CN104752562A - 一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)选取p型单晶硅片，经前处理后在背面覆盖钝化层；(2)在钝化层上设置硼源；(3)利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂；(4)在局部硼掺杂区域上方设置含银浆料；(5)在硅片背面全部覆盖铝层，经后续处理制成局部硼背场背钝化太阳能电池。该方法能使背面金属化接触面积减小，降低背表面复合、横向电阻和接触电阻，增加电池和组件的电流开压和填充因子，提高电池和组件的光电转换效率。

Description

一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法。
背景技术
光伏技术是一门利用大面积的p-n结二极管将太阳能转化为电能的技术。这个p-n结二极管叫做太阳能电池。制作太阳能电池的半导体材料都具有一定的禁带宽度，当太阳能电池受到太阳辐射时，能量超过禁带宽度的光子在太阳电池中产生电子空穴对，p-n结将电子空穴对分离，p-n结的非对称性决定了不同类型的光生载流子的流动方向，通过外部电路连接可以向外输出功率。这跟普通的电化学电池原理类似。
工业化生产p型晶硅太阳能电池通常采用全铝背场结构，即在p型晶硅的背面整面印刷铝浆，通过高温烧结后同时形成高浓度铝掺杂背场和铝硅欧姆接触。这种结构的缺点是铝背场结构对背面钝化的效果有限，以及背面对未被吸收的入射光反射效果低，从而限制了电池的电压和电流性能的提高。因此，在p型晶硅电池背表面上增加一层具有钝化效果的薄膜，并利用局部背场可以克服以上缺点。钝化膜可以有效钝化硅材料表面，降低光生载流子硅表面复合速率，提高少数载流子的有效寿命，从而促进太阳能电池光电转化效率的提升。钝化膜同时具有增加背面反射的效果，从而增加硅体材料对太阳光的吸收，提高光生载流子的浓度从而增加光电流密度。钝化膜的种类和制备方法包括：PECVD非晶硅薄膜、PECVD SiCx薄膜、热氧或湿氧形成的氧化硅薄膜、SiO2/SiNx叠层薄膜、CVD、MOCVD、PECVD、APCVD或者ALD制备的Al2O3薄膜、Al2O3/SiNx叠层薄膜等等。
为了能将电流导出，通常需要在背面钝化膜上开孔状或线状导电通道，再将金属通过这些导电通道与晶硅基体形成欧姆接触。目前工业界最普遍的做法是利用激光或者化学腐蚀开孔或者开线，再印刷铝浆覆盖在背面钝化膜上，通过烧结后形成局部铝背场金属化接触。印刷铝浆一般采用铝浆覆盖全部背面区域。烧结后铝硅接触区域的宽度一般为50～80μm，其总面积一般只占整个电池背面的2～10％。合理选择局部背场(即孔状或线状导电通道)面积很重要。面积过小会增加背面的接触电阻和横向电阻，过大则增加了背面的复合速率，两种情况都会影响电池的光电转化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，该方法能使背面金属化接触面积减小，降低背表面复合、横向电阻和接触电阻，增加电池和组件的电流开压和填充因子，提高电池和组件的光电转换效率。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取p型单晶硅片，经前处理后在背面覆盖钝化层；
(2)在钝化层上设置硼源；
(3)利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂；
(4)在局部硼掺杂区域上方设置含银浆料；
(5)在硅片背面全部覆盖铝层，经后续处理制成局部硼背场背钝化太阳能电池。
在上述局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法中：
步骤(1)中所述的前处理优选包括制绒、清洗、磷扩散、去除背结和去除磷硅玻璃等工序；这些工序可以进行适当的顺序调整、缺失、替代等，步骤(1)中在背面覆盖钝化层后，还包括在硅片正面设置钝化、减反射层工序。其中正面钝化、减反射层可以是本领域常规的如采用PECVD技术制备的SiNx等。
步骤(1)中所述的钝化层优选为氧化铝和氮化硅中的一种或两种。
作为本发明的一种优选的技术方案，本发明步骤(2)中在钝化层上全部或部分区域设置有硼源。
本发明步骤(2)中所述的硼源优选为含硼浆料或沉积的氧化硼，含硼浆料一般包含含硼的化合物如氧化硼或者掺硼的其他介质如掺硼的纳米硅等，硼浆中的硼可以通过高温处理扩散到硅基体中形成p+层。
采用含硼浆料覆盖整个钝化层时，可以采用印刷的方式，印刷时可以整面印刷也可以镂空印刷以节约浆料。
所述的沉积的氧化硼可以为采用CVD方式沉积获得如PECVD、APCVD等，沉积温度为200～450℃，沉积的氧化硼厚度为0.5～2μm。
步骤(3)中利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂后，优选还包括清洗除去未被激光处理的硼源工序。如化学清洗用于去除已经多余的含硼浆料时，如果保留含硼浆料对电性能影响较小，可以考虑跳过此步骤。
步骤(3)中利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂(P+型硼掺杂)时，所述激光为纳秒级的纳秒激光，激光图形为点阵图形。
点阵图形中点单元(即最小单元)的形状优选为圆形，该圆形点单元的直径D为10～30μm，相邻两圆形点单元之间的间距P0为200～700μm，如图8中所示；或点阵图形中点单元的形状优选为线形，该线形点单元的宽度W1为10～30μm，长度L为10～100μm，相邻两线形点单元之间的间距P1为200～1000μm，如图9中所示。
其中激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂时，激光掺杂图形即局部背接触图形(局部背接触图形是激光掺杂时定义的)，银电极图形与激光掺杂图形匹配。利用高功率脉冲激光(单点激光能量一般为10～40μJ)按照局部背接触的图形将硼浆或氧化硼穿过背面钝化膜直接融入晶硅体内形成高浓度掺杂。
步骤(4)中所述含银浆料优选全部覆盖所述局部硼掺杂区域。覆盖面积可稍大于局部硼掺杂区域的面积。
步骤(4)中所述含银浆料优选采用含铝的银铝浆以便减少接触电阻，此含银浆料不能穿透背面钝化层以保证较高的开路电压。
本发明步骤(5)中在硅片背面全部覆盖铝层以连接所有含银浆料覆盖区域收集电流。
本发明步骤(5)中在硅片背面全部覆盖铝层，其中铝层可以通过丝网印刷或者磁控溅射等的方式覆盖在背面。
步骤(5)中所述的后续处理包括印刷正面电极和烧结。
本发明的原理是：
目前产业化生产的局部铝背场背钝化太阳能电池一般采用在背面钝化膜上激光开孔或者开线，再印刷铝浆烧结后形成局部铝背场。考虑到铝浆中的铝颗粒的直径平均在5～15μm，因此激光开孔或者开槽的宽度一般为30～60μm，烧结后铝硅合金的宽度一般拓宽为50～80μm，优化后的电池的铝硅合金总面积一般占背面的2～10％。过高的金属化面积限制了这种局部铝背场背钝化太阳能电池的开路电压和短路电流。
本发明通过硼掺杂局部背场替代铝硅合金局部背场，激光开膜的最小单元可以缩至10～20μm，在烧结后其宽度没有变化，因此可以将背面金属化的面积比例降低至0.1～0.5％，显著的提升了开路电压。
本发明中的这种局部硼背场背钝化电池除了提升开路电压还能降低背面的接触电阻和横向电阻。接触电阻的降低是因为硼在硅中的固浓度远高于铝在硅中的固浓度，在激光硼掺杂的高温作用下，硼的表面浓度甚至能达到1021atm/cm3，比铝在硅中的固浓度高两个数量级。横向电阻的降低是由于这种局部硼背场背钝化太阳能电池结构优化后的激光开孔点间距小于常规局部铝背场背钝化电池优化后的激光开孔点间距。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过在钝化层上设置硼源，利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂，同时将晶硅电池生产中常用的含银浆料印刷步骤用于背面，在局部硼掺杂区域上方设置含银浆料，形成和p+层即局部硼掺杂区域的局部接触，由于背面套印银浆印刷的总面积只占背面面积的0.5～1％，增加的成本很少，适合产业化推广；
(2)采用本发明中的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法制成的太阳能电池，这种太阳能的结构相比常规局部铝背场背钝化太阳能电池背面金属化接触面积更小，同时降低了背面的横向电阻和接触电阻，增加了电池和组件的电流开压和填充因子，从而提高了电池和组件的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明中局部硼背场背钝化太阳能电池的截面图，其中1为p型单晶硅；2为叠层钝化膜；3为局部银电极；4为背铝层；5为n型发射极；6为正面金属电极(Ag)；7为p+激光掺杂区域即局部背场；
图2是实施例1-2中在背面沉积钝化层(膜)；
图3是实施例1-2中在背面印刷含硼浆料或者APCVD沉积氧化硼B2O5；
图4是实施例1-2中利用激光将含硼浆料或氧化硼穿过背面钝化层(膜)直接融入晶硅体内形成高浓度掺杂；
图5是实施例1-2中化学清洗除去含硼浆料硼浆或氧化硼B2O5；
图6是实施例1-2中印刷银浆(含银浆料)覆盖激光掺杂区域；
图7是实施例1-2中印刷铝浆覆盖整个背面；
图8是实施例1中背面开孔图形，图中(1)为钝化膜，(2)为圆形；
图9是实施例2中背面开线图形，图中(1)为钝化膜，(3)为线形。
具体实施方式
实施例1
本实施例说明了一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，该制备方法的具体步骤如下：
A、选取电阻率在0.1～10Ω·cm的p型单晶硅片1，将其置于制绒槽中，在质量百分含量为0.5～5％的氢氧化钠去离子水溶液中，在温度为75～90℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
B、对硅片表面进行清洗，采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸及其他添加剂的一种或多种混合水溶液，清洗时间为0.5～60分钟，温度为5～90℃；
C、将以上制绒片进行清洗后，置于700～1000℃的炉管中进行磷(P)扩散制备n型发射极5，扩散时间为70～150min；扩散后发射极方块电阻为50～100ohms/sq；
D、将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机或者碱抛光机中去除背结和磷硅玻璃；
E、背面沉积5～30nm氧化铝(见图2)，再在氧化铝上沉积60～200nm(厚度)氮化硅形成叠层钝化膜2用于钝化背表面并增加背面光反射；
F、PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为75～88nm，折射率1.9～2.3之间；
G、背面印刷硼浆作为激光掺杂的硼源，如图3所示，在200℃的条件下烘干5分钟，烘干后硼浆的厚度为3～5μm；
H、利用激光在背面钝化膜2上开圆形孔8，同时将硼掺入硅基体，如图4所示，激光图形为点阵图形，点阵图形中点单元的形状为圆形孔，开孔直径D为20μm，孔间距P0为250μm；利用该点阵图形在背面钝化膜上形成相同形状的开孔，进而形成局部硼掺杂即p+激光掺杂区域7；
I、清洗掉硼浆，如图5中所示；
J、背面电极印刷：和常规晶硅电池背电极位置一样，在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
K、背面银浆印刷，将银浆覆盖激光开点，形成局部银电极3，形成的银点直径为50μm，如图6中所示；
L、背面印刷铝浆形成背铝层4用于连接所有银点将背面电流导出，如图7中所示；
M、正面电极印刷：在硅片磷扩散面(发射极面)上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极6，所采用的金属为银(Ag)；
N、高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为400～900℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银浆和局部硼背场形成欧姆接触。
按照上述方法制成的太阳能电池的截面图如图1中所示。
按照上述方法制成的一组局部硼背场背钝化太阳能电池的平均电性能数据如表1所示，结果表明，相比常规铝局部铝背场背钝化电池，本发明的局部硼背场背钝化电池能够提高太阳能电池的电流开压和填充因子，效率提升达到0.2～0.5％。
表1 本发明局部硼背场背钝化太阳能电池与局部铝背场背钝化太阳能电池的电性能对照
实施例2
本实施例说明了一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，该制备方法的具体步骤如下：
A、选取电阻率在0.1～10Ω·cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在质量百分含量为0.5～5％的氢氧化钠去离子水溶液中，在温度为75～90℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
B、对硅片表面进行清洗，采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸及其他添加剂的一种或多种混合水溶液，清洗时间为0.5～60分钟，温度为5～90℃；
C、将以上制绒片进行清洗后，置于700～1000℃的炉管中进行磷(P)扩散制备n型发射极，扩散时间为70～150min，扩散后发射极方块电阻为50～100ohms/sq；
D、将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机或者碱抛光机中去除背结和磷硅玻璃；
E、背面沉积5～30nm(厚度)氧化铝(见图2)，再在氧化铝上沉积60～200nm(厚度)氮化硅形成叠层钝化膜用于钝化背表面并增加背面光反射；
F、PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层，膜厚为75～88nm，折射率1.9～2.3之间；
G、在背面钝化层上全部采用APCVD沉积氧化硼作为激光掺杂的硼源，沉积温度为400℃，氧化硼厚度为1μm，如图3中所示；
H、利用激光将氧化硼穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂，如图4和图9中所示，激光图形为点阵图形，点阵图形中点单元的形状为线形9，该线形点单元的宽度W1为10～30μm，长度L为10～100μm，相邻两线形点单元之间的间距P1为200～1000μm，利用该点阵图形在背面钝化膜上形成相同形状的开线，进而形成局部硼掺杂，其中局部硼掺杂区域的形状可以根据局部背接触的图形需要，设定与具备背接触图像相适配的图形即可；
I、化学清洗氧化硼薄膜，如图5中所示；
J、背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极用于组件焊接；
K、背面银浆印刷，形成的银线覆盖激光开线区域，银线宽度为50μm，如图6中所示；
L、背面磁控溅射沉积铝层用于连接所有银线将背面电流导出，如图7中所示；
M、正面电极印刷：在硅片磷扩散面(发射极面)上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银(Ag)；
N、高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为400～900℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，背面银浆和局部硼背场形成欧姆接触。
按照上述方法制成的太阳能电池的截面图如图1中所示。
按照上述方法制成的一组局部硼背场背钝化太阳能电池的平均电性能数据如表2所示，结果表明，相比常规铝局部铝背场背钝化电池，本发明的局部硼背场背钝化电池能够提高太阳能电池的电流开压和填充因子，效率提升达到0.2～0.5％。
表2 本发明局部硼背场背钝化太阳能电池与局部铝背场背钝化太阳能电池的电性能对照
实施例3
本实施例说明了一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，该制备方法的具体步骤如下：
(1)选取p型单晶硅片，经前处理后在背面覆盖钝化层，如图2中所示，其中钝化层为氧化铝和氮化硅中的一种或两种，前处理包括制绒、清洗、磷扩散、去除背结和去除磷硅玻璃工序，在背面覆盖钝化层后，还包括在硅片正面设置钝化、减反射层工序；
(2)在钝化层上全部覆盖硼源，如图3中所示，硼源为含硼浆料，硼浆一般包含含硼的化合物如氧化硼或者掺硼的其他介质如掺硼的纳米硅，硼浆中的硼可以通过高温处理扩散到硅基体中形成p+层；也可以是沉积的氧化硼采用CVD方式沉积获得，沉积温度为200～450℃，沉积的氧化硼厚度为0.5～2μm，其中硼浆可以整面印刷也可以镂空印刷以节约浆料；
(3)利用高功率脉冲激光按照局部背接触的图形将硼浆或氧化硼穿过背面钝化膜直接融入晶硅体内形成高浓度掺杂，如图4中所示，激光一般为脉宽为纳秒级的纳秒激光，激光可以采用点阵图形，其最小单元可以用圆孔也可以用小线段等，如图8和图9中所示，开孔直径D为10～30μm，孔间距P0为200～700μm，小线段宽度W1为10～30μm，小线段长度L为10～100μm，线间距P1为200～1000μm；
(4)化学清洗去除未被脉冲激光处理的硼浆或者氧化硼薄膜并清洗表面，如图5中所示，如果保留硼浆对电性能影响较小，可以跳过此步骤；
(5)印刷银浆覆盖所有激光处理的区域，如图6中所示，覆盖面积可稍大于激光开孔或者小线段的面积，银浆可以采用含铝的银铝浆以便减少接触电阻，此银浆不能穿透背面钝化层以保证较高的开路电压；
(6)印刷铝浆覆盖整个硅片背面形成铝层以连接所有银浆覆盖区域收集电流，如图7中所示，铝层可以通过丝网印刷或者磁控溅射的方式覆盖在背面。
按照上述方法制成的太阳能电池的截面图如图1中所示。
上面列举一部分具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以上具体实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)选取p型单晶硅片，经前处理后在背面覆盖钝化层；
(2)在钝化层上设置硼源；
(3)利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂；
(4)在局部硼掺杂区域上方设置含银浆料；
(5)在硅片背面全部覆盖铝层，经后续处理制成局部硼背场背钝化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述的钝化层为氧化铝和氮化硅中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中在钝化层上全部或部分区域设置硼源。
4.根据权利要求1或3所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中所述的硼源为含硼浆料或沉积的氧化硼，所述的含硼浆料为氧化硼或掺硼纳米硅。
5.根据权利要求4所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：所述的沉积的氧化硼采用CVD方式沉积获得，沉积温度为200～450℃，沉积的氧化硼厚度为0.5～2μm。
6.根据权利要求1或3所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(3)中利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂后，还包括清洗除去未被激光处理的硼源工序。
7.根据权利要求1-3任一项所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(3)中利用激光将硼源穿过钝化层掺杂入硅基体内形成局部硼掺杂时，所述激光为纳秒级的纳秒激光，激光图形为点阵图形。
8.根据权利要求7所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：点阵图形中点单元的形状为圆形，该圆形点单元的直径D为10～30μm，相邻两圆形点单元之间的间距P0为200～700μm；或点阵图形中点单元的形状为线形，该线形点单元的宽度W1为10～30μm，长度L为10～100μm，相邻两线形点单元之间的间距P1为200～1000μm。
9.根据权利要求1所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(4)中所述含银浆料全部覆盖所述局部硼掺杂区域。
10.根据权利要求1所述的局部硼背场背钝化太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述的前处理包括制绒、清洗、磷扩散、去除背结和去除磷硅玻璃工序；步骤(1)中在背面覆盖钝化层后，还包括在硅片正面设置钝化、减反射层工序；步骤(5)中所述的后续处理包括印刷正面电极和烧结。
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