CN105047742A - 一种双面n型晶体硅电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面N型晶体硅电池，包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极p+层、N型硅片、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，电池正面与背面均为制绒表面，可以双面受光发电，硼发射极钝化层和背面钝化层是经过低温干法热氧化生长SiO2层同时制备而成，降低界面态密度，降低了界面复合速率；利用扩散过程形成的硼硅玻璃层和氮化硅层叠层薄膜做为硼发射极保护层，有效防止化学溶液对硼扩散面的刻蚀及磷扩散的交叉污染，减少了制程中多次刻蚀和掩膜沉积过程，简化了工艺流程。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产技术领域，特别是一种双面N型单晶硅电池结构及其制备方法。
背景技术
目前晶体硅电池是太阳能电池市场的主流产品，晶硅太阳能电池从材料基体类型上又可以分为P型晶硅电池和N型晶硅电池。相对于P型单晶硅电池，N型单晶硅电池具有光致衰减小、耐金属杂质污染性能好、少数载流子扩散长度长等特点。这是因为（1）P型电池光致衰减效应产生的原因在于P型晶硅衬底中的硼与氧的结合，因此欲从根本上解决光致衰减效应，就必须避免同时在硅衬底中出现硼和氧，改用N型晶硅代替P型硅作为基底是解决上述问题的有效途径；（2）铁等常见金属杂质对电子的俘获截面比对空穴的俘获截面大，所以在低注人情况下，N型硅比P型硅耐金属杂质污染性好，具有更长的少子寿命；（3）在太阳能级硅材料中，不同体电阻率的N型太阳能级硅少子寿命都在几百微秒到一毫秒之间，远远高于P型硅的水平，所以在一般的太阳光照情况下，N型电池对光照产生的少数载流子收集率高，有利于提高电池的光伏转换性能。目前商业化的高效电池都是在N型单晶的基底上完成的，典型的是美国的Sunpower的背接触电池（IBC）和日本三洋的异质结电池（HIT），光电转换效率分别达到24%和22%的水平，但制程中涉及到繁杂的制备步骤和特殊的设备，每瓦成本居高不下，降价潜力有限。
太阳能电池表面接收的太阳光除了直接由太阳辐射来的分量之外，还包括由空气、尘埃、天空悬浮物等散射引起的相当可观的间接辐射或散射辐射分量，这个分量可达直射的辐射总量的10～30％，在阳光不足的天气，这个比例还要增加。如果光线能从电池背面进入电池体内被吸收转化为电能，则太阳能的利用率即光电转化率将显著提高。所以双面受光的电池可以充分提高太阳电池的输出功率和硅材料的利用率，双面N型晶体硅电池结合了双面电池及N型硅材料的优点，已经成为目前研究的热点。寻求能够较好地兼容目前晶硅电池生产线设备，制备成本较低且效率较高的双面N型电池结构跟制备工艺流程对于降低太阳能电池每瓦成本和双面电池的推广应用至关重要。
发明内容
本发明旨在提供一种双面N型晶体硅电池的结构及其制备方法，制备工艺较为简单，能够与当前晶体硅电池制造生产线设备兼容，可降低成本，适于大规模工业化生产。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双面N型晶体硅电池结构，包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、前表面钝化层、硼扩散发射极p+层、N型基底、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，其特征在于：电池正面与背面均为绒面结构，能够实现双面受光发电，所述正面和背面钝化膜是经过热氧化同时制备而成，厚度为2～10nm。
上述双面N型晶体硅电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）将原始N型硅片进行清洗，去除表面的损伤层，制绒；
（2）将步骤（1）处理后的硅片的面贴面地放置进行单面硼扩散，这里称硼扩散面为正面，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为900～970℃，时间为30～60min，扩散方阻为50～80Ω/□；
（3）在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，氧气的流量为3－16slm，氧化时间为3－40min，直到降温至760℃～840℃；
（4）在氧化后的硼硅玻璃层上用等离子增强化学气相沉积（PECVD）的方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为25－50nm；
（5）把上述硅片置于单面化学蚀刻装置中，该化学刻蚀设备传送硅片的系统为为辊式运送系统，可以水平传送移动硅片，使硅片背面接触刻蚀溶液，去除硅片背面及侧边的扩散绕射层，刻蚀所用的化学溶液为硝酸、氢氟酸、硫酸和水的混合溶液。
（6）利用槽式制绒设备将硼扩散－PECVD镀膜的硅片背面进行碱式制绒刻蚀，硼扩散面的硼硅玻璃层及其上面的氮化硅层充当碱式刻蚀的保护掩膜，进一步去除硼扩散过程中在硅片背面形成的绕射扩散层，同时形成良好的正面随机金字塔绒面，降低背面对光的反射率；这一步制备的电池背面也是绒面，对光的反射小，光从背面入射时转化效率也高，正面背面效率都有所兼顾；
（7）将步骤（6）处理过的硅片正面面贴面放置，对硅片的背面进行单面磷扩散，扩散方阻为40～80Ω/□，硼扩散面上的硼硅玻璃和氮化硅层作为磷扩散的掩膜，防止磷扩散对硼扩散面的掺杂；
（8）利用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边结，此处硼扩散面上的硼硅玻璃和氮化硅层可作为等离子体刻蚀过程中对硼扩散面保护层；
（9）利用HF溶液去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层（PSG），HF溶液质量分数为8％－20％，时间为5～20min，反应温度为20℃；
（10）将完成去除掩膜后的硅片放入氧化炉中在高纯氧气气氛中进行氧化钝化处理，氧化温度为650℃－790℃，氧化时间为5min－60min；
（11）在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜，厚度为65-80nm；
（12）在硅片的正面印刷AgAl浆电极，背面印刷Ag浆电极，烘干烧结，即可得到双面N型晶体硅太阳能电池。
本发明的有益效果是电池结构为正面背面均为绒面结构，可以双面受光发电；在制备工艺中对硼扩散推进完毕后的在硼发射极表面形成的硼硅玻璃层进行氧化处理，可降低硅与硼硅玻璃层界面处的B原子的浓度，从而降低界面态的密度，降低了界面复合速率，同时使得硼硅玻璃在后续的化学处理中容易被去除；采用经过氧化处理的硼硅玻璃层和氮化硅层叠层薄膜充当硼发射极的保护层，在后续碱腐蚀、磷扩散、等离子刻蚀过程中对硼发射极进行保护，防止化学溶液对硼扩散面的刻蚀及磷扩散的交叉污染，减少了制程中多次刻蚀和掩膜沉积的过程，简化了工艺流程；利用低温干法氧化在硼发射极和背面磷背场层上形成一层氧化硅层，降低表面悬键密度，可实现硼发射极和磷背场的钝化功能，可以提高电池的开路电压、短路电流和光电转换效率；另外因为氧化钝化温度在650℃－790℃，温度较低，对硼扩散及磷扩散的浓度曲线分布影响不大，易于控制；避免了硅片经历传统干法氧化的高温过程（850℃～1100℃），可以保持少子寿命不因高温过程而衰减。因此采用本发明的双面N型电池结构和工艺可以大大简化工艺流程，所使用的设备均是传统晶硅电池产线常备设备，兼容性强，提高了生产效率，降低生产工艺成本，具有积极的现实意义。
附图说明
图1是本发明的电池结构示意图；
其中，附图1标记为：1是正面AgAl电极；2是正面减反射膜(SiNx)；3是正面及背面氧化钝化层；4是硼扩散发射极层（p+层）；5是N型基体材料；6是磷扩散背场层（n+层）；7是背面减反射膜（SiNx）；8是背面Ag金属电极。
具体实施方式
实施例1
一种双面N型晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅为衬底，将硅片进行清洗、制绒，N型单晶硅衬底的电阻率为1~12Ω·cm，厚度为170~200mm；
(2)将上述硅片面贴面地放置进行单面硼扩散，硅片硼扩散面为正面，方块电阻为60Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为970℃，时间为50min；
(3)在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，直到降温至790℃，氧气的流量为3－16slm，，优选5slm，氧化时间为3－40min，优选20min；
(4)在氧化后的硼硅玻璃层上用PECVD方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为25－50nm，优选35nm；
(5)把上述硅片置于单面化学蚀刻装置中，该化学刻蚀设备传送硅片的系统为为辊式运送系统，可以水平传送移动硅片，使硅片背面接触刻蚀溶液，去除硅片背面及侧边的扩散绕射层，刻蚀所用的化学溶液为硝酸、氢氟酸、硫酸和水的混合溶液；
(6)利用槽式制绒设备将硼扩散－PECVD镀膜的硅片背面进行碱式制绒刻蚀，刻蚀液采用双氧水、氢氧化钠、制绒缓释剂混合溶液，其中氢氧化钠质量分数为1％－3％，溶液温度为65－85℃；
(7)把（6）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为30－40min，扩散方阻为50－80Ω/□；
(8)利用等离子体刻蚀或激光划刻的方法去除磷扩散形成的周边结；
(9)利用HF溶液去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层（PSG），HF溶液质量分数为8％－20％，优选15％，时间为5～20min，反应温度为20℃；
(10)将完成去除掩膜后的硅片放入氧化炉中在高纯氧气气氛中进行氧化钝化处理，氧化温度为650℃－790℃，优选730℃，氧化时间为5min－60min；
(11)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为65－75nm；
(12)利用丝网印刷设备在硅片正面印刷AgAl浆，背面印刷Ag浆，烧结，制备出双面N型晶体硅电池。
如图1所示，制备得到的电池包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极p+层、N型硅片、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，电池正面与背面均为制绒表面，所述硼发射极钝化层和背面钝化层是经过热氧化生长SiO2层同时制备而成。
实施例2
一种双面N型晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅为衬底，将硅片进行清洗、制绒，N型单晶硅衬底的电阻率为1~12Ω·cm，厚度为170~200mm；
(2)将上述硅片面贴面地放置进行单面硼扩散，硅片硼扩散面为正面，方块电阻为65Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为950℃，时间为50min；
(3)在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，直到降温至790℃，氧气的流量为3－16slm，，优选5slm，氧化时间为3－40min，优选20min；
(4)在氧化后的硼硅玻璃层上用PECVD方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为45nm；
(5)把上述硅片置于单面化学蚀刻装置中，该化学刻蚀设备传送硅片的系统为为辊式运送系统，可以水平传送移动硅片，使硅片背面接触刻蚀溶液，去除硅片背面及侧边的扩散绕射层，刻蚀所用的化学溶液为硝酸、氢氟酸、硫酸和水的混合溶液；
(6)利用槽式制绒设备将硼扩散－PECVD镀膜的硅片背面进行碱式制绒刻蚀，刻蚀液采用双氧水、氢氧化钠、制绒缓释剂混合溶液，其中氢氧化钠质量分数为1％－3％，溶液温度为65－85℃；
(7)把（6）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为15－30min，扩散方阻为50Ω/□；
(8)利用等离子体刻蚀或激光划刻的方法去除磷扩散形成的周边结；
(9)利用HF溶液去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层（PSG），HF溶液质量分数为10％，时间为10min，反应温度为20℃；
(10)将完成去除掩膜后的硅片放入氧化炉中在高纯氧气气氛中进行氧化钝化处理，氧化温度为650℃，氧化时间为60min；
(11)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为65－80nm；
(12)利用丝网印刷设备在硅片正面印刷AgAl浆，背面印刷Ag浆，烧结，制备出双面N型晶体硅电池。
如图1所示，制备得到的电池包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极p+层、N型硅片、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，电池正面与背面均为制绒表面，所述硼发射极钝化层和背面钝化层是经过热氧化生长SiO2层同时制备而成。
实施例3
一种双面N型晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅为衬底，将硅片进行清洗、制绒，N型单晶硅衬底的电阻率为1~12Ω·cm，厚度为170~200mm；
(2)将上述硅片面贴面地放置进行单面硼扩散，硅片硼扩散面为正面，方块电阻为50Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为970℃，时间为60min；
(3)在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，直到降温至790℃，氧气的流量为3－16slm，，优选5slm，氧化时间为3－40min，优选20min；
(4)在氧化后的硼硅玻璃层上用PECVD方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为50nm；
(5)把上述硅片置于单面化学蚀刻装置中，该化学刻蚀设备传送硅片的系统为为辊式运送系统，可以水平传送移动硅片，使硅片背面接触刻蚀溶液，去除硅片背面及侧边的扩散绕射层，刻蚀所用的化学溶液为硝酸、氢氟酸、硫酸和水的混合溶液；
(6)利用槽式制绒设备将硼扩散－PECVD镀膜的硅片背面进行碱式制绒刻蚀，刻蚀液采用双氧水、氢氧化钠、制绒缓释剂混合溶液，其中氢氧化钠质量分数为1％－3％，溶液温度为65－85℃；
(7)把（6）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为15－30min，扩散方阻为70Ω/□；
(8)利用等离子体刻蚀或激光划刻的方法去除磷扩散形成的周边结；
(9)利用HF溶液去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层（PSG），HF溶液质量分数为20％，时间为5min，反应温度为20℃；
(10)将完成去除掩膜后的硅片放入氧化炉中在高纯氧气气氛中进行氧化钝化处理，氧化温度为790℃，氧化时间为20min；
(11)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为65－80nm；
(12)利用丝网印刷设备在硅片正面印刷AgAl浆，背面印刷Ag浆，烧结，制备出双面N型晶体硅电池。
如图1所示，制备得到的电池包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极p+层、N型硅片、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，电池正面与背面均为制绒表面，所述硼发射极钝化层和背面钝化层是经过热氧化生长SiO2层同时制备而成。
Claims (11)
1.一种双面N型晶体硅电池，包括前表面AgAl电极、前表面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极p+层、N型硅片、磷扩散n+背表面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，其特征在于：电池正面与背面均为制绒表面，所述硼发射极钝化层和背面钝化层是经过热氧化生长SiO2层同时制备而成，厚度为2～10nm。
2.制备权利要求1中的双面N型晶体硅电池结构的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将原始N型硅片进行清洗，去除表面的损伤层，制绒；
（2）将步骤（1）处理后的硅片面贴面地放置进行单面硼扩散，硼扩散面为正面，采用三溴化硼液态源扩散，扩散方阻为50～80Ω/□，扩散温度为900～960℃，时间为30～60min；
（3）在硼扩散结束降温至780℃～850℃时，通入氧气对硼扩散面进行氧化形成硼硅玻璃层；
（4）在氧化后的硼硅玻璃层上用等离子增强化学气相沉积的方法沉积一层氮化硅薄膜；
（5）将硅片的背面进行单面化学刻蚀，去除损伤层，去除由硼扩散导致的在正面的绕射扩散层；
（6）将（5）中的硅片利用槽式制绒设备对硅片背面进行碱式制绒刻蚀，在背面形成随机金字塔绒面；
（7）将硅片的正面面贴面放置，在管式炉中进行单面磷扩散，硅片背面为磷扩散面，扩散方阻为40～80Ω/□；
（8）去除磷扩散形成的周边结、杂质玻璃层；
（9）去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层；
（10）利用干法氧化在正面硼发射极面和背面磷背场面上制备钝化层；
（11）在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜；
（12）在硅片的两面分别印刷金属电极，烧结，即可得到双面N型晶体硅太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的氧化过程中通入氧气的流量为0.1－10slm，氧化时间为3－40min。
4.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的沉积温度为400～450℃，沉积厚度为25－50nm。
5.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（5）的化学刻蚀采用的系统为辊式运送化学刻蚀系统，化学刻蚀所用的化学溶液为硝酸、氢氟酸、硫酸和水的混合溶液。
6.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（6）采用双氧水、氢氧化钠、制绒缓释剂混合溶液进行腐蚀制绒，其中氢氧化钠质量分数为1％－3％，溶液温度为65－85℃。
7.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（8）采用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边。
8.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（9）采用HF溶液去除硅片正面的硼硅玻璃层和氮化硅层，去除背面磷扩散形成的磷硅玻璃层（PSG），HF溶液质量分数为8％－20％，时间为5～20min，反应温度为20℃。
9.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（10）将完成去除掩膜后的硅片放入氧化炉中在高纯氧气气氛中进行氧化钝化处理，氧化温度为650℃－790℃，氧化时间为5min－60min。
10.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（11）采用PECVD工艺在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜，厚度为65-80nm。
11.根据权利要求2所述的双面N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（12）在硅片的正面印刷AgAl浆电极，背面印刷Ag浆电极，烘干烧结，即可得到双面N型晶体硅太阳能电池。
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