CN104681663A - 太阳能电池的制造工艺和太阳能电池的处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池制造工艺和一个太阳能电池处理工艺。太阳能电池制造工艺过程包括一个退火处理过程，在退火处理过程中，基体(1)会经历一个退火温度曲线(51，52)，在退火温度曲线(51，52)中，在至少3秒的退火时间内将温度保持在一个温度区间内，该温度区间的下限为大约400℃，上限为大约700℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的制造工艺和一种太阳能电池的处理工艺。
背景技术
当前的太阳能电池，由于其结构的原因，在使用一段时间之后会出现电池性能衰减的问题，也就是说，电池在使用过程中突然出现性能急剧下降的现象，更确切地说，电池的工作效率突然下降了。一般情况下，太阳能电池都是在运行的过程中出现性能衰减现象的，电池的运行参数的变化，比如由太阳能电池供电工作的光强度和太阳能电池的运行温度等，对于判断太阳能电池是否已经发生了性能衰减起着重要的作用。太阳能电池性能的衰减也是在太阳能电池的运行中被触发的。
最近人们发现复合性出现缺陷有可能是太阳能电池性能出现衰减的原因，而复合性出现缺陷是由于太阳光照射到硅元件内部造成的。这种由于光线照射导致的太阳能电池性能衰减的现象被也被称为光致衰减(LID-light induced degradation)，出现这种现象出现的原因为在硅元件的晶格中生成了硼氧复合体。可以根据已知方法通过在太阳能电池生产中使用硼和氧含量很低的硅晶片防止出现上述效应。
然而，即便在制造硅晶片的过程中，减少了硼和氧的添加量，以这种硅晶片为原料制造出的太阳能电池仍然存在电池性能衰减的现象，更准确地说，在太阳能电池设计中曾经出现并且继续出现衰减效应，并且其程度无法根据上述硼氧效应进行解释。除了现在已经逐渐被行业内了解的硼-氧衰减效应(硼氧衰减或者LID)之外，还有另外一种衰减效应，比如通过2012年第二十七届欧洲光伏太阳能会议暨展览会(EUPVSEC)期间K.Ramspeck等人发表的文章“Light Induced Degradation of Rear Passicated mc-Si Solar Cells”(“背面钝化多晶硅太阳能电池的光致衰减”)，就可以得出这一结论。该文章解释说，采用表面钝化PERC(PERC–钝化发射极和背面电池)设计的多晶硅太阳能电池(mc-Si太阳能电池)，会产生一种无法通过以往硼-氧模型解释的光致衰减。通过降低氧含量，多晶硅太阳能电池中的硼氧衰减效应相对较小。但是这里出现了在程度上可能显著超出已知硼氧衰减的衰减效应。上述文章指出：当光线照射强度为每平方米400瓦(W/m2)且电池温度为75℃时，效率衰减值为5-6％(相对)。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能电池制造工艺，通过这种方法能够以可靠方式生产后期衰减度较小或者根本不会出现后期衰减的太阳能电池。此外，本发明还提供一种太阳能电池的处理方法，太阳能电池在经过上述处理之后可以降低该电池在之后的运行过程中对衰减的敏感性或可消除在太阳能电池制造过程中的一个工艺步骤中增加的太阳能电池对电池衰减现象的敏感性。
根据本发明，上述目的通过满足权利要求所述的太阳能电池制造工艺和满足权利要求所述的太阳能电池处理工艺实现。本发明的其他改进将在从属权利要求中描述。
在本文中，为了将与本发明有关性能衰减与LID光致衰减涉及的性能衰减机理相区别，在文章的以下部分中，使用eLID表示本文要讲述的性能衰减。这个名称的意思是增强的光致衰减效应(eLID—增强的光致衰减(enhanced light induced degradation))。标准太阳能电池也会出现增强的光致衰减现象，但多晶半导体制成的太阳能电池出现增强的光致衰减现象的概率尤其高，上述多晶半导体制成的太阳能电池中氧含量比较低，所以LID光致衰减的敏感性也比较低。在近一段时间研发出来的较新型的太阳能电池表现出更高的eLID敏感性，比如PERC结构的太阳能电池或者其他表面经过钝化处理的太阳能电池，尤其是那些使用太阳能电池烧结激光设备(LFC—激光烧结接触(laser fired contacts))实现的欧姆接触的太阳能电池都非常容易出现eLID。
本发明基于以下的一些知识，即对于在这篇文章中所述的太阳能电池对于上述衰减的敏感性，也就是太阳能电池的eLID敏感性极大程度上取决于太阳能电池制造过程中生产参数。本发明人已经发现，此类电池性能衰减现象与另外一种与现在已知的硼-氧衰减效应中的衰减机理不同的电池性能衰减机理有关。此外发明人成功设计了一种显著降低甚至完全避免eLID敏感性的方法。
eLID的敏感性和LID的敏感性有类似的属性，即当太阳能电池被光线照射后或者电流流过太阳能电池之后，都很有可能出现电池性能衰减的现象。虽然，在LID和eLID中都有术语“光致”，但实际上，当电流流过太阳能电池，也就是在太阳能电池的两端施加电压，并导致在太阳能电池不同位置之间生成了从高电压流向低电压的电流，也可能导致太阳能电池的性能出现衰减。产生衰减所需要的光照强度或电流密度，取决于工作温度、光照或通电时间以及太阳能电池的其他工作参数和生产参数。
当发生eLID类型的电池性能衰减时，太阳能电池效率将会下降若干个百分点，比如，下降至少3％、5％、7％、9％或者更多。这种效率衰减通常伴随载流子寿命的下降，下降幅度至少为一半甚至下降一个数量级。比如载流子寿命可能由几百微秒缩短至几十微秒。基体上的载流子寿命测量在基体接触或金属化之前进行。
本发明重要的一个方面基于一种发现，即在太阳能电池的制造过程中有一个制造步骤，该步骤能够引发太阳能电池的成品中的eLID敏感性，也就是说，太阳能电池的eLID敏感性会提高。一般来说，在太阳能电池制造工艺流程中，烧结过程或者烧结步骤是一个特别关键的步骤，也就是上述影响其eLID敏感性的决定性的步骤。为了实现金属化浆料的金属化，将一层金属化浆料涂覆在基体的表面上，使得基体在经历一个烧结步骤后，金属化浆料生成一层金属化层。上述烧结步骤非常容易导致在日后的使用过程中太阳能电池出现eLID敏感性。到现在为止，还未能研究清楚是哪一种效应导致了eLID。现在已经知道，当出现LID型性能衰减时，电池性能衰减的机理为在太阳能电池中生成了硼氧复合体，当出现eLID，可能同时存在多种不同的电池性能衰减的机理在起作用。
从以上的叙述中可以了解到，可以设置一个退火处理步骤，以降低在一个制造步骤中导致的eLID敏感性增加趋势。换句话说，在基体经历了一个导致eLID敏感性增加的制造步骤之后，再使该半成品经历一个退火处理步骤，使其eLID敏感性在一定程度上被消除。为此，在退火处理步骤中，基体要经历一退火温度曲线。需要设定退火温度曲线以使在至少3秒的退火处理时间内将基体置于达到一定温度范围的环境中，该温度范围的下限为大约400℃，上限为大约700℃。同样地，也可以在对一个太阳能电池的成品的处理过程中采用上述的退火温度曲线。在本文中，所有提到的在太阳能电池制造过程中采用的退火温度曲线都适用于太阳能电池处理过程，反之亦然。
当基体或者太阳能电池成品在一个退火处理时间段内被置于一定的温度下，且上述温度处于退火温度区间之内，也可以消除eLID敏感性。在优选的处理方案中，退火处理的时间为至少3、4、5、7或者9秒钟。优选地，退火温度下限为400℃、420℃、450℃或者480℃。优选地，退火温度的上限为550℃、600℃、650℃或者700℃。
本发明的一个优选实施例中，退火步骤包括一个升温阶段和/或一个降温阶段，其中基体在退火过程中经历一退火温度曲线，在退火处理步骤的升温阶段和/或一个降温阶段内最大斜率为100开尔文每秒(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在优选的退火处理方案中，退火处理步骤的升温阶段内最大斜率为100开尔文每秒(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s，而退火处理步骤的降温阶段内最大斜率为100开尔文每秒(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。这里所指的是最大斜率绝对值，尤其在降温过程中，该斜率的值是负的。
通过在一定时间内，一定温度变化范围内改变基体或者成品太阳能电池的温度可以使太阳能电池的eLID敏感性被大大降低或者被完全消除。也可以采用改变被处理部件的空间位置，使得被处理部件的温度发生变化以代替一定时间内改变基体或者成品太阳能电池的温度的退火处理办法，比如，将基体或者成品太阳能电池从空间的某一个位置移动到另一个温度不一样的位置上，实现该部件的退火处理。尤其需要说明的是，可以将基体/成品太阳能电池通过一个连续式加热炉，实现该部件的整个退火处理过程。
在退火处理期间，基体或成品太阳能电池可以被加热到最高允许加热温度，该温度大于400℃、430℃、450℃、470℃、500℃或者550℃。
本发明的一个优选实施例中，在太阳能电池的制造工艺过程中，基体经过一个烧结步骤，一个烧结步骤的升温阶段或者一个烧结步骤的降温阶段，通过上述处理，使得被涂覆在基体表面的金属化浆料生成了一层金属化层。烧结过程可能成为导致太阳能电池出现eLID敏感性的过程，这取决于该过程中的工艺参数。也就是说，因为上述的烧结过程，或者仅仅因为烧结过程中的升温阶段或者仅仅因为烧结过程中的降温阶段而使得制造出来的太阳能电池具有较高的eLID敏感性。在这种情况下，如果在相关部件完成了烧结步骤之后使其经过一个退火处理步骤，以使得太阳能电池的eLID敏感性被消除，则有利于提高太阳能电池的性能。
如果一个太阳能制造工艺过程中包括一个烧结步骤，并包括其中的升温阶段，则优选地是，将退火处理步骤集成在一个烧结步骤之中的降温阶段内。比如，在设置烧结步骤处理温度时，可以在烧结步骤温度变化曲线上设置一个平台期(Plateau)，以实现退火处理步骤，也就是说，当烧结处理的温度达到最高温度之后，保持该温度一段时间。
根据本发明的优选实施例，在退火处理阶段，基体或者太阳能电池被光照射和/或在基体或者太阳能电池上通电。对基体或者太阳能电池进行照明或通电可以促进太阳能电池消除其eLID敏感性，或者，用于在退火处理的过程中观察基体和太阳能电池。
根据本发明的优选实施例，基体是采用单晶(monocrystalline)、聚晶(polycrystalline)或者多晶(multicrystalline)半导体制成的。基体优选的是由硅制成的。
本发明涉及一种有利于实现太阳能电池设计要求的太阳能电池制造方案，基体一面或者两面覆盖具有表面钝化功能的钝化层。钝化层优选的可以设置在涂有金属浆料以便产生浆料金属化基体的表面上。在这种情况下，可以在烧结步骤之前或者之后另外设置一个激光烧结接触处理步骤(LFC)。行业中，钝化层优选的为氧化铝层、氮氧化铝层、二氧化硅层和/或氮化硅层。在实际应用中也有可以设置为相互重叠的多层钝化层，例如，其中一层为化学钝化层，另一层为具有场效应钝化特性的钝化层。
上述钝化层适用于作为背面钝化层和/或作为正面钝化层，其中，往往采用以氧化铝层、氧化氮铝层和/或由氧化铝、氮氧化铝和氧氮化硅和/或氮化硅中的若干物质构成的多层结构构成的背面钝化层，而由氮氧化硅或者氮化硅构成的层适合于作为正面钝化层和/或抗反射层。
附图说明
下面将参照附图通过实施例阐释本发明，其中：
图1a)到e)为太阳能电池的制造工艺中涉及本发明之步骤的示意图；
图2为退火温度曲线图；和
图3为集成了退火处理步骤的烧结步骤的温度变化曲线图。
具体实施方式
从图1a)到e)显示出太阳能电池制造工艺流程中的不同步骤。特别地，通过这个示意图可以看出在部件获得了功能层之后经过了一个退火处理步骤。如图1a)所示，首先提供一基体1。如图1b)所示，在基体上形成功能层2。在本发明给出的例子中，该功能层可以是，例如，金属化层、钝化层、掺杂层或者类似的功能层，也有可能在一个部件上设置了多层上述的功能层。在之后的步骤中，涂覆有功能层2的基体1穿过连续式加热炉3，上述过程中即完成了退火处理步骤。
在图中所示的连续式加热炉3中温度不同，且可以简化描述将炉内温度分为三个温度区，即31、32、33。基体1首先进入入口区域30，继而进入连续式加热炉3，当基体1穿过出口区域34之后离开连续式加热炉3，在上述过程中，基体1经过了所有三个温度区域31、32、33。在第一个温度区域31中，基体1被加热升温。也就是说，基体1在此期间也经过了退火高温处理的升温阶段。在第二个温度区间32内，基体1的温度达到了最高温度或者最高极限温度。然后，在基体1通过连续式加热炉3的第三格温度区域的过程中，基体1经历了一个退火处理的降温阶段。
图1c)中可以看出，基体1进入了连续式加热炉3并且穿过了第一个温度区域31。在那之后，如图1d)所示，基体1进入了第二个温度区域32。在这里，基体的温度达到了整个处理过程中最高温度。在那之后，如图1e)所示，基体1进入了第三温度区域，并且其温度开始下降，然后，基体1穿过出口区域34离开连续式加热炉3。
如图2所示，因为基体1要穿过连续式加热炉3，所以，基体1会经历一个温度变化过程。在温度示意图中，沿着X轴方向表现的是时间变化，沿着Y轴方向表现的是温度变化。从图中可以看出，退火温度曲线51是由升温阶段51a和降温阶段51b构成的。因为经历了符合退火温度曲线51的过程，所以太阳能电池原本可能会出现的eLID敏感性降低了或者完全消除了。为此，升温阶段51a和/或降温阶段51b期间的最大斜率不能超过大约100K/s。
图3为另一幅示意图，在这幅图中涉及到了烧结处理过程中的一个温度变化过程曲线4。温度变化过程曲线4中包括一个烧结处理过程升温阶段4a和一个烧结处理过程降温阶段4b。此处，烧结处理过程升温阶段4a和烧结处理过程降温阶段4b的温度变化曲线可以为常规使用的温度变化曲线。在这种情况下，如果烧结处理步骤的温度变化按照温度变化曲线4而变化，则很有可能导致制造出来的太阳能电池eLID敏感性提高。为了避免上述情况的出现，需要引入一个退火处理步骤，该步骤集成在烧结步骤的降温阶段4b的过程中。换句话说，基体1的温度在退火处理时间内保持在一定的温度区间内，即高于下限温度并且低于上限温度，这样，烧结处理步骤中的降温阶段4b内，基体1就经过了退火处理。在图3所显示的实例中，具有另一个降温阶段52b的另一个退火处理步骤的退火温度曲线52在烧结处理阶段的降温阶段4b中构成了一个平台期。
附图标记列表：
1 基体
2 功能层
3 连续式加热炉
30 入口区域
31 第一个温度区域
32 第二个温度区域
33 第三个温度区域
34 出口区域
4 烧结步骤的温度变化过程
4a 烧结步骤的升温阶段
4b 烧结步骤的降温阶段
51 退火温度曲线
51a 升温阶段
51b 降温阶段
52 另一个退火温度曲线
52b 另一个降温阶段
Claims (12)
1.太阳能电池制造工艺，其包括一退火处理步骤，其中基体(1)经历一退火温度曲线(51，52)，在退火温度曲线(51，52)中，在至少3秒的退火时间内将温度保持在一个温度区间内，该温度区间的下限为大约400℃，上限为大约700℃。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，温度区间的下限为400℃、420℃、450℃或480℃和/或温度区间的上限为550℃、600℃、650℃或700℃。
3.根据权利要求1或者2所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，退火步骤包括一升温阶段(51a)和/或一降温阶段(51b，52b)，其中基体在退火过程中经历一退火温度曲线(51，52)，在退火步骤的升温阶段(51a)和/或降温阶段(51b，52b)最大斜率为100开尔文每秒(K/s)、70K/s、50K/s或30K/s。
4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，基体经过一个烧结步骤，一个烧结步骤的升温阶段或者一个烧结步骤的降温阶段，通过上述处理，在基体表面上涂覆的金属化浆料形成了一个金属化层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池制造工艺，该工艺过程中包括一个烧结处理升温阶段，其特征在于，退火处理步骤集成在烧结处理步骤的降温阶段内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，基体在退火处理步骤的过程中被光照射或者被通电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，基体由单晶半导体或者多晶半导体构成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，基体的一面或者两面覆盖有具有表面钝化性能的钝化层。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，背面钝化层采用以氧化铝层、氮氧化铝层和/或由氧化铝、氮氧化铝和氮氧化硅和/或氮化硅中的若干物质构成的多层结构构成。
10.根据权利要求8或9所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，正面钝化层由氮氧化硅或氮化硅构成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池制造工艺，其特征在于，抗反射层是由氮氧化硅或者氮化硅构成。
12.太阳能电池处理工艺，其中太阳能电池经历一退火温度曲线(51，52)，在退火温度曲线(51，52)中，在至少3秒的退火时间内将温度保持在一个温度区间内，该温度区间的下限为大约400℃，上限为大约700℃。
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