CN103618033A - 一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法 - Google Patents
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Abstract
一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，经过制绒清洗、高温扩散、二次清洗、前表面氮化硅沉积后，太阳电池背面采用氧化硅钝化，也可以采用氧化铝钝化或者氮硅氧钝化，然后完全采用丝网印刷的方式来制备太阳电池的前后电极。其中背面局域接触电极的制备虽仍采用丝网印刷的方式制备，但是所使用的网版需要重新设计，所用银铝浆料中具有较高的铝含量，且银铝浆料对背面的钝化膜具有一定的刻蚀性。丝网印刷完成后，在高温共烧过程中形成背钝化太阳电池前电极欧姆接触的同时形成背面局域接触，同时铝膜层将相互独立的局域接触电极与背面主电极连接起来，实现载流子的传送。
Description
技术领域
本发明涉及一种在背钝化太阳电池的生产制备方法，尤其是在背面采用产业化的丝网印刷方式形成局域接触背电极。
背景技术
在当今光伏市场上，进一步革新技术、提高转换效率成为各个商家相互竞逐的核心，也是太阳电池厂家生存的关键所在。
目前太阳电池的制备流程普遍是以p型硅（p-Si）为衬底，经过制绒清洗后进行高温磷（P）扩散制备发射极（pn结），二次清洗后沉积氮化硅减反射、钝化膜，再丝网印刷前后电极并共烧形成欧姆接触的前后电极。其中太阳电池的背面通常采用丝网印刷铝桨料形成全铝背场，这种全铝背场具有一定的场效应钝化效果，但形成的铝硅合金层具有很高的表面复合速率，降低太阳电池的开路电压，成为晶体硅太阳电池转换效率进一步提高的主要抑制因素。
为了能够有效提高晶体硅太阳电池的转换效率，降低成本，研究者提出了一种背钝化局域接触的太阳电池结构（J. Zhao, A. Wang, X. Dai, M. A. Green, Improvements in Silicon Solar Cell Performance, IEEE, 1991: 399-402），这种结构太阳电池背钝化膜层开口区的硅在烧结过程中与金属膜形成局域接触，背面实现了良好的钝化，太阳电池开路电压提升的程度非常明显，达到了704 mV，实现的转换效率为24.5%（J. Zhao, A. Wang, M. A. Green, 24% Efficient PERL Structure Silicon Solar Cells, IEEE, 1990: 333-335），从此也引起了背钝化太阳电池研究的热潮。国内常州天合公司于2012年提出一种背钝化太阳电池结构的实用实行专利（实用新型专利，常州天合光能有限公司，申请号：201220060033.1）。
通常来说，目前背钝化太阳电池背面局域接触的形成方式激光开口法、激光烧蚀法（Laser Fired Contace：LFC）和印刷刻蚀铝浆料（Fire Through Contact：FTC）的方法。所谓激光烧蚀法就是先通过真空蒸发或者丝网印刷的方式在整个背钝化膜层上沉积金属铝层，然后再采用激光在欲形成欧姆接触电极的地方进行刻蚀。激光开口法就是首先用激光将硅片背面的钝化膜层进行刻蚀，形成局域开口区，再采用丝网印刷或者真空蒸发的方式沉积金属铝膜层，共烧过程中金属铝膜层在开口区与裸露的硅相互通过合金的方式形成接触。而印刷刻蚀铝的方式则是硅片背面的钝化膜不做任何刻蚀工艺，直接丝网印刷铝浆料，这种铝浆料中含有刻蚀钝化膜的成分，在共烧过程中能够将钝化膜发生反应，再进一步与暴露出来的硅在高温下通过合金的方式形成接触电极。
在这三种常用的方式中，第一种方法是先形成接触孔区，这种制备方式容易造成共烧过程形成空洞（E. Urrejola, K. Peter, H. Plagwitz等，Understanding and Avoiding the Formation of Voids for Rear Passivated Silicon Solar Cells，3rd Workshop on Metallization for Crystalline Silicon Solar Cells报告），这种方法不利于形成良好的欧姆接触，得到的太阳电池串联电阻高，抑制了太阳电池的填充因子，降低太阳电池的转换效率。为此，国内天合公司提出了一种新的烧结方式来实现局域接触（常州天合光能有限公司，一种改善背钝化太阳电池填充性能的烧结方法，专利申请号：201210140670.4），他们采用“翻片”的方式改变高温烧结过程中浆料在硅片表面的填充性能，但实际操作来说，烧结高温过程中硅片温度极高，且目前烧结炉的链接性极好、为了保证烧结后的太阳电池性能，传送速度不易太低，因而这种方法不易于实现，且对改善浆料的填充型并没有本质的改善作用。另外两种方式虽然能够在一定程度上避免孔洞的形成，但是激光刻蚀膜层的过程一方面不方便控制，另一方面所形成的电极不利于太阳电池片之间的相互连接，在进行组件生产的时候铝层与互联条之间无法形成取得好的焊接效果，降低太阳电池组件性能，甚至导致组件失效。
综上所述，目前常用的三种背钝化太阳电池背电极制备方式，要么不利于形成良好的欧姆接触，降低了太阳电池的转换效率，要么不利于后道太阳电池组件生产过程中实现与互联条的良好焊接，降低太阳电池组件的性能，即使能够实现高的太阳电池转换效率，也不能够取得高的太阳电池组件功率。结合实际生产要求来说，相对于目前普遍采用的丝网印刷方式来说，这些方式的操作流程繁杂而不利于产业控制，也不利于生产成本的降低。
发明内容
本发明的目的是克服上述激光开孔、激光烧蚀、丝网印刷刻蚀铝浆料和翻转烧结几种背钝化局域接触太阳电池中背面电极制备方式的不足，提出一种操作简单、容易实现的背电极制备方式。
技术方案：一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，电池的生产流程和工艺由以下步骤构成：硅片表面制绒清洗 → 高温扩散前表面发射极 → 二次清洗 → 氮化硅沉积 → 背面钝化膜沉积 → 丝网印刷背面局域接触电极银铝浆料 → 丝网印刷背面铝浆料 → 丝网印刷前表面电极银浆料 → 共烧形成欧姆接触前后电极 → 完成背钝化局域接触太阳电池制备。
作为优选，丝网印刷过程中所使用的背面电极银铝浆料不仅具有刻蚀性，而且铝含量较高，在高温共烧过程中能够实现p+层掺杂，所述铝浆料为常规铝浆，则不具有刻蚀性；正面电极银浆料采用常规使用的银浆料实现。
作为优选，丝网印刷所使用网版的图案上主电极的位置与太阳电池正面主电极相对应，背面主电极的图案为完整的条状图案或者段状分布的条状图案，宽度至少与正面主栅宽度相等，或比正面主栅宽0.8-2毫米，背面局域接触、非主电极区域的接触电极，为连续的指栅型图案或分段的线状分布图，或是块状分布图，或是圆形状分布图。
作为优选，高温共烧过程中具有刻蚀性能的银铝浆料将与他相互接触的钝化膜层刻蚀开，然后在高温下与硅通过合金方式形成良好的欧姆接触电极，同时实现铝向硅中扩散从而形成局域铝背场减少铝硅合金层的复合率;同时，由于背面电极与硅片仅是局域接触，进而形成的合金层只是局域分布的，在非接触区钝化膜层对太阳电池背面具有良好的钝化效果，能够有效提高太阳电池的转换效率。
作为优选，背钝化太阳电池背面相互独立、局域接触的背电极之间通过印刷的铝浆料将他们与背面主电极相互连接在一个整体，实现载流子的传导输运。
有益效果：本发明和现有技术相比，有如下优点：(1) 采用丝网印刷方式实现，与目前太阳电池制备流程的兼容性强。且背面局域接触电极和主电极均采用银铝浆料实现，不仅能够实现良好的电极接触，降低太阳电池的串联电阻，而且与组件生产中的互联条具有良好的可焊接性，能够实现电池片之间的相互串、并联连焊接，实现组件制造；(2) 采用目前常规使用的银电极浆料，无需额外研制或对浆料做出特殊要求，降低了制备成本；(3) 背面金属电极区形成局域接触，能够有效降低背面银浆料的使用量，避免背钝化太阳电池制备成本的提升；(4) 背钝化局域背接触太阳电池背面相互独立、局域接触的背电极之间通过背面不具有刻蚀性的铝层两户连接成一个整体，实现与背面主电极连接，同时实现载流子的输出；(5) 在非电极接触区，具有钝化膜层对太阳电池背面实现良好的钝化，提高太阳电池的开路电压，同时钝化膜层外还进行丝网印刷铝浆料，一方面能够更好地改善太阳电池背面的钝化效果，另一方面还起到了入射光被反射器的作用，能够有效提高太阳电池开路电压，进一步提高太阳电池的短路电流，提高太阳电池的转换效率。
附图说明
图1本发明背钝化太阳电池制备流程；
图2 本发明制备的背钝化局域接触太阳电池断面结构示意图；
图3为栅线型连续局域背电极；
图4为方形连续局域背电极；
图5为线型连续局域背电极；
图6为圆形状连续局域背电极；
图7为栅线型分段局域背电极；
图8为方形分段局域背电极；
图9为线型分段局域背电极；
图10为圆形状分段局域背电极。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法的实现流程。将作为衬底的p型硅片（p-Si）首先进行表面织构化101处理，其中如果硅片是单晶的话，织构方式101为碱溶液腐蚀，使硅片表面形成均匀的金字塔分布，如果硅片是多晶的话，织构方式101为酸溶液腐蚀，形成坑状表面。织构101完成后将硅片进行充分清洗，然后进行高温扩散制结102来制备发射极（pn结）。进行二次清洗103，去除高温扩散过程中在硅片表面沉积的氧化物，然后再采用等离子体增强（PECVD）法在硅片前表面沉积减反射、钝化氮化硅膜104。然后在硅片背面通过其他方式（如原子层沉积或者氧化等）沉积背钝化膜105，实现太阳电池背面的表面钝化，降低太阳电池的背表面复合速率。完成太阳电池表面钝化膜沉积后，采用本发明的背面电极网版进行背面局域接触电极的丝网印刷制备106，在200-300 oC条件下将背面印刷的电极浆料烘干后再在背面印刷铝浆料107，进一步在200-300 oC条件下烘干，再印刷前表面银浆料108，至此完成太阳电池前后电极及背面铝的印刷，将印刷完成的太阳电池在红外烧结炉中进行链式烧结109，至此即完成了背钝化局域接触太阳电池的制备。
由此，本发明，一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，具有与目前常规太阳电池生产流程兼容的优势。采用本发明制备的太阳电池断面结构示意图如图2所示，包括p-Si衬底200，高温扩散102后形成的前发射极201，PECVD法104在硅片前表面沉积的减反射、钝化氮化硅膜层202，背面采用原子层沉积或者氧化105方式沉积形成的背表面钝化膜层203，丝网印刷银铝浆料106在太阳电池背面形成的局域背电极204，丝网印刷铝浆料107在太阳电池背面形成的铝膜层205，丝网印刷银浆料108在太阳电池前表面形成的前表面银电极206。经过共烧109后，由于背面的银铝浆料具有刻蚀性，能够腐蚀硅片背面的钝化膜层，硅片表面裸露与银铝金属相互作用，通过合金的方式实现欧姆接触，同时由于浆料含铝，铝浓度梯度的存在促成铝在硅中的扩散而形成掺铝的p+层207，从而形成太阳电池背面的局域高低结，具有一定的局域场效应钝化效果。
由以上描述，采用本发明，一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，在太阳电池背面的电极接触区，由于掺铝p+层的形成具有一定的场效应钝化效果；同时，合金层区域的有效减少及太阳电池背面的非电极接触区具有良好钝化效果的钝化膜，能够降低太阳电池背面的表面复合，提高太阳电池开路电压。注意到，丝网印刷背面铝浆料107过程中所用的铝浆料对于背面钝化膜层不具有刻蚀作用，因此这些非电极区的铝膜层205一方面能够有效改善太阳电池背面钝化膜层的钝化效果，而且还起到了背反射器的作用，提高太阳电池对入射光长波段的利用，有效提高太阳电池的短路电流。
本发明，一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特征在于所用的太阳电池背面电极网版进行重新设计，形成局域接触图案。其中背面主电极可以是连续的柱状整体301，如图3-6所示，也可以是分段的柱状体701，如图7-10所示，主电极在背钝化太阳电池背面的位置与前表面主栅位置相对应。背面非主电极区域的局域接触电极，可以是指栅结构的连续线型结构302，如图3和图7所示；可以是块状图案402，如图4和图8所示；可以是分段式的线型图案502，如图5和图9所示；也可以是圆形状图案602，如图6和图10所示。
Claims (5)
1.一种背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特点在于：电池的生产流程和工艺由以下步骤构成：硅片表面制绒清洗 → 高温扩散前表面发射极 → 二次清洗 → 前表面氮化硅沉积 → 背面钝化膜沉积 → 丝网印刷背面局域接触电极银铝浆料 → 丝网印刷背面铝浆料 → 丝网印刷前表面电极银浆料 → 共烧行形成欧姆接触电极 → 完成背钝化局域接触太阳电池制备。
2.根据权利要求1所述背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特征在于：丝网印刷过程中所使用的背面电极银铝浆料不仅具有刻蚀性，而且铝含量较高，在高温共烧过程中能够实现p+层掺杂，所述铝浆料为常规铝浆，则不具有刻蚀性；正面电极银浆料采用常规使用的银浆料实现。
3.根据权利要求2所述背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特征在于：丝网印刷所使用网版的图案上主电极的位置与太阳电池正面主电极相对应，背面主电极的图案为完整的条状图案或者段状分布的条状图案，宽度至少与正面主栅宽度相等，或比正面主栅宽0.8-2毫米，背面局域接触、非主电极区域的接触电极，为连续的指栅型图案或分段的线状分布图，或是块状分布图，或是圆形状分布图。
4.根据权利要求2所述背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特征在于：高温共烧过程中具有刻蚀性能的银铝浆料将与他相互接触的钝化膜层刻蚀开，然后在高温下与硅通过合金方式形成良好的欧姆接触电极，同时实现铝向硅中扩散从而形成局域铝背场减少铝硅合金层的复合率;同时，由于背面电极与硅片仅是局域接触，进而形成的合金层只是局域分布的，在非接触区钝化膜层对太阳电池背面具有良好的钝化效果，能够有效提高太阳电池的转换效率。
5.根据权利要求2所述背钝化太阳电池的丝网印刷生产制备法，其特征在于：背钝化太阳电池背面相互独立、局域接触的背电极之间通过印刷的铝浆料将他们与背面主电极相互连接在一个整体，实现载流子的传导输运，所述铝膜层，不仅能够实现局域接触电极之间的相互连接，而且能够进一步改善背面钝化膜的钝化效果，同时能够提高入射光红外波段的利用，提高太阳电池转换效率。
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