N型太阳能硅片衬底背面采用热氧生长工艺形成厚度为5nm~50nm的氧化硅层,作为背面介质钝化膜。
5.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤B中轻掺杂钝化表面场方阻为60Ω/□~240Ω/□。
6.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤B中热氧钝化膜厚度为5nm~50nm。
7.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤B中正面减反层为氮化硅层,采用化学气相沉积法,沉积厚度为50nm~150nm。
8.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤C中集电极接触孔深度为1um~30um。
9.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤D中发射极接触孔深度为500nm~1500nm。
10.按权利要求1所述一种晶体硅背结太阳能电池制备方法,其特征在于,所述步骤F中金属材料为金或银;纳米颗粒的颗粒直径为10nm-240nm;退火温度为200-480℃。
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