CN104992988B - 一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池表面钝化层及钝化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，所述的表面钝化层为设置在晶体硅太阳电池前表面和/或背表面的具有电介质‑金属‑电介质结构的复合薄膜叠层钝化层，所述的复合薄膜叠层钝化层包括第一层介质薄膜、第二层介质薄膜以及设于第一层介质薄膜和第二层介质薄膜之间的金属薄膜中间层。该表面钝化层具有电介质‑金属‑电介质的叠层结构，可以实现载流子向介质层注入，在具有良好钝化效果的同时实现了表面钝化结构的电流传输功能。还公开了利用增强导电性的表面钝化层实现晶体硅太阳电池表面钝化的方法。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池表面钝化层及晶体硅太阳电池表面钝化方法。
背景技术
目前，对晶体硅太阳电池表面进行钝化保护的薄膜材料主要包括二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、氮化硅（SiNx）、氢化非晶硅（a-Si:H）等薄膜材料，在硅片清洗过后，通过热氧化、蒸镀、原子层沉积（ALD）、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方法进行制备。这些钝化材料都具有高度的绝缘性，例如SiO2电阻率约为1018 Ω·cm，Al2O3电阻率约为1015 Ω·cm。高电阻率的薄膜不利于电流的传导，在对电池进行良好钝化的同时，阻隔了电流的对外传输。
现在的晶体硅太阳电池生产工艺普遍使用浆料烧结、激光打孔、掩膜开孔等方法对薄膜进行击穿，引出电流；或者在异质结钝化和接触电极钝化当中，采用超薄薄膜使电流可以量子隧穿通过薄膜。前一种方法破坏了钝化薄膜的完整性，而后一种方法的钝化效果无法跟正常厚度的钝化效果相比，两种方法都会减弱钝化膜的保护作用，影响硅片的钝化效果。同时这些结构也不能完全满足太阳电池对外传输电流的需求，容易引起电池的串联电阻过大，从而影响短路电流和填充因子。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，该表面钝化层具有电介质-金属-电介质的叠层结构，可以实现载流子向介质层注入，在具有良好钝化效果的同时实现了表面钝化结构的电流传输功能。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种使用上述具有良好导电性能的表面钝化层增强导电性的晶体硅太阳电池表面钝化方法，该方法无需对钝化膜进行开孔和烧穿，避免了钝化层的破坏和硅片少子寿命的降低，也无需通过超薄钝化来实现载流子的传输，提高了晶体硅太阳电池的钝化效果和导电性能。
本发明的第一个技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，所述的表面钝化层为设置在晶体硅太阳电池的前表面和/或背表面的具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层，所述的复合薄膜叠层钝化层包括第一层介质薄膜、第二层介质薄膜以及设于第一层介质薄膜和第二层介质薄膜之间的金属薄膜中间层。
其中：
所述的第一层介质薄膜的材质优选为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅和氢化非晶硅中的一种或几种；所述的金属薄膜中间层的材质优选为金、银、铜、铝、钯、铂、钛和镍中的一种或几种，所述的第二层介质薄膜的材质优选为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅和氢化非晶硅中的一种或几种。
其中第二层介质薄膜的材质可以和第一层介质薄膜的材质相同或者不同，不同材料之间可以自由组合。
本发明通过优化电介质-金属-电介质叠层结构，可以实现晶体硅太阳电池表面的光学减反和光学透过，同时由于中间金属层的加入，提高了薄膜叠层的机械应力和拉伸强度，使该电介质-金属-电介质叠层结构可以应用于柔性衬底。
所述的第一层介质薄膜优选采用旋涂法、热氧化、化学溶液氧化、真空蒸发、溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、分子束外延或金属有机物化学气相沉积法制成；所述的金属薄膜中间层优选采用喷涂法、丝网印刷法、真空蒸发、溅射或分子束外延法制成；所述的第二层介质薄膜优选采用旋涂法、真空蒸发、溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、分子束外延或金属有机物化学气相沉积法制成。
所述的第一层介质薄膜的厚度优选为1 nm~800 nm，折射率优选为1.1~4.0；所述的金属薄膜中间层的厚度优选为1 nm~10 μm；所述的第二层介质薄膜的厚度优选为1 nm~800 nm，折射率优选为1.1~4.0
所述的晶体硅太阳电池中采用的晶体硅片优选为单晶硅片、多晶硅片和微晶硅片，所述的晶体硅片的厚度优选为40 μm~800 μm。其中硅片切割技术包括金刚线切割和砂线切割等。
所述的晶体硅太阳电池中采用的晶体硅片优选为p型硅片、n型硅片或高阻硅片，所述的晶体硅片的电阻率优选为0.01 Ω·cm~5000 Ω·cm，掺杂浓度不限。
其中抛光面可以为机械抛光或化学抛光，绒面可以为金字塔绒面、倒金字塔绒面、酸制绒绒面或纳米线织构等表面形貌。
所述的晶体硅太阳电池为高温扩散晶体硅太阳电池或硅基异质结太阳电池。
上述表面钝化层可以通过以下方法制备获得：对硅片进行清洗或其它处理后，在硅片表面先制备第一层介质钝化薄膜，对硅片表面进行第一步钝化，然后在第一层介质钝化薄膜表面制备金属薄膜中间层，作为叠层薄膜导电性提高的“埋入层”，最后在金属薄膜中间层表面制备第二层介质钝化薄膜，实现导电钝化薄膜叠层的“三明治”结构。
本发明的第二个技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种利用上述表面钝化层增强导电性的晶体硅太阳电池表面钝化方法，包括以下步骤：通过在晶体硅太阳电池的前表面和/或背面设置上述表面钝化层来实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）在电介质-金属-电介质叠层薄膜材料结构中，由于金属功函数和介质层功函数的之间存在差异，金属中的自由载流子会向两边的介质层迁移，提高了钝化介质层的载流子浓度，使得介质层的电阻率降低，霍尔效应试验结果表明，二氧化硅薄膜的电阻率可从1018 Ω·cm降低到叠层二氧化硅的10-4 Ω·cm，氧化铝薄膜的电阻率可从1016 Ω·cm降低到叠层氧化铝的10-5 Ω·cm，大幅提高了整体膜系的导电性能，与此同时，由于介质层的晶体结构、原子组分、化学键合等方面并不会受到影响，因此基本保持原有的钝化效果；
（2）本发明整个表面钝化层膜系可以同时实现钝化和导电的功能；
（3）本发明通过优化膜层之间的厚度，可以实现可见光的高透过率，实现减反膜的功能；
（4）本发明表面钝化层的中间金属层的存在增强了薄膜叠层的机械强度，具有更好的延展性和抗应力疲劳的性能，可以适应不同的衬底形貌和衬底类型，对太阳电池的表面具有一定的力学保护作用。
附图说明
图1是实施例1中电介质-金属-电介质叠层薄膜对硅片表面进行钝化的结构示意图，其中21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜；
图2是实施例1中制绒后的硅片实现电介质-金属-电介质叠层薄膜钝化后的示意图，其中21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜；
图3是实施例2中电介质-金属-电介质叠层薄膜应用于晶体硅太阳电池前表面钝化的示意图，其中1为金属前电极，2为复合薄膜叠层钝化层，3为扩散p-n结，4为晶体硅，5为金属背电极，21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜；
图4是实施例3中电介质-金属-电介质叠层薄膜应用于晶体硅太阳电池背面钝化的示意图，其中1为金属前电极，2为复合薄膜叠层钝化层，3为扩散p-n结，4为晶体硅，5为金属背电极，21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜，6为普通SiNx:H钝化膜；
图5是实施例4中电介质-金属-电介质叠层薄膜应用于双面钝化的晶体硅太阳电池背面钝化的示意图，其中1为金属前电极，2为复合薄膜叠层钝化层，3为扩散p-n结，4为晶体硅，5为金属背电极，21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜；
图6是实施例5中电介质-金属-电介质叠层薄膜应用于异质结晶体硅太阳电池前表面钝化的示意图，其中1为金属前电极，2为复合薄膜叠层钝化层， 4为晶体硅，5为金属背电极，7为ITO，8为p+型a-Si:H薄膜，9为n+型a-Si:H薄膜，21为第一层介质薄膜，22为金属薄膜中间层，23为第二层介质薄膜。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明方法的一般实施步骤是：
（1）选取硅片，对硅片进行化学抛光或者酸碱制绒处理后，使用RCA清洗步骤进行硅片表面清洁，去除金属离子、有机物以及颗粒物等污染，最后使用氢氟酸去除硅片表面的氧化层；
（2）分别在前后表面制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层，首先制备1 nm~800 nm的第一层介质薄膜21，介质层材料包括二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅、氢化非晶硅中的一种或几种，再通过蒸发、溅射、旋涂、印刷等手段制备厚度范围为1 nm~400 nm的金属薄膜中间层22，这里的金属包括金、银、铜、铝、钯、铂、钛、镍中的一种或多种，然后在金属薄膜中间层表面制备1 nm~800 nm的第二层介质薄膜23覆盖在金属薄膜中间层表面，第二层介质薄膜材料包括二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅、氢化非晶硅中的一种或几种，其材料成分可与第一层相同，也可以与第一层不同，如此即可实现前表面的叠层钝化导电膜系的制备，钝化后的硅片结构的示意图如图1（抛光面）或图2（制绒面）所示。霍尔效应试验结果表明，本发明结构的叠层钝化导电膜系电阻率可低至10-4~10-5 Ω·cm，具有良好的导电性能。
实施例2
（1）选取晶体硅4，晶体硅4可以为p型或n型的硅片，硅片可为单晶硅、多晶硅或微晶硅，依次进行清洗、制绒后通过高温扩散的方法形成p-n结3，在去背结后使用等离子刻蚀去边；
（2）在前表面制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层2，首先制备1 nm~800 nm的第一层介质薄膜21，介质层材料包括二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅、氢化非晶硅中的一种或几种，再通过蒸发、溅射、旋涂、印刷等手段制备厚度范围为1nm~400 nm的金属薄膜中间层22，这里的金属包括金、银、铜、铝、钯、铂、钛、镍中的一种或多种，然后在金属薄膜中间层表面制备1 nm~800 nm的第二层介质薄膜23覆盖在金属薄膜中间层表面，第二层介质薄膜材料包括二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅、氢化非晶硅中的一种或几种，其材料成分可与第一层相同，也可以与第一层不同，如此即可实现前表面的叠层钝化导电膜系的制备；
（3）在硅片的前后表面都丝网印刷不含玻璃料的金属浆料，然后通过烧结形成金属前电极1、金属背电极5和太阳电池的欧姆接触，其中前表面具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层具有良好的导电性，金属浆料不需要烧穿表面的介质薄膜即可形成良好的电流传输效果。太阳电池器件结构的示意图如图3所示。
实施例3
（1）选取晶体硅4，晶体硅4为电阻率1~3 Ω·cm的p型硅片，使用20%wt的NaOH溶液在80℃下抛光10分钟，再使用碱溶液制绒得到金字塔结构后，用RCA清洗去除表面的金属离子、有机物、颗粒污染物，接着用氢氟酸去除表面氧化层，把硅片放进管式扩散炉里用三氯氧磷进行850℃高温扩散，形成p-n结3，扩散之后硅片进行去背结；
（2）在制备了p-n结的太阳电池的前表面用PECVD制备80 nm厚，折射率为2.1的普通SiNx:H薄膜6作为减反和钝化薄膜，在太阳电池的后表面制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层2，用ALD制备20 nm厚，折射率为1.8的Al2O3薄膜作为背面膜系的第一层介质薄膜21，然后用热蒸发真空设备蒸镀20 nm的Ag薄膜作为背面膜系的金属薄膜中间层22，最后用PECVD制备60 nm厚，折射率为1.8的Al2O3薄膜作为背面膜系的第二层介质薄膜23，为了防止前后漏电，在前后叠层薄膜制备完成之后进行等离子刻蚀去边；
（3）在太阳电池的前后表面丝网印刷金属浆料，前表面采用含有玻璃料的银浆浆料，后表面两次印刷形成不含玻璃料的铝-银金属栅线，用180~260 ℃的温度烘干后，在200~860 ℃的温区下进行金属栅线烧结，形成金属前电极1、金属背电极5，由于背面钝化膜层是导电的，因此背面的金属浆料不需要烧穿钝化膜与硅片表面接触，可以起到良好的钝化作用，同时与金属背面电极形成良好的欧姆接触。太阳电池的器件结构如图4所示。
实施例4
（1）选取晶体硅4，晶体硅4为电阻率1~3 Ω·cm的p型硅片，使用20%wt的NaOH溶液在80℃下抛光10分钟，再使用碱溶液制绒得到金字塔结构后，用RCA清洗去除表面的金属离子、有机物、颗粒污染物，接着用氢氟酸去除表面氧化层，把硅片放进管式扩散炉里用三氯氧磷进行850℃高温扩散，形成p-n结3，扩散之后硅片进行去背结；
（2）在制备了p-n结的太阳电池的前表面制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层2，用PECVD制备20 nm厚，折射率为2.1的SiNx:H薄膜作为前表面膜系的第一层介质薄膜21，然后用热蒸发真空设备蒸镀10 nm的Ag薄膜作为前表面膜系的金属薄膜中间层22，最后用PECVD制备60 nm厚，折射率为2.1的SiNx:H薄膜作为前表面膜系的第二层介质薄膜23。
（3）在太阳电池的后表面制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层2，用ALD制备20 nm厚，折射率为1.8的Al2O3薄膜作为背面膜系的第一层介质薄膜21，然后用热蒸发真空设备蒸镀20 nm的Ag薄膜作为背面膜系的金属薄膜中间层22，最后用PECVD制备60 nm厚，折射率为1.8的Al2O3薄膜作为背面膜系的第二层介质薄膜23，为了防止前后漏电，在前后叠层薄膜制备完成之后进行等离子刻蚀去边；
（4）前表面丝网印刷不含玻璃料的银浆浆料，后表面两次印刷形成不含玻璃料的铝-银金属栅线，用180~260 ℃的温度烘干后，用200~860℃的温区进行金属栅线烧结，形成金属前电极1、金属背电极5，由于钝化膜层是导电的，因此前表面和背面的金属浆料均不需要烧穿钝化膜与硅片表面接触，可以保持钝化薄膜的完整性，实现优良的钝化效果，同时与金属电极形成良好的欧姆接触。太阳电池的器件结构如图5所示。
实施例5
（1）选取晶体硅4，晶体硅4为电阻率1~3 Ω·cm的n型硅片，使用20%wt的NaOH溶液在80℃下抛光10分钟，再使用碱溶液制绒得到金字塔结构后，用RCA清洗去除表面的金属离子、有机物、颗粒污染物，接着用氢氟酸去除表面氧化层，使硅片表面形成H-terminal的洁净表面；
（2）在太阳电池的前、后表面分别制备具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层2，对晶体硅4进行高温氧化，在氮气气氛下通入氧气，晶体硅4前后均形成厚度约为10 nm的氧化硅薄膜作为第一层介质薄膜21，然后在前、后表面分别蒸镀10 nm的Ag薄膜作为膜系的金属薄膜中间层22，最后在前、后表面分别用电子束蒸发制备10 nm厚SiO2薄膜作为膜系的第二层介质薄膜23；
（3）在硅片前面使用PECVD制备厚度约为10 nm的p+型a-Si:H薄膜8，掺杂浓度为1018~1019，在硅片背面使用PECVD制备厚度约为10 nm的n+型a-Si:H薄膜9，掺杂浓度为1018~1019，p+型a-Si:H薄膜8和n+型a-Si:H薄膜9分别在前后表面形成非晶硅-晶体硅异质结结构，随后在太阳电池前、后表面通过电子束蒸发制备ITO 7，为了防止前后漏电，在前后叠层薄膜制备完成之后进行等离子刻蚀去边；
（4）前后表面丝网印刷不含玻璃料的低温银浆浆料，形成导电金属栅线，用180~260 ℃的温度烘干后，用200~460 ℃的温区进行金属栅线烧结，形成金属前电极1、金属背电极5，因为钝化膜层是导电的，因此前表面和背面的金属浆料均不需要烧穿钝化膜，可以保持钝化薄膜的完整性，实现优良的钝化效果，同时与金属电极形成良好的欧姆接触，太阳电池的器件结构如图6所示。
以上列举的具体实施例是对本发明进行的应用说明。需要指出的是，以上实施例只用于对本发明作进一步说明，本发明并不局限于以上所述的实施方式。其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的表面钝化层为设置在晶体硅太阳电池前表面和/或背表面的具有电介质-金属-电介质结构的复合薄膜叠层钝化层，所述的复合薄膜叠层钝化层包括第一层介质薄膜、第二层介质薄膜以及设于第一层介质薄膜和第二层介质薄膜之间的金属薄膜中间层。
2.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的第一层介质薄膜的材质为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅和氢化非晶硅中的一种或几种；所述的金属薄膜中间层的材质为金、银、铜、铝、钯、铂、钛和镍中的一种或几种，所述的第二层介质薄膜的材质为二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮氧化硅和氢化非晶硅中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的第一层介质薄膜采用旋涂法、热氧化、化学溶液氧化、真空蒸发、溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、分子束外延或金属有机物化学气相沉积法制成；所述的金属薄膜中间层采用喷涂法、丝网印刷法、真空蒸发、溅射或分子束外延法制成；所述的第二层介质薄膜采用旋涂法、真空蒸发、溅射、原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、分子束外延或金属有机物化学气相沉积法制成。
4.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的第一层介质薄膜的厚度为1 nm~800 nm，折射率为1.1~4.0；所述的金属薄膜中间层的厚度为1 nm~10 μm；所述的第二层介质薄膜的厚度为1 nm~800 nm，折射率为1.1~4.0。
5.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的晶体硅太阳电池中采用的晶体硅片为单晶硅片、多晶硅片和微晶硅片，所述的晶体硅片的厚度为40μm ~800μm。
6.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的晶体硅太阳电池中采用的晶体硅片为p型硅片、n型硅片或高阻硅片，所述的晶体硅片的电阻率为0.01 Ω·cm~5000 Ω·cm。
7.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的晶体硅太阳电池中采用的晶体硅片的表面为抛光面或绒面。
8.根据权利要求1所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层，其特征是：所述的晶体硅太阳电池为高温扩散晶体硅太阳电池或硅基异质结太阳电池。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的具有良好导电性能的晶体硅太阳电池的表面钝化层增强导电性的晶体硅太阳电池表面钝化方法，其特征是包括以下步骤：通过在晶体硅太阳电池的前表面和/或背面设置权利要求1-8任一项所述的具有良好导电性能的表面钝化层来实现。
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