CN103746026B - 前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法，在硅片衬底上通过激光器在前电极主栅位置打出一列排布均匀的空洞，取代主栅电极并把指栅电极引到电池背面，起到减小前主栅电极遮光面积并把前电极放在背面的目的；在硅片背面通过原子层沉积或PECVD方式沉积一层Al2O3,起到钝化电池背表面的作用，在该膜表面沉积一层较厚的SiNx，起到保护Al2O3钝化效果的目的，随后设计背面开膜图形，通过激光或化学腐蚀的方式制备出背面电极导电窗口；依次印刷背电极、背面匹配型铝背场、背面的前电极和正面指栅电极，优化印刷和烧结工艺，使电极接触区域形成较好的填充效果。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅电池的制备领域，具体涉及一种前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法。
背景技术
通过加快产业结构调整和技术进步来促进光伏产业的稳健及可持续性发展，已成为国内该行业的普遍共识。根据现阶段出台的《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，国家将优先支持单晶硅电池效率在20%以上、多晶硅电池效率在18%以上的光伏项目，目前国内常规电池几乎都达不到该要求，采用新技术、新工具制备高效结构电池已成为业内提高自身竞争力的主要途径。
前电极主栅遮光面积比较大，在前电极焊接技术日渐成熟的现在无法通过降低栅线宽度降低遮光面积，同时还会受到前电极电阻的制约，前主栅电极绕射技术（即MWT）由于能够较大程度上减小前电极遮光面积，并提高后续组件封装时的集成度和耐久性，在效率提供上优势明显，已成为高效电池中的变革者。
背面复合速率过大一直是制约电池效率提高的最重要因素，特别是在硅片厚度日渐减薄的情况下，常规铝背场工艺的局限性愈加明显。局域背场钝化技术采用钝化效果显著的原子层沉积或PECVD沉积技术，能够较大程度上降低背表面的复合速率，提高光生载流子的利用率；同时采用阵列式点或线开膜方式打开介质膜，开膜面积比例很小，通过匹配浆料的印刷和烧结形成并引出背面电极。
激光器加工精度高、稳定性强的优点能够满足光伏行业的需求，前电极绕射技术（MWT）和局域背场钝化技术在业内已相对较为成熟，但将两种技术有效结合的解决方案却鲜为报道。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
所述前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法，其特征在于，所述方法依次包括如下步骤：
（1）选用电阻率为1～3Ω·cm的P型单晶硅片作衬底，采用绿光激光器从硅片背面开孔若干列，开孔直径为1.2～2.2mm，每列孔间距为8～20mm；
（2）用单晶湿法（常规工艺）对硅片制绒，并通过高温扩散在硅片上制备方块电阻值为85～95Ω/□的P-N结；所述高温扩散参数为：扩散温度为800～850℃，扩散时间为30～40min，扩散后进行退火，退火时间为1200～1700s；
（3）用RENA链式湿法（常规工艺）抛光设备去除硅片背面P-N结并对硅片背面抛光；
（4）用RENA原子层沉积设备（常规设备及工艺）在抛光的硅片背面沉积一层厚度为5～15nm的Al2O3膜；经退火处理后用PECVD法在Al2O3膜上镀一层厚度为120～180nm的SiNx保护膜，然后在硅片正面镀一层厚度为75～80μm的SiNx减反射膜；光伏业内通常采用SiNx表示前表面减反射膜，因为x是一个不固定值，主要由镀膜工艺决定，优选地，SiNx中x的取值范围为2.0～2.3；
（5）设计硅片背面开膜图形：线宽为为30～45μm，线间距为1000～1300μm；采用激光器或化学腐蚀法（均为常规方法）对硅片进行开膜；
（6）在硅片上依次印刷背电极浆料、绕射到背面的前主栅电极浆料、局域背场钝化铝浆、正面电极浆料；然后按常规工艺进行烧结；印刷背电极浆料烧结后形成背电极；绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成前电极；局域背场钝化铝浆烧结后形成铝背导电层；正面电极浆料烧结形成电极接触；上述浆料均为本领域常用及公知技术；
（7）用P秒激光器把绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成的前电极和局域背场钝化铝浆烧结后形成的铝背导电层（铝背场）未分开的区域隔离开。
其中，步骤（1）所述P型单晶硅片为156×156mm2的P型单晶硅片，开孔为4列；步骤（1）所述绿光激光器为波长为532nm以下的P秒或纳秒绿光激光器。
步骤（3）所述抛光步骤中抛光液为质量百分比含量为8～12%、温度≥8℃的KOH或NaOH溶液，抛光后硅片背面平均加权反射率≥60%。
步骤（4）所述退火处理的温度为为450～500℃，时间为20～40min。
步骤（7）所述的P秒激光器是波长为532nm以下的P秒激光器。
上述“以下”均包括本数。
下面对本发明作进一步说明：
本发明方法步骤（1）中权衡串联电阻和遮光面积对电池性能的影响，在硅片上设计开孔阵列。开孔阵列的设计是根据遮光面积和串联电阻对电池性能影响的一种相互权衡的设计方式。在印刷正电极时，可以将浆料通过前电极图形的圆孔印到孔内，在印刷背面前电极时，需根据附图4的网版图形印刷，这种浆料会有一部分进入孔内和印刷正面电极时的浆料混合而起到把正面电极引到背面的作用。正面的孔可以代替正面主栅电极和指栅电极链接。
步骤（6）中依次印刷背电极浆料（附图3中暗色区域为背电极）、绕射到背面的前主栅电极浆料（浆料购于杜邦）（附图4中暗色区域为印刷电极区域）、与局域背场钝化相匹配的铝浆（即局域背场钝化铝浆，附图5中暗色区域为印刷铝浆位置）和正面电极（附图1为前电极图形），烧结形成电极接触。印刷背电极浆料烧结后形成背电极，作用是与电路连接；绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成前电极，作用是与电路连接；局域背场钝化铝浆烧结后形成铝背导电层，即铝背场，作用是把电池各个区域产生的电流从硅片背面引出并汇聚至背电极；正面面电极浆料烧结形成电极接触，作用是把电池前表面各区域形成的电流汇聚至通过小孔浆料连接的背面的前电极。
所述印刷背电极（附图3）和绕射至背面主栅电极(附图4)目的是烧结后分别形成正电极和负电极，印刷背面铝浆目的是烧结后在激光开膜区域把光生载流子引出并汇聚至背电极形成电流，印刷正面电极浆料使之在小孔区域和背面印刷的浆料汇聚形成回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、采用前电极主栅绕射技术，利用多排均匀排布的孔代替正面主栅与指栅链接，把指栅电极引到背面使主栅遮光面积减小70%以上，前电极的遮光面积可以相对降低2%以上。根据理论计算和实验结论，电池效率可提高0.3个百分点以上。
2、引入局域背场钝化技术，采用Al2O3薄膜钝化背表面，电池背面的复合速率可降低至10cm/s以下，远低于常规铝背场表面的复合速率，有利于提高对长波的利用率。根据实验结论，电池开路电压可提高10mV以上，电池效率可提高0.7个百分点以上。
3、通过电池背面抛光，可有效提高电池背面的内背反射率并降低背面有效面积，即提高对长波的利用率并降低背面复合。
总之，本发明本发明在硅片衬底上通过激光器在前电极主栅位置打出一列排布均匀的空洞，取代主栅电极并把指栅电极引到电池背面，起到减小前主栅电极遮光面积并把前电极放在背面的目的；在硅片背面通过原子层沉积或PECVD方式沉积一层Al2O3,起到钝化电池背表面的作用，在该膜表面沉积一层较厚的SiNx，起到保护Al2O3钝化效果的目的，随后设计背面开膜图形，通过激光或化学腐蚀的方式制备出背面电极导电窗口；依次印刷背电极、背面匹配型铝背场、背面的前电极和正面指栅电极，优化印刷和烧结工艺，使电极接触区域形成较好的填充效果。本发明将两种技术的有效性结合提供了一种解决方案，既能发挥MWT技术降低正面遮光面积的优势，又能有效钝化电池背表面，到达集成两种高效技术于一体的目的。该方法简单可行，对电池效率有明显性提高，可明显性降低前电极的遮光面积和电池背面的复合速率，从而提高短路电流和开路电压，达到提高电池效率的目的。本发明制备的高效电池可明显性提高对光的利用率，同时降低串联电阻，即提高光谱响应和电池效率。
附图说明
图1是正面电极图形，其中4排点阵列为开孔区域；
图2是背面激光开膜图形，C表示硅片边缘，A表示线间距，B表示线宽（不考虑激光开膜区域）；图中黑线矩阵区域为开膜区域；
图3是背电极图形示意图，其中9个暗色矩形为背电极图形；
图4是绕射到背面的主栅电极图形示意图，其中16个暗色矩形为绕射到背面的前主栅电极图形；
图5是印刷局域背场钝化铝浆后形成的铝背场示意图，其中灰色区域为印刷铝浆部位。
具体实施方式
实施例1
参见图1至图5，所述前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法，依次包括如下步骤：
（1）选用电阻率为1～3Ω·cm的156×156mm2P型单晶硅片为衬底，权衡串联电阻和遮光面积对电池性能的影响，采用波长为532nm的纳秒绿光激光器从硅片背表面开孔4列，孔直径为1.5～2.2mm，每列孔间距为12～20mm；开孔阵列见图1中4排小孔；
（2）用单晶湿法对硅片制绒，并通过高温扩散在硅片上制备方块电阻值为85～95Ω/□的P-N结；所述高温扩散采用常规扩散炉，参数设置如表1所示：
表1
（3）用RENA链式湿法抛光设备去除硅片背面P-N结（激光开孔面），并对硅片背面抛光；所述抛光步骤中抛光液为质量百分比含量为8～12%、温度≥8℃的KOH或NaOH溶液，抛光后硅片背面平均加权反射率≥60%；
（4）用RENA原子层沉积设备在抛光的硅片背面沉积一层厚度为5～15nm的Al2O3膜；经退火处理后用PECVD法在Al2O3膜上镀一层厚度为120～180nm的SiNx保护膜，然后在硅片正面镀一层厚度为75～80μm的SiNx减反射膜；其中，所述退火处理的温度为为450～500℃，时间为20～40min；
（5）设计硅片背面开膜图形（图2，不考虑开孔整列对开模图形影响）：线宽为为30～45μm，线间距为1000～1300μm；采用波长为532nm的P秒绿光激光器对硅片进行开膜；
（6）在硅片上依次印刷背电极浆料（图3中暗色区域为背电极）、绕射到背面的前主栅电极浆料（浆料购于杜邦，图4中暗色区域为印刷电极区域）、局域背场钝化铝浆（图5中暗色区域为印刷铝浆位置）、正面电极浆料（购于杜邦，图1为前电极图形）；然后进行烧结；印刷背电极浆料烧结后形成背电极；绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成前电极；局域背场钝化铝浆烧结后形成铝背导电层；正面电极浆料烧结形成电极接触；
（7）用P秒激光器把绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成的前电极和局域背场钝化铝浆烧结后形成的铝背导电层（铝背场）未分开的区域隔离开，测试分析。
经测试开路电压比常规电池提高10mV以上；短路电流比常规电池提高90mA以上；并联电阻在500Ω左右，和常规电池持平；串联电阻在2～4mΩ，和常规电池持平；电池效率比常规电池提高0.7个百分点。根据测试结果可知，该种制备方式在不提高串联电阻的前提下，提高短路电流和开路电压，说明该种制备方式有效可行。
Claims (6)
1.一种前电极绕射式局域背场钝化晶体硅电池的制备方法，其特征在于，所述方法依次包括如下步骤：
(1)选用电阻率为1～3Ω·cm的P型单晶硅片作衬底，采用绿光激光器从硅片背面开孔若干列，开孔直径为1.2～2.2mm，每列孔间距为8～20mm；
(2)对硅片制绒，并通过高温扩散在硅片上制备方块电阻值为85～95Ω/□的P-N结；所述高温扩散参数为：扩散温度为800～850℃，扩散时间为30～40min，扩散后进行退火，退火时间为1200～1700s；
(3)去除硅片背面P-N结并对硅片背面抛光；
(4)在抛光的硅片背面沉积一层厚度为5～15nm的Al2O3膜；经退火处理后用PECVD法在Al2O3膜上镀一层厚度为120～180nm的SiNx保护膜，然后在硅片正面镀一层厚度为75～80μm的SiNx减反射膜；
(5)设计硅片背面开膜图形：线宽为为30～45μm，线间距为1000～1300μm；采用激光器或化学腐蚀法对硅片进行开膜；
(6)在硅片上依次印刷背电极浆料、绕射到背面的前主栅电极浆料、局域背场钝化铝浆、正面电极浆料；然后进行烧结；印刷背电极浆料烧结后形成背电极；绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成前电极；局域背场钝化铝浆烧结后形成铝背导电层；正面电极浆料烧结形成电极接触；
(7)用P秒激光器把绕射到背面的前主栅电极浆料经烧结形成的前电极和局域背场钝化铝浆烧结后形成的铝背导电层未分开的区域隔离开。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述P型单晶硅片为156×156mm2的P型单晶硅片，开孔为4列。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述绿光激光器为波长为532nm以下的P秒或纳秒绿光激光器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述抛光步骤中抛光液为质量百分比含量为8～12％、温度≥8℃的KOH或NaOH溶液，抛光后硅片背面平均加权反射率≥60％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述退火处理的温度为为450～500℃，时间为20～40min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)所述的P秒激光器是波长为532nm以下的P秒激光器。
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