CN105226115A - 一种n型晶硅电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种N型晶硅电池及其制备方法，该电池包括前表面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；电池正面为制绒结构，用以增加对光的吸收，背面为抛光结构，提升背面钝化效果和对长波的背反射效果，正面和背面的钝化膜是经过热氧化生成SiO2层同时制备而成；该制备工艺较为简单，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。
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N型晶硅电池及其制备方法。
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。随着将来硅片厚度的减薄，少数载流子的扩散长度接近或大于硅片的厚度，部分少数载流子将扩散到电池背面而产生复合，这将对电池效率产生重要影响。同时当硅片厚度降低到200μm以下时，长波长的光吸收减少，需要电池有良好的背反射性能。若在电池制作中加入背抛光工艺并结合介质膜钝化，则可降低表面负荷速率，提高开路电压又可以具有良好的背表面反射，从而提升长波段的响应。
发明内容
本发明旨在提供一种N型晶硅电池及其制备方法，该电池的正面为制绒结构以增加对光的吸收，背面为抛光结构，提升背面钝化效果和对长波的背反射效果；该制备工艺较为简单，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N型晶硅电池，包括前表面AgAl电极、正面减反射膜、硼发射极钝化层、硼发射极P+层、N型硅片、磷扩散N+背面场层、背面钝化层、背面减反射膜、背面Ag电极，其特征在于：所述电池的背面采用抛光结构，硼发射极钝化层和背面钝化层是经过热氧化生成SiO2层同时制备而成，厚度为2～10nm。
上述N型晶硅电池的制备方法，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N型硅片面贴面地放置进行单面硼扩散形成硼扩散面，即硼发射极P+层，硼扩散面为正面，扩散方阻为50～80Ω/□；
（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沉积一层氮化硅薄膜；
（5）对步骤（4）沉积后的N型硅片的背面利用碱溶液抛光，经过该步骤处理后的背面是抛光面，用于提升背面的钝化效果，增加电池正面效率；
（6）将N型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，即磷扩散N+背表面场层，扩散方阻为40～80Ω/□；
（7）去除磷扩散形成的周边结、杂质玻璃层；
（8）去除N型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；
（9）利用干法氧化在硼发射极P+层和磷扩散N+背表面场层上制备氧化硅钝化层；
（10）在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜；
（11）在硅片的两面分别印刷金属电极，烧结，即可得到N型晶硅太阳能电池。
步骤（2）中做单面硼扩散时，采用三溴化硼液态源扩散，扩散温度为900～960℃，时间为30～60min。
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。
步骤（4）中的沉积采用等离子增强化学气相沉积方法，的沉积温度为400～450℃，沉积厚度为25－50nm。
步骤（5）采用碱溶液进行腐蚀抛光，碱溶液中的氢氧化钠质量分数为15％－30％，碱溶液温度为65－85℃。
步骤（7）采用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边结。
步骤（8）采用HF溶液去除N型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，HF溶液的质量分数为8％－20％，去除时间为5～20min，反应温度为20℃。
步骤（9）中制备钝化层的过程是：将完成去除掩膜后的N型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。
步骤（10）采用用等离子增强化学气相沉积方法在N型硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜，氮化硅减反膜的厚度为60-80nm。
步骤（11）在N型硅片的正面印刷AgAl浆电极，背面印刷Ag浆电极，烘干烧结，即可得到N型晶硅太阳能电池。
本发明的有益效果是：
采用背面抛光结合介质膜钝化的电池结构，可以有效地降低背面复合速率，提高背面对长波的内反射率，提升长波光谱响应。制备工艺中对背面的抛光处理同时可以去除正面硼扩散时对背面的扩散绕射层；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，在后续碱抛光、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。另外因为氧化温度在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是前表面AgAl电极；2是前表面减反射膜(SiNx)；3是前表面氧化硅钝化层；4是硼扩散发射极P+层；5是N型硅片；6是磷扩散N+背表面场层；7是背面氧化硅钝化层；8是背面减反射膜（SiNx）；9是背面Ag金属电极。
具体实施方式
实施例1
一种N型晶硅电池的制备方法，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960℃，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)利用槽式制绒设备将（4）中的硅片背面进行碱式抛光处理，其中氢氧化钠质量分数为15％－30％，溶液温度为65－85℃；
(6)把（5）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，形成磷扩散N+背表面场层，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/□；
(7)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；
(8)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℃；
(9)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；
(10)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为60－80nm；
(11)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N型晶硅电池。
如图1所示，制备得到的N型晶硅电池，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，所述电池的背面采用抛光结构，正面和背面的钝化膜是经过热氧化生成SiO2层同时制备而成，厚度为2～10nm。
实施例2
一种N型晶硅电池的制备方法，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70Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为950℃，时间为45min；
(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)利用槽式制绒设备将（4）中的硅片背面进行碱式抛光处理，其中氢氧化钠质量分数为25％，溶液温度为70℃；
(6)把（5）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，形成磷扩散N+背表面场层，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为20min，扩散方阻为50Ω/□；
(7)利用等离子体刻蚀方法去除磷扩散形成的周边结；
(8)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20min，反应温度为20℃；
(9)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750℃，氧化时间为30min；
(10)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为60－80nm；
(11)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N型晶硅电池。
实施例3
一种N型晶硅电池的制备方法，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940℃，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25nm；
(5)利用槽式制绒设备将（4）中的硅片背面进行碱式抛光处理，其中氢氧化钠质量分数为15％，溶液温度为70℃；
(6)把（5）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，形成磷扩散N+背表面场层，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为20min，扩散方阻为60Ω/□；
(7)利用激光刻划方法去除磷扩散形成的周边结；
(8)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℃；
(9)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30min；
(10)利用PECVD系统在硅片正面和背面沉积SiNx抗反射层，厚度为60－80nm；
(11)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N型晶硅电池。
Claims (10)
1.一种N型晶硅电池，从正面到背面依次包括正面AgAl电极、正面减反射膜、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：所述电池的背面采用抛光结构，硼发射极钝化层和背面钝化层均是经过热氧化生成SiO2层同时制备而成，厚度为2～10nm。
2.制备权利要求1中所述N型晶硅电池的方法，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N型硅片面贴面地放置进行单面硼扩散形成硼扩散面，即硼发射极P+层，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沉积一层氮化硅薄膜；
（5）对步骤（4）沉积后的N型硅片的背面利用碱溶液抛光；
（6）将N型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，即磷扩散N+背表面场层，扩散方阻为40～80Ω/□；
（7）去除磷扩散形成的周边结、杂质玻璃层；
（8）去除N型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；
（9）利用干法氧化在硼发射极P+层和磷扩散N+背表面场层上制备氧化硅钝化层；
（10）在硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜；
（11）在硅片的两面分别印刷金属电极，烧结，即可得到N型晶硅太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的N型晶体硅电池的制备方法，其特征在于：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N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的沉积采用等离子增强化学气相沉积方法，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N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（5）采用碱溶液进行腐蚀抛光，碱溶液中的氢氧化钠质量分数为15％－30％，碱溶液温度为65－85℃。
6.根据权利要求2所述的N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（7）采用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边结。
7.根据权利要求2所述的N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（8）采用HF溶液去除N型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，HF溶液的质量分数为8％－20％，去除时间为5～20min，反应温度为20℃。
8.根据权利要求2所述的N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（9）中制备钝化层的过程是：将完成去除掩膜后的N型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。
9.根据权利要求2所述的N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（10）采用用等离子增强化学气相沉积方法在N型硅片的正面和背面沉积氮化硅减反膜，氮化硅减反膜的厚度为60-80nm。
10.根据权利要求2所述的N型晶硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（11）在N型硅片的正面印刷AgAl浆电极，背面印刷Ag浆电极，烘干烧结，即得到N型晶硅太阳能电池。
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