CN104681664B - 太阳能电池生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池生产方法，其中将一种金属化浆料(2)涂覆在基体(1)的表面(11)上，并通过在烧结工序中对基体进行处理，由金属化浆料产生一个金属化层(21)，烧结工序包含一个加热阶段(51a、52a)和一个接下来的冷却阶段(51b、52b)，在加热阶段基体沿着一条温度变化曲线(51、52)被加热至最高温度，而在冷却阶段基体沿着一条温度变化曲线(51、52)从最高温度冷却降温；其特征在于：基体温度变化曲线(51、52)在烧结工序加热阶段(51a、52a)和/或冷却阶段(51b、52b)的最大斜率为每秒100开尔文(100K/s)、70K/s、50K/s或30K/s。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池生产方法。
背景技术
当前太阳能电池结构中可能出现衰减，表现为太阳能电池性能或者效率的突然下降。通常情况下这种衰减出现在太阳能电池运行期间，其中工作参数比如入射光的光照强度和工作温度，可能对衰减的出现存在重要影响。也就是说衰减在太阳能电池运行过程中产生。
最近人们发现，由于光线照射在硅片内部形成的复合缺陷可能是太阳能电池衰减的原因。所以这种效应又被称为光致衰减(LID-光致衰减)，其出现原因主要是在硅晶体中形成了硼氧复合体。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。
但即使当太阳能电池由硼和氧含量降低的硅晶片生产时，仍然出现衰减效应，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。除了期间已经为人们所知的硼-氧衰减效应(硼氧衰减或LID)之外还存在另外的衰减效应，比如通过2012年第二十七届欧洲光伏会议暨展览会(EUPVSEC)期间K.Ramspeck等人发表的文章“Light Induced Degradation of Rear Passicated mc-SiSolar 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生产方法，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。
根据本发明，上述目的通过权利要求所描述的太阳能电池生产方法达到。本发明的优选方案在从属权利要求中列出。
为了将这里的重要衰减效应与被称为光致衰减(LID)的衰减机理相区分，下文中将提到一种所谓的eLID。该名称表示一种增强的光致衰减效应(eLID–增强的光致衰减)。尽管标准太阳能电池中也可能出现eLID，但是eLID主要出现在以多晶硅半导体为基础的太阳能电池中，这种太阳能电池氧含量较少，因而具有较低的LID敏感性。新的太阳能电池设计方案表现出较高的eLID敏感性，比如PERC-太阳能电池或者其他采取表面钝化措施的太阳能电池，尤其是那些通过钝化层局部接触的太阳能电池。
本发明建立在以下认识的基础上：太阳能电池对于上述衰减的敏感性，即太阳能电池的eLID敏感性，主要取决于太阳能电池生产过程中的生产参数。发明人发现，衰减建立在与已知硼-氧衰减相区别的另一种衰减机理的基础上。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。
与LID敏感性类似，eLID敏感性极有可能导致生产的太阳能电池，经过阳光照射或者通电后产生衰减。虽然在概念LID或eLID中包含词语“光(导)致”，但衰减也可由于通电(即在太阳能电池上施加一个电压从而在导通方向产生电流)而出现。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。
本发明的主要观点基于以下认识：烧结过程或烧结工序是影响太阳能电池eLID敏感性的一个重要因素。为了完成浆料金属化，金属化浆料被涂覆在基体表面，并通过烧结基体由金属化浆料产生一个金属化层。这个烧结工序极易导致将来的太阳能电池出现eLID敏感性。目前尚不清楚哪种效应导致eLID。LID的衰减机理以硼氧复合体形成为基础，而在eLID中可能多种不同机理同时起作用。不过目前已经知道，烧结工序导致产生eLID敏感性的主要原因并不是基体承受的最高温度，而是烧结期间基体所经历温度变化梯度。
eLID本身表现为太阳能电池效率出现若干个百分点的下降，有时下降幅度至少达到3％、5％、7％、9％或更高。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。
基体所经历烧结工序包含一个加热阶段和一个冷却阶段。在加热阶段，基体沿着一条温度变化曲线被加热到最高温度。在接下来的冷却阶段，基体沿着温度变化曲线从最高温度冷却降温，最好降至加热阶段开始的初始温度，或者冷却至室温或环境温度。烧结期间基体的温度变化曲线，在加热阶段和/或冷却阶段的最大斜率为每秒100开尔文(K/s)，这个斜率最好是70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在某些结构形式中采取以下做法可能具有优势：加热阶段温度变化曲线的最大斜率为100K/s、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s，而冷却阶段温度变化曲线采用与加热阶段不同的最大斜率，其值为100K/s、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在这里需要强调的是：上面所指为最大斜率绝对值(尤其是在斜率为负的冷却阶段)。通过将基体上温度随时间的变化值维持在某一规定值以内，按照相应生产工艺制造的太阳能电池可以显著减小或完全避免eLID敏感性。如果(比如)基体在一个温度变化的空间内移动，可以通过空间温度的变化实现温度随时间的变化。尤其可以通过使基体穿越一个连续加热炉完成整个烧结工序。
根据本发明的一个优化设计，最高温度高于400℃、450℃、500℃、600℃或700℃。烧结工序中采用较大的最高温度值，可以使基体表面和所产生金属层实现紧密结合。此外较高的最高温度还可以使浆料金属化生产参数范围得到更好利用。比如可以采用以下设计：烧结工序中加热阶段和/或冷却阶段的基体温度变化曲线包含一个或者多个平台，在平台位置温度随时间的变化梯度几乎为零。但也可以不依赖所选择最高温度设计一个或者多个上述平台。
太阳能电池的加热可以借助于指向基体表面的热能实现。在本发明的一个优化设计中，加热阶段到达基体的加热能量不超过以下最大功率密度：每平方厘米30瓦(30W/cm2)、25W/cm2、20W/cm2或15W/cm2。借助这种加热能量限制措施，可以确保基体温度变化曲线斜率不超过要求值或规定值。
在本发明的一个优选方案中，加热阶段对基体进行单面照射以便加热基体。在这里可以选择从覆盖金属化浆料的侧面或者从与金属化浆料相对的侧面照射基体，以便对基体进行加热。当然在加热阶段加热基体时，也可以从两面对基体进行照射。为了仅从底面或者另外从底面照射基体，可以将基体布置在一个输送装置上，这个输送装置仅固定基体的边缘区域。
在一个合理结构形式中，基体的一面或两面覆盖有实现表面钝化的钝化层。这种钝化层尤其可以设计在涂有金属化浆料以便产生浆料金属化的基体表面上。在这种情况下可以在烧结工序之前或之后额外进行激光烧制接触处理(LFC)。尤其可以使用氧化铝、氮氧化铝、氧化硅和/或氮化硅作为钝化层。也可以使用多个相互重叠的钝化层，比如一个实现化学钝化的钝化层和一个实现场效应钝化的钝化层。
上述钝化层适合作为背面钝化层和/或正面钝化层，尤其可以使用氧化铝、氮氧化铝层，和/或由氧化铝、氮氧化铝、氮氧化硅和/或氮化硅组成的重叠层作为背面钝化层，而氮氧化硅或氮化硅层适合作为正面钝化层和/或抗反射涂层。
烧结工序中可以在金属化层下面构成一个背面场(Back Surface Field，BSF)，这种做法尤其适用于背面产生金属化层的情况。在这里金属浆料可以涂覆在基体的一面或两面。背面浆料金属化层可以基本覆盖基体表面，而正面浆料金属化层应按照某种结构形成(比如以金属格栅的形式)。
在一个优化结构形式中，基体由单晶、聚晶或者多晶半导体构成。基体尤其可以通过硅制成。
附图说明
下面参照附图通过实施例阐述本发明，其中：
图1a)至e)是用于解释太阳能电池生产工艺步骤的示意图；和
图2是用于表述不同烧结工序中温度变化曲线的图表。
具体实施方式
图1a)至1e)示出了太阳能电池生产过程中的各个步骤。借助这些示意图尤其可以阐明浆料金属化过程。首先要按图1a)所示提供带有基体表面11的基体1。接下来如图1b)所示，上述基体表面11覆盖一层金属化浆料2。接着单面涂覆金属化浆料2的基体1穿过一个执行烧结工序的连续式加热炉3。
简单地看，图中所示连续式加热炉3具有三个温度范围31、32、33。基体1在一个入口区域30进入连续式加热炉3，并在经过全部三个温度范围31、32、33后通过一个出口区域34离开连续式加热炉。基体1在第一温度范围31被加热。也就是说基体经历一个温度变化曲线的加热阶段。在第二温度范围32，基体1达到最高温度。最后当基体1在连续式加热炉3中穿过第三温度范围33时，经历一个温度变化曲线的冷却阶段。
图1c)展示了基体1进入连续式加热炉3和经过温度范围31的情况。然后基体1位于第二温度范围32，如图1d)所示。在这里基体达到温度变化曲线中的最高温度。如图1d)所示，在基体1中的金属化浆料2或金属浆料下面，因金属化浆料2中材料的扩散形成了一个背面场22，这个背面场既可用于太阳能电池的接触，又可用于其表面11的钝化。此外通过烧结工序，从金属化浆料2中产生出一个金属化层21。
接下来如图1e)所示，基体1穿过第三温度范围并冷却，以便通过出口区域34离开连续式加热炉3。
图2展示了一个包含四个不同温度变化曲线41、42、51、52的图表。它们都是一个烧结工序的温度变化曲线，该烧结工序的目的是通过金属化浆料2在基体表面11上产生金属化层21。图表中沿着x轴绘制了时间，单位为秒(s)；沿着y轴绘制了温度，单位为℃。第一条温度变化曲线41和第二条温度变化曲线42属于温度梯度较高的烧结过程(根据不同结构形式)中所采用温度变化曲线。两条温度变化曲线41、42加热阶段的最大斜率约为60K/s。第一条温度变化曲线41的最高温度为550℃，而第二温度变化曲线42的最高温度约为600℃。第一条温度变化曲线41冷却阶段的最大斜率约为-26K/s，而第二条温度变化曲线42冷却阶段的最大斜率约为-33K/s。也就是说基体1在第二温度变化曲线42中的冷却速度快于温度变化曲线41，或者说在采用第二温度变化曲线时，基体在冷却阶段的温度变化梯度较大。
两条温度变化曲线41、42满足加热阶段和冷却阶段最大斜率不超过100K/s的要求。其中所生产太阳能电池的eLID敏感性有轻微下降。不过为了确保生产的太阳能电池不出现eLID，温度变化曲线的最大斜率应取更小值。这就意味着，在烧结工序中基体被更加缓慢地加热和/或冷却。
图2所示另外两条温度变化曲线51、52，在eLID敏感性方面明显更有优势。图中展示了一条防止eLID的温度变化曲线51和另一条防止eLID的温度变化曲线52。第一条防止eLID的温度变化曲线51，包含一个最大梯度或者最大斜率为25K/s的加热阶段51a和一个最大斜率为-30K/s的冷却阶段51b。防止eLID的温度变化曲线51所达到最高温度为600℃。在未接触基体(这些基体经历上述温度变化曲线)上进行的载流子寿命测量表明，即使在高温条件下经过长时间照射，也不会出现eLID征兆。也就是说这样生产的太阳能电池不容易出现eLID。
图2所示另一条防止eLID的温度变化曲线52至少在加热阶段具有更小的最大斜率。这条温度变化曲线具有最大斜率为16K/s的加热阶段52a和最大斜率为-39K/s的冷却阶段52b。经历这一条防止eLID的温度变化曲线52时，基体1所达到最高温度为700℃。也就是说，加热阶段52a的最大斜率显著小于加热阶段51a的最大斜率。但是因为冷却阶段52b的最大斜率显著高于30K/s，采用这种方式生产的太阳能电池尽管eLID敏感性很小，还是略微高于烧结工序中采用防eLID温度变化曲线51的太阳能电池。这一点也可通过未接触基体上的载流子寿命测量(经过相应照射后)予以证实。
附图标记列表：
1 基体
11 基体表面
2 金属化浆料
21 金属化层
22 背面场
3 连续式加热炉
30 入口区域
31 第一温度范围
32 第二温度范围
33 第三温度范围
34 出口区域
41 第一条温度变化曲线
42 第二条温度变化曲线
51 防止eLID的温度变化曲线
51a 加热阶段
51b 冷却阶段
52 另一条防止eLID的温度变化曲线
52a 另一个加热阶段
52b 另一个冷却阶段
Claims (12)
1.太阳能电池生产方法，其中将一种金属化浆料(2)涂覆在基体(1)的表面(11)上，并通过在烧结工序中对基体进行处理，由金属化浆料生成一个金属化层(21)，烧结工序包含一个加热阶段(51a、52a)和一个接下来的冷却阶段(51b、52b)，在加热阶段基体沿着一条温度变化曲线(51、52)被加热至最高温度，而在冷却阶段基体沿着一条温度变化曲线(51、52)从最高温度冷却降温，其中：基体温度变化曲线(51、52)在烧结工序加热阶段(51a、52a)和/或冷却阶段(51b、52b)的最大斜率为每秒100开尔文(100K/s)；使基体(1)的一面或两面覆盖有使表面钝化的钝化层；由氧化铝、氮氧化铝层产生背面钝化，或者用氧化铝、氮氧化铝、氮氧化硅和/或氮化硅组成的重叠产生背面钝化层。
2.根据权利要求1的太阳能电池生产方法，其特征在于：所述最大斜率为30K/s。
3.根据权利要求1的太阳能电池生产方法，其特征在于：最高温度高于400℃。
4.根据权利要求1的太阳能电池生产方法，其特征在于：最高温度高于700℃。
5.根据权利要求1或2所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：加热阶段(51a、52a)到达基体(1)的加热能量不超过最大功率密度每平方厘米30瓦(30W/cm2)。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：通过使基体穿过连续式加热炉(3)完成烧结工序。
7.根据前述权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：在加热阶段对基体(1)进行单面照射，以便将基体(1)加热。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：在加热阶段，从覆盖金属化浆料的侧面或者从与金属化浆料相对的侧面照射基体(1)，以便对基体(1)进行加热。
9.根据权利要求1或2所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：由氮氧化硅或氮化硅加工一个正面钝化层。
10.根据前述权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：由氮氧化硅或氮化硅加工一个抗反射涂层。
11.根据前述权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：将金属化浆料涂覆在背面并由此产生一个背面金属化层(21)，在烧结工序中背面金属化层(21)下部形成一个背面场。
12.根据前述权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池生产方法，其特征在于：基体(1)由一种单晶半导体或多晶半导体构成。
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