CN103746003B - 一种背接触晶体硅太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种背接触晶体硅太阳能电池包括硅基底，所述硅基底具有硅基底非受光面；所述硅基底非受光面上设置了交替排列分布的P型区和N型区；其中，在P型区和N型区交替区域相对的两侧，一侧设有P型区边缘条，另一侧设有N型区边缘条；P型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，N型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，P型区边缘条与P型区的端面连接，N型区边缘条与N型区的端面连接。在P型区和P型区边缘条上设有P型区汇流导电带，在N型区和所述N型区边缘条上设有N型区汇流导电带。此外，本发明中还包括一种用于制造太阳能电池的方法。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池技术领域，尤其是一种背接触晶体硅太阳能电池及其制作方法。
背景技术
在现有的可持续能源中，太阳能具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地域限制等诸多优点，是解决能源和环境问题的理想能源之一，具有广泛的发展前景。近年来，开展了许多晶体硅太阳能电池的研究。背接触晶体硅太阳能电池，由于其将电极设计在电池的非受光面从而消除了电极线的遮光损失，因此能最大限度地利用太阳能进而提高光电转换效率。现有技术中公开了一种背接触晶体硅太阳能电池，包括具有受光面和非受光面的结晶硅基底、受光面钝化层、非受光面上的硅过渡-钝化层、硅过渡-钝化层上交替分布的P型区和N型区、位于P型区和N型区上的电极和电流总线，以及覆盖在除电极和电流总线以外非受光面区域的钝化层。在该电池中，非受光面区域的钝化层上必须留出孔结构使电极和电流总线暴露在外。这种结构复杂，不利于采集光生电流。并且需要复杂的钝化层开孔工艺，加大了电池制作难度和生产成本。
现有技术中还公开了一种背接触晶体硅太阳能电池的制造方法，包括可以在低温条件下利用光刻技术或荫罩法并通过离子注入或扩散对非受光面进行离子掺杂制造P型区和N型区，以及利用等离子增强化学气相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）等方式实现该说明书中各种钝化层的低温制造。在该方法中非受光面钝化层的制造过程中反复使用了荫罩法中的掩模，从而获得了能将电极与掺杂区域相通的孔结构。虽然该开孔工艺相对传统中利用激光开孔的方法更加简单易行，并且降低了热预算、防止了过刻和热损伤，但依然避免不了复杂的开孔工艺。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术制作电池的工艺中，存在复杂的开孔工艺的问题，本发明的目的之一是提供一种非受光面钝化层没有孔的背接触晶体硅太阳能电池。
在一些实施例中，背接触晶体硅太阳能电池包括硅基底，硅基底具有硅基底非受光面；硅基底非受光面上设置了交替排列分布的P型区和N型区；在P型区和N型区交替区域相对的两侧，一侧设有P型区边缘条，另一侧设有N型区边缘条；P型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，N型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，P型区边缘条与P型区的端面连接，N型区边缘条与N型区的端面连接；在P型区和P型区边缘条上设有P型区汇流导电带，在N型区和N型区边缘条上设有N型区汇流导电带。
在另一些可选的实施例中，在硅基底非受光面的上方设有非受光面钝化层，非受光面钝化层覆盖在P型区与N型区的交替区域上。
在另一些可选的实施例中，在P型区汇流导电带上未覆盖非受光面钝化层的部分与正电极连接，在N型区汇流导电带上未覆盖非受光面钝化层的部分与负电极连接。
本发明另一个目的是提供一种能避免开孔工艺的背接触晶体硅太阳能电池制作方法。
在一些实施例中，在硅基底非受光面上制作P-N掺杂区域的过程中，形成条状的交替排列的P型区和N型区；在P型区和N型区的交替端面相对的两侧形成两个边缘条，一个边缘条为与P型区的端面连接的P型区边缘条，另一个边缘条为与N型区的端面连接的N型区边缘条；P型边缘条垂直于P型区与所述N型区的延伸方向，N型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向；
在P-N掺杂区域上制作汇流导电带层；
在所述P-N掺杂区域的上方制作非受光面钝化层；
将所述汇流导电带层与电极层相连接。
在另一些可选的实施例中，采用金属化工艺在P型区和P型区边缘条上方制作P型区汇流导电带，在N型区和N型区边缘条上方制作N型区汇流导电带。
在另一些可选的实施例中，非受光面钝化层仅覆盖P型区和N型区的交替排列区域。
在另一些可选的实施例中，在电极层制造过程中将正电极与P型区边缘条相连，负电极与N型区边缘条相连。
采用上述实施例，能达到以下技术效果：
在整个电池制造流程中，非受光面钝化层制作完成后不需要再进行对其表面进行开孔，可以直接连接金属电极，从而避免复杂的开孔工艺、简化工艺流程、节省了生产成本。此外，由于减少了界面复合，可以有效采集光生电流，高了电池的电学性能及可靠性。
说明书附图
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。
图1a是本发明实施例中硅基底示的俯视图。
图1b是图1a的A-A的剖面图。
图2a是本发明实施例中晶体硅基底掺杂后的俯视图。
图2b是图2a的A-A的剖面图。
图3a是本发明实施例中制作完成汇流导电带后的俯视图。
图3b是图3a的A-A分割线上的剖面图。
图4是本发明实施例中完成太阳能电池非受光面钝化工艺后的示意图。
图5a是本发明实施例中制作完成正、负电极后的太阳能电池的俯视图。
图5b是图5a的A-A分割线上的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图分别对本发明中一种背接触晶体硅太阳能电池和该电池的制作方法进行进一步的描述和说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在实施例中，如图1至图5所示，图1为硅基底示意图，硅基底1的具有硅基底非受光面101。为了消除电极线的遮光损失，最大限度地利用太阳能，如图2所示，在硅基底非受光面101上设置了交替排列分布的P型区201和N型区202。在P型区201和N型区202交替区域相对的两侧，垂直于P型区201和N型区202的延伸方向设有两条边缘条，一条为与P型区201端面连接的P型区边缘条，另一条为与N型区202端面连接的N型区边缘条；为导出电子，如图3所示，在P型区201和P型区边缘条上设有P型区汇流导电带301，在N型区202和N型区边缘条上设有N型区汇流导电带302。实施例中对P-N掺杂区域的图案进一步创新，设置了P型区边缘条和N型区边缘条。以上实施例简化了电池的制造工艺，避免了后续非受光面钝化层4上进行开孔，降低了生成成本。此外，这种结构减少了界面复合，可以有效采集光生电流，高了电池的电学性能及可靠性。
硅基底1可包括硅基底受光面102，如图5所示，硅基底受光面102上设置受光面钝化层7，该钝化层的材料可以选择氮化硅，其厚度控制在50～100nm，用于增强硅基底受光面上的受光量。
非受光面钝化层4可以是双层结构，第一层的材料是氧化铝，第二层的材料是氮化硅，其中氧化铝的厚度控制在20～50nm，氮化硅厚度控制在50～180nm。氧化铝具有良好的抗辐射性；而氮化硅具有优秀的抗杂质扩散和水汽渗透能力，因此两者结合对电池会产生一个良好的保护效果。
在上述实施例中，在硅基底非受光面101的上方还包括非受光面钝化层4，非受光面钝化层4可以覆盖在P型区201与N型区202的交替区域上，即P型区边缘条和N型区边缘条上方没有被非受光面钝化层4覆盖。现有技术中非受光面钝化层4是直接包覆整个P型区201和N型区202之上的，并且在非受光面钝化层4上面需要留有孔状结构使得汇流导电带层暴露后与电极层5进行电气连接。但由于设置了P型区边缘条和N型区边缘条，因此不需要对非受光面钝化层4进行开孔，这种结构避免了复杂的开孔工艺，实现了电池的良好封装。
在上述实施例中，在P型区汇流导电带301上未覆盖非受光面钝化层4的部分与正电极501连接，在N型区汇流导电带302上未覆盖非受光面钝化层4的部分与负电极502连接。现有技术中，汇流导电带全部与电极相连，实施例中电极在电池的两侧引出，汇流导电带仅部分与电极相连，避免了复杂的电极连接工艺。
以上实施例给出了具体解决避免了后续在非受光面钝化层4上进行开孔的电池结构方案。
参照图1至图5中所示的实施例，一种背接触晶体硅太阳能电池的制造方案，包括以下四个步骤：硅基底非受光面4上制作P-N掺杂区域2、P-N掺杂区域2上制造汇流导电层3、非受光面钝化层4的制造和电极层5的制造；其中，P-N掺杂区域2具有P型区边缘条和N型区边缘条；非受光面钝化层4制作完成后不需要经过复杂的开孔工艺直接进行电极层5的连接。在整个电池制造流程中，非受光面钝化层制作完成后不需要再对其表面进行开孔，可以直接与电极层5相连，避免了复杂的开孔工艺、简化了工艺流程、节省了生产成本。
以N型衬底为例，一种电池制造的完整流程可以参照以下顺序进行：
一、硅基底1预处理
包括硅基底的清洗、制绒工艺和背抛光工艺。
首先，对硅基底1进行清洗。如图1所示，采用氢氟酸或者氢氟酸与盐酸的混合溶液处理N型硅片表面，包括硅基底非受光面101、硅基底受光面102，去除表面的金属、有机物杂质及表面的氧化物。分步骤进行清洗：（1）使用氨水与双氧水配比溶液：NH4OH：H2O2：DI H2O（去离子水）=1:1:5去除硅片表面的有机杂质；（2）使用盐酸与双氧水配比溶液：HCl：H2O2：DI H2O=1:1:6去除离子杂质；（3）使用去离子水和氢氟酸溶液：HF：DI H2O=1:50去除N型硅表面的氧化物层，完成后采用去离子水进行清洗工艺。
其次，N型硅衬底制绒工艺。采用NaOH或者KOH水溶液在N型硅基底101上制作出具有金字塔形状的陷光结构，将N型衬底片放入按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和无水乙醇混合液中（NaOH：H2O=1.76%wt；C2H5OH：H2O=5.0%vol；Na2SiO3：H2O=1.26%wt），在电池表面化学腐蚀出各向异性绒面，绒面呈金字塔形状，反应机理是：
Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
NaOH是腐蚀硅的主要组分，配比溶液中的硅酸钠在制绒过程中，可以起到抑制硅刻蚀速率的作用，从而避免反应过于剧烈，影响制绒面形貌的控制。反应生成的氢气直接排放，配比溶液中的异丙醇用以去除附着在硅表面的氢气，从而起到脱泡的作用，之后用盐酸和氢氟酸的混合水溶液进行清洗，且盐酸与氢氟酸配比介于1.25～1.35之间，盐酸与氢氟酸的混合溶液浓度为0.7%～1.3%；之后采用异丙醇进行清洗，异丙醇预定的质量百分比浓度范围为5％到10％。
最后，背抛光工艺。对形成绒面结构的硅片非受光面101进行抛光工艺，去除硅基底非受光面101的绒面结构以用于杂质扩散，选用质量分数为15%～60%的NaOH/KOH碱性抛光溶液，去除非受光面101的绒面结构，抛光完毕后对硅片进行标准清洗，清洗过程同上述清洗步骤。
二、硅基底非受光面101上制作P-N掺杂区域2
图2所示，采用离子注入或者扩散的方法，将磷或硼掺杂入晶体硅的硅基底非受光面101上的不同区域内，形成P-N掺杂区域2。
三、前电场区6的制造；
图2所示，在硅基底受光面102采用离子注入方法进行磷掺杂工艺，从而形成太阳能电池的前电场区6其中：离子注入掺杂方法中离子注入的能量为1～200keV，剂量为5x1014～5x1017/cm2，时间为1～60s，基底温度为20～500℃；掺杂后形成的N型区方阻为15～150Ω/□，深度为0.1～1μm。前电场区6的形成有助于降低饱和电流，提高电池的开路电压，降低光生载流子的表面复合几率。
四、热退火工艺及后续处理
热退火工艺：激活太阳能电池内掺入杂质的活性，在氮气或者氩气的氛围下进行快速热退火工艺，或者在真空环境下进行热退火工艺，升温速率大于30℃/min，在900℃～1200℃环境下维持温度5秒～180秒后进行快速降温，完成热退火工艺；通过酸或碱的刻蚀工艺，去除热退火过程中在表面形成的氧化硅薄层。例如：使用去离子水和氢氟酸溶液：HF：DIH2O=1：50去除N型硅表面的氧化物层，之后采用去离子水进行清洗硅片。
五、P-N掺杂区域2上制造汇流导电带层3
图3所示，采用金属化工艺，在太阳能电池的P-N掺杂区域的上方制作对应区域的P型汇流导电带和N型汇流导电带。
六、非受光面钝化层4和受光面钝化层7的制造
图4、5所示，受光面钝化层7的制造可以采用以下方式：采用PECVD方法制作受光面钝化层7，射频频率设置为40kHz，射频功率为4.5kW，通入的气体流量比为：NH3：SiH4=1：5～8，反应温度控制在250～500℃，腔内气压保持为120～320Pa，制作氮化硅的厚度控制在50～100nm，由此提高电池受光面的进光量。
七、电极层5的制造
将电极层5与汇流导电带层3相连，实现太阳能电池的电气连接。
在上述实施例中，P-N掺杂区域2中P型区201和N型区域202交替排列。在P型区和N型区交替区域相对的两侧，一侧设有P型区边缘条，另一侧设有N型区边缘条；P型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，N型边缘条垂直于P型区与N型区的延伸方向，P型区边缘条与P型区的端面连接，N型区边缘条与N型区的端面连接。采用这种结构，P型区201在电池垂直于P型区201与N型区202交替区域的一侧单独引出；同理，N型区202在电池的另一侧单独引出。P-N掺杂区域2中P型区201、N型区202以及相对应的两条边缘条的设置可以用光刻技术对硅基底非受光面101进行区域图案化。
在上述实施例中，P-N掺杂区域2的制造过程中在硅基底非受光面101进行硼掺杂，获得P型区201；在硅基底非受光面101进行磷掺杂，获得N型区202；其中离子注入的能量为1～200keV，剂量为5x1014～5x1017/cm2，时间为1～60s，基体温度为20～500℃。掺杂后形成的P型区201方阻为15～150Ω/□，深度为0.1～1μm；N型区202方阻为15～150Ω/□，深度为0.1～1μm。此外，P-N掺杂区域2的制造过程还可以采用离子扩散的方法进行离子掺杂。之后可以在汇流导电层3中P型汇流导电带301覆盖的掺杂区域内进行硼局部重掺杂工艺以获得良好的欧姆接触，在N型汇流导电带303覆盖的掺杂区域内进行磷局部重掺杂工艺以获得良好的欧姆接触。
在上述实施例中，可以采用溅射(sputter)、热蒸发或电镀等金属化工艺，在P型区201上方制作P型区汇流导电带301，在N型区202上方制作N型区汇流导电带302，其中导电带与PN区的接触方式包括但不限于点接触及面接触方式。汇流导电带可以是Al、Ag、Au、Ni、Cu、Cu/Ni、Al/Ni或Ti/Pd/Ag电极，其厚度为50nm～600μm，且P型区汇流导电带301与N型区汇流导电302带呈交替排列，即形成P-N-P-N型区汇流导电带的排列结构，如图3所示。
在上述实施例中，非受光面钝化层4可以仅覆盖P型区201和N型区202的交替覆盖区域，即不包括P型区边缘条和N型区边缘条。如图4所示，通过采用PECVD或低压力化学气相沉积（LPCVD，Low PressureChemical Vapor Deposition）实现低温制造，在硅基底非受光面101交替排列的P区汇流导电带301和N区导电汇流带302的上方形成非受光面钝化层4，即P型区边缘条和N型区边缘条以及在其上方的对应的汇流导电带不被非受光面钝化层4覆盖。
非受光面钝化层4可以是双层结构，第一层的材料是氧化铝，第二层的材料是氮化硅，其中氧化铝的厚度为20～50nm，氮化硅的厚度为50～180nm。由于氧化铝具有良好的抗辐射性，氮化硅具有优秀的抗杂质扩散和水汽渗透能力，因此两者结合对电池会产生一个良好的保护效果。
在上述实施例中，在电极层5制造过程中将正电极501与P型区边缘条，负电极502与N型区边缘条相连。由P型区边缘条区域上方有P区汇流导电带301，N型区边缘条区域上方有N区汇流导电带302，因此当电极与边缘条相连时可以实现电池的电气连接。
在上述实施例中，将导电浆料填满非受光面钝化层4未覆盖的P型区边缘条及N型区边缘条，此导电浆料可以是含银颗粒的导电银胶，银颗粒直径为2～6μm。如图5所示，将正电极501覆盖于P型区边缘条的导电银胶上方，并进行滚压，实现与P型区汇流导电带301的电气连接，并将负电极502覆盖于N型区边缘条的导电银胶上方，并进行滚压后实现与N型区汇流导电带302的电气连接，制作完成后进行固化工艺，固化温度为50～200℃，固化时间控制为15～180min，使电极与导电银浆间具有一定的粘接强度。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本文所使用的名词与描述是作为说明书中的术语，但其并非用以限定，且无意使用任何绘示和说明的相同特征（或其部分）之外的名词与描述。此外，应理解在权利要求所界定的范围内各种修改是可能的。其它的修改、变化与替换亦为可能的。因此，上述的说明仅为示例性的，并非用以限定。
Claims (5)
1.一种背接触晶体硅太阳能电池，包括硅基底(1)，所述硅基底(1)具有硅基底非受光面(101)；所述硅基底非受光面(101)上设置了条状的交替排列的P型区(201)和N型区(202)；其特征在于：在所述P型区(201)和所述N型区(202)交替区域相对的两侧，一侧设有P型区边缘条，另一侧设有N型区边缘条；所述P型边缘条垂直于所述P型区(201)与所述N型区(202)的延伸方向，所述N型边缘条垂直于所述P型区(201)与所述N型区(202)的延伸方向，所述P型区边缘条与所述P型区(201)的端面连接，所述N型区边缘条与所述N型区(202)的端面连接；在所述P型区(201)和所述P型区边缘条上设有P型区汇流导电带(301)，在所述N型区(202)和所述N型区边缘条上设有N型区汇流导电带(302)；在所述硅基底非受光面(101)的上方设有非受光面钝化层(4)，所述非受光面钝化层(4)覆盖在所述P型区(201)与所述N型区(202)的交替区域上；在所述P型区汇流导电带(301)上未覆盖所述非受光面钝化层(4)的部分与正电极(501)连接，在所述N型区汇流导电带(302)上未覆盖所述非受光面钝化层(4)的部分与负电极(502)连接。
2.一种用于制造如权利要求1所述电池的方法，其特征在于：
在硅基底非受光面(101)上制作P-N掺杂区域(2)的过程中，形成条状的交替排列的P型区(201)和N型区(202)；在所述P型区(201)和所述N型区(202)的交替端面相对的两侧形成两个边缘条，一个边缘条为与所述P型区(201)的端面连接的P型区边缘条，另一个边缘条为与所述N型区(202)的端面连接的N型区边缘条；所述P型边缘条垂直于所述P型区(201)与所述N型区(202)的延伸方向，所述N型边缘条垂直于所述P型区(201)与所述N型区(202)的延伸方向；
在所述P-N掺杂区域(2)上制作汇流导电带层(3)；
在所述P-N掺杂区域(2)的上方制作非受光面钝化层(4)；
将所述汇流导电带层(3)与电极层(5)相连接。
3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于：采用金属化工艺在所述P型区(201)和所述P型区边缘条上方制作所述P型区汇流导电带(301)，在所述N型区(202)和所述N型区边缘条上方制作所述N型区汇流导电带(302)。
4.如权利要求2或3中所述的方法，其特征在于：所述非受光面钝化层(4)覆盖所述P型区(201)和所述N型区(202)的交替排列区域。
5.如权利要求4中所述的方法，其特征在于：在所述电极层(5)制造过程中将正电极(501)与所述P型区边缘条相连，负电极(502)与所述N型区边缘条相连。
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