CN103904142A - 具备背电极局域随机点接触太阳电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具备背电极局域随机点接触太阳电池及制备方法，该具备背电极局域随机点接触太阳电池，包括：一衬底；一n型发射极，其制作在衬底上；一前表面钝化层，其制作在n型发射极上，该前表面钝化层分为多段，相邻两段之间均有一电极窗口；一钝化膜，其制作在衬底的下面，该钝化膜开有多个小孔；多个栅线前电极，其制作在前表面钝化层上的电极窗口内，该栅线前电极与n型发射极接触；一整面背电极，其制作在钝化膜上，通过钝化膜上的小孔与衬底接触。本发明可以解决硅太阳电池表面钝化与电极接触的矛盾问题，提高硅太阳电池的长波响应和电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，特别是指一种具备背电极局域随机点接触太阳电池及制备方法。
背景技术
硅太阳电池是目前产量最大，使用最广泛的半导体电池产品，商业化单晶硅电池片的转换效率已达到18.5％左右，多晶硅也能达到17.8％左右。由于目前电池片的生产工艺和器件结构限制，电池效率提高已变得非常困难。为了进一步提高电池效率，人们开发了各种各样的新结构电池，如金属包绕式(MWT)，发射极包绕式(EWT)，背结背接触式(BCBJ)，开发了新工艺，如二次印刷电极，电镀，化学腐蚀表面织构，选择性发射极，背表面钝化等。虽然新结构新工艺增加了电池片的制作成本，却使电池效率大幅提升。
在所有新技术中，背钝化技术得到了广泛的重视。随着单晶和多晶硅锭的提纯技术日趋成熟，电池片的衬底质量得到了大幅提升，衬底少子寿命明显延长。电池片背光面的钝化问题就显得越来越重要。之前，人们采用烧结铝背场的方法提高背表面的钝化效果，但这种技术仍然不能使背表面的复合速度限制在很低的水平。在1989年，澳大利亚新南威尔士大学的Andrew W.Blakers等人，首先提出了钝化前表面与背面(PERC)太阳电池，并实现了22.8％的效率。这种技术的关键在于背表面金属并不是直接跟硅衬底大面积接触，而是通过衬底背表面介质钝化膜上开设的规则小孔跟硅衬底相接触。这样的设计大大降低了背表面的复合速度，使得电池效率得到了提高。近些年，一些电池生产商逐渐采用这种背钝化结构制备高效电池片。其中最常见的是采用激光烧蚀技术和丝网印刷腐蚀浆料实现背表面钝化介质膜的局域开孔。但两种工艺方法虽然能制备高效电池，但加工成本和时效性都很差，大大限制了背钝化技术的发展。
在电池表面钝化介质膜的选择上，除了SiO2/SiNx或a-Si:H等常见钝化膜外，Al2O3膜也逐渐得到了产业界的重视。它由于内含大量负电荷，能对p型硅表面的电子起到很强的场效应钝化效果，因而成为p型衬底硅电池背钝化介质膜的最佳选择常见的Al2O3膜沉积技术也丰富起来，除了常见的原子层沉积外，还有磁控溅射，化学气相沉积等。但沉积的Al2O3膜的共同点是只有经过热退火才能显著提高其钝化质量，但热退火的过程中，会产生明显起泡现象，起泡点处Al2O3膜消失，故会在膜表面会出现许多漏孔，使钝化效果大大降低，因而也限制了这种钝化膜在产业界的大规模推广。基于背钝化的结构原理，就是要在钝化膜上人工故意开设多个小孔，我们提出了利用Al2O3膜在退火过程中自然开设的小孔作为金属跟硅接触的通道，从而实现背表面随机开孔的背钝化结构。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具备背电极局域随机点接触太阳电池及制备方法，以解决硅太阳电池表面钝化与电极接触的矛盾问题，提高硅太阳电池的长波响应和电池效率。
为达到上述目的，本发明提出一种具备背电极局域随机点接触太阳电池，包括：
一衬底；
一n型发射极，其制作在衬底上；
一前表面钝化层，其制作在n型发射极上，该前表面钝化层分为多段，相邻两段之间均有一电极窗口；
一钝化膜，其制作在衬底的下面，该钝化膜开有多个小孔；
多个栅线前电极，其制作在前表面钝化层上的电极窗口内，该栅线前电极与n型发射极接触；
一整面背电极，其制作在钝化膜上，通过钝化膜上的小孔与衬底接触。
本发明还提供一种具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作n型发射极；
步骤2：在n型发射极上沉积前表面钝化层；
步骤3：在前表面钝化层上刻蚀电极窗口；
步骤4：在衬底的背面沉积钝化膜；
步骤5：退火，使钝化膜上开设多个小孔；
步骤6：在前表面钝化层上印刷栅线前电极，该栅线前电极通过刻蚀电极窗口与n型发射极接触，在钝化膜上印刷背电极，该背电极通过多个小孔与衬底接触；
步骤7：烧结，完成制备。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.利用本发明，可以快速制备硅太阳电池背面局域点接触模式的背电极结构，能显著提高太阳电池的长波响应，增加短路电流和开路电压。
2.利用本发明，借助沉积薄膜前不同的硅片处理工艺，退火时可以产生不同起泡程度的特性，可以快速实现不同接触面积的背电极局域点接触模式。
3.相比于其他背钝化电池工艺，此方法工艺简单，无需增加任何额外设备成本，无需增加任何时间成本，极有利于大规模生产。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为利用局域点接触结构制备的高效太阳电池结构示意图；
图2为本发明的制备流程图。
具体实施方式
首先对本发明实现原理进行简要说明
本发明提供的形成电极局域点接触结构的方法，在硅表面沉积Al2O3膜，由于膜内含有大量的可移动的氢原子，在退火过程中氢原子会结合形成氢气，故而从Al2O3膜内逸出，使得Al2O3膜产生起泡现象。起泡处便会自然留下一个圆孔，这个圆孔没有Al2O3膜覆盖，便把硅表面暴露出来。当再有电极金属覆盖到Al2O3膜上时，一部分金属便会落到圆孔内跟硅接触上，从而实现有表面钝化的硅材料的电极局域点接触模型。
基于以上实现原理，本发明提出一种形成背电极局域点接触高效太阳电池的方法，形成背面点接触结构是利用钝化膜4在退火过程产生起泡效应而自然暴露的局域小孔41作为背电极6和衬底1接触的通道，后将背电极6覆盖在钝化膜4上，以实现中间隔有钝化膜4的背电极6与衬底1的局域点接触。该方法简便易行，工艺成本低，能解决传统太阳电池表面钝化和电极接触的矛盾，能显著降低半导体表面的少数载流子的复合速度，最终达到不增加成本的基础上提高电池效率的目的。
请参阅图1所示，本发明提供一种具备背电极局域随机点接触太阳电池，包括：
一衬底1，所述衬底1的材料为p型的晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、染料敏化层、有机无机混合钙钛矿层、铜铟镓硒或砷化镓等；
一n型发射极2，其制作在衬底1上。发射极2的形成方式包括高温扩散或离子注入方式，掺杂元素包括磷或砷，表面掺杂浓度范围为1e18/cm3-1e20/cm3，结深范围为0.3μm-2μm；
一前表面钝化层3，其制作在n型发射极2上，该前表面钝化层3分为多段，相邻两段之间均有一电极窗口31，所述前表面钝化层3的材料为氮化硅、氧化硅、非晶硅或氧化铝，或及其组合，形成方式包括化学气相沉积，物理气相沉积，热氧化，溅射或原子层沉积，厚度范围为10nm-100nm；
一钝化膜4，其制作在衬底1的下面，该钝化膜4开有多个小孔41，钝化膜4的材料为Al2O3，厚度为10nm-200nm，沉积方法包括原子层沉积，化学气相沉积，离子束外延，分子束外延，磁控溅射等，在沉积钝化膜4之前，可以包括HF疏水处理和HNO3亲水处理衬底1；该钝化膜4上的小孔41为点状随机分布的透孔，直径为1μm-1mm，小孔41的密度为102-106/cm2；
多个栅线前电极5，其制作在前表面钝化层3之间的电极窗口31内，该栅线前电极5与n型发射极2接触，栅线前电极5的形成方法包括丝网印刷法或光刻配合金属剥离法；
一整面背电极6，其制作在钝化膜4上，通过钝化膜4上的小孔41与衬底1接触，其中整面背电极6的形成方法包括蒸发法、溅射法或丝网印刷法。
其中栅线前电极5和整面背电极6为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、铜、镍、金、钨、钛、钯或银中的一种或其任意组合。
请参阅图2，结合参阅图1，一种具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上制作n型发射极2，以此形成电池的pn结。所述衬底1的材料为p型的晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、染料敏化层、有机无机混合钙钛矿层、铜铟镓硒或砷化镓等，形成发射极2的工艺方法可以是高温炉管扩散磷元素进入衬底表面，扩散温度和扩散时间视所需电池具体要求而定；也可以是离子注入磷元素到硅片内部，并在注入完辅以退火消除缺陷。注入能量、剂量与退火温度、时间视所需电池具体要求而定。
步骤2：在n型发射极2上沉积前表面钝化层3，所述前表面钝化层3的材料为氮化硅、氧化硅、非晶硅或氧化铝，或及其组合，具体膜厚依据具体电池光学减反设计要求而定，此钝化层起到减少光反射和降低界面态的作用。
步骤3：在前表面钝化层3上刻蚀电极窗口31，电极窗口31的形成方法包括先光刻后利用HF酸腐蚀表面钝化层3或直接采用丝网印刷腐蚀性浆料直接腐蚀表面钝化层3。
步骤4：在衬底1的背面沉积钝化膜4，所述钝化膜4的材料为Al2O3，厚度为10nm-200nm。沉积方法包括原子层沉积，化学气相沉积，离子束外延，分子束外延或磁控溅射等方法。沉积之前可以进行HF疏水处理或HNO3亲水处理来得到不同尺度的起泡大小。
步骤5：退火，使钝化膜4上开设多个小孔41，小孔41为随机分布的透孔，小孔41的直径为1μm-1mm，小孔41的密度为102-106/cm2；所述退火方式包括管式炉恒温退火，温度在400℃到1000℃之间；或红外快速退火炉退火，退火峰值温度400℃到1000℃之间；或常规慢速链式烧结炉烧结，峰值温度为400℃到1000℃之间；或脉冲激光退火，脉冲宽度为飞秒、皮秒、纳秒级数量的大功率激光器，单脉冲能量密度为10-1000mJ/cm2，波长在266nm-1064nm之间。退火时间视具体电池钝化效果和起泡程度要求决定。
步骤6：在前表面钝化层3上印刷栅线前电极5，该栅线前电极5通过刻蚀电极窗口31与n型发射极2接触，在钝化膜4上印刷背电极6，该背电极6通过多个小孔41与衬底1接触。栅线前电极5可以通过蒸发或溅射铝、铬、铜、镍、金、钨、钛、钯、银中的一种或其任意组合金属制备而成，但需要之前开设电极窗口31；栅线前电极5还可以通过丝网印刷银浆于前表面钝化层3上。整面背电极6可以通过真空蒸发法(电子束蒸发、热蒸发)，磁控溅射法，丝网印刷法，电镀法等方法形成。
其中栅线前电极5和整面背电极6为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、铜、镍、金、钨、钛、钯或银中的一种或其任意组合。
步骤7：烧结，完成制备。烧结使栅线前电极5穿透前表面钝化层3，使背电极6在钝化膜4局域小孔处跟衬底1接触，并形成局域背场，形成背电极局域点接触结构。烧结为传统链式烧结方式，烧结温度在500-1000℃，时间在10sec-1min。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种具备背电极局域随机点接触太阳电池，包括：
一衬底；
一n型发射极，其制作在衬底上；
一前表面钝化层，其制作在n型发射极上，该前表面钝化层分为多段，相邻两段之间均有一电极窗口；
一钝化膜，其制作在衬底的下面，该钝化膜开有多个小孔；
多个栅线前电极，其制作在前表面钝化层上的电极窗口内，该栅线前电极与n型发射极接触；
一整面背电极，其制作在钝化膜上，通过钝化膜上的小孔与衬底接触。
2.根据权利要求1所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池，其中所述衬底的材料为p型的晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅或非晶硅。
3.根据权利要求1所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池，其中所述前表面钝化层的材料为氮化硅、氧化硅或氧化铝，或及其组合。
4.根据权利要求1所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池，其中所述钝化膜的材料为Al2O3，厚度为10nm-200nm；该钝化膜上的小孔的直径为1μm-1mm，小孔41的密度为102-106/cm2。
5.根据权利要求2所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池，其中栅线前电极和整面背电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、铜、镍、金、钨、钛、钯或银中的一种或其任意组合。
6.一种具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作n型发射极；
步骤2：在n型发射极上沉积前表面钝化层；
步骤3：在前表面钝化层上刻蚀电极窗口；
步骤4：在衬底的背面沉积钝化膜；
步骤5：退火，使钝化膜上开设多个小孔；
步骤6：在前表面钝化层上印刷栅线前电极，该栅线前电极通过刻蚀电极窗口与n型发射极接触，在钝化膜上印刷背电极，该背电极通过多个小孔与衬底接触；
步骤7：烧结，完成制备。
7.根据权利要求6所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，其中所述衬底的材料为p型的晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅或非晶硅。
8.根据权利要求6所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，其中所述前表面钝化层的材料为氮化硅、氧化硅或氧化铝，或及其组合。
9.根据权利要求6所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，其中所述钝化膜的材料为Al2O3，厚度为10nm-200nm；该钝化膜上的小孔的直径为1μm-1mm，小孔的密度为102-106/cm2。
10.根据权利要求6所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，其中栅线前电极和整面背电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、铜、镍、金、钨、钛、钯或银中的一种或其任意组合。
11.根据权利要求6所述的具备背电极局域随机点接触太阳电池的制备方法，其中所述退火方式包括管式炉恒温退火、红外快速退火或常规慢速链式烧结炉烧结，退火的温度为400℃-1000℃；或采用脉冲激光退火时，单脉冲能量密度为10-1000mJ/cm2，波长为266nm-1064nm。
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