CN105322043A - 一种可双面进光的晶硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可双面进光的晶硅太阳电池及其制备方法。包括金属栅线一、透明导电氧化物减反射导电层、掺杂硅基薄膜发射极层、本征硅基薄膜钝化层、晶体硅片、掺杂晶体硅薄膜背电场层、钝化减反射层、金属栅线二。先清洗制绒，接着依次制备掺杂晶体硅薄膜背电场层、钝化减反射层、金属栅线二；然后清洗发射极所在的晶体硅片表面，接着依次制备本征硅基薄膜钝化层、掺杂硅基薄膜发射极层、透明导电氧化物减反射导电层、金属栅线一。本发明具有可双面进光，开路电压高，弱光效应好等优点，进一步降低了太阳电池的串联电阻，减少贵重原材料的消耗，降低了成本。制备适合大规模生产，减少生产设备的成本，有望提高产品的稳定性和良率水平。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，涉及太阳电池的结构及制备方法。
背景技术
在太阳电池领域，可取代p型扩散制结晶硅太阳电池成为市场主流的太阳电池技术公认是基于n型晶体硅片的技术。最有潜力的为异质结晶硅太阳电池技术。可目前作为该类太阳电池主流技术的日本Panasonic的HIT为代表的制备技术，该结构太阳电池具有开路电压高，可双面进光，弱光效应好，无PID效应等优点。可大规模普及仍有很多的问题需要克服。例如：产品的性能仍有待提高，尤其是在串联电阻方面；产品的原材料成本过高，尤其是作为透明导电氧化物材料氧化铟锡和作为栅线主要材料的银；整条生产线的价格过高；大规模生产的稳定性、良品率仍有待考量；等等。这些问题导致了该技术至今仍未大规模普及。
本研究组经过多年的研究积累，提出了一种新的晶硅太阳电池的结构，并设计了其适合大规模生产的制备技术路线。所涉及结构的太阳电池，具有开路电压高、弱光效应好，可双面进光等优点，相比于常规晶硅异质结太阳电池，可进一步降低太阳电池的串联电阻，减少其贵重原材料的消耗，降低成本。并结合生成技术路线的优化设计，降低生产设备的成本，有望提高产品的稳定性和良率水平。
发明内容
本发明的目的是提出一种可双面进光的晶硅太阳电池及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，包括金属栅线一（1）、透明导电氧化物减反射导电层（2）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、本征硅基薄膜钝化层（4）、晶体硅片（5）、掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）、金属栅线二（8）。金属栅线一（1）连接在透明导电氧化物减反射导电层（2）；透明导电氧化物减反射导电层（2）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、本征硅基薄膜钝化层（4）、晶体硅片（5）、掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）依次相叠；金属栅线二（8）连接在钝化减反射层（7），并穿过钝化减反射层（7）与掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）接触。
所述的晶体硅片（5）可为n型或p型，优选n型。
所述的透明导电氧化物反射导电层（2）的氧化物可为氧化铟锡、掺杂氧化锌或氧化铟钨等。主要的技术指标为可见光波段400-800纳米范围内透过率86%以上，电阻率5×10-4Ω·㎝以下。
所述的掺杂硅基薄膜发射极层（3）可为单层薄膜也可为多层掺杂薄膜构成的复合结构薄膜，材质为掺杂硅薄膜或掺杂掺氧硅薄膜，优选梯度掺杂掺氧硅基薄膜。如在n型硅片上则掺杂硅基薄膜发射极的导电类型为p型，如是p型硅片上则掺杂硅基薄膜发射极的导电类型为n型。
所述的本征硅基薄膜钝化层（4）的材质可为本征非晶硅薄膜或本征掺氧非晶硅薄膜，优选本征掺氧非晶硅薄膜。
所述的掺杂晶体硅薄膜背电场层（6），其导电类型与硅片导电类型相同。
所述的钝化减反射层（7），硅片导电类型为n型时采用氮化硅薄膜；硅片导电类型为p型采用氧化铝/氮化硅复合薄膜。
本发明所述的可双面进光的晶硅太阳电池的制备方法，包括以下步骤：先清洗制绒，接着依次制备掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）、背电场所在硅片表面的金属栅线二（8）；然后清洗发射极所在的晶体硅片（5）表面，接着依次制备本征硅基薄膜钝化层（4）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、透明导电氧化物减反射导电层（2）、发射极所在硅片表面的金属栅线一（1）。
所述的透明导电氧化物反射导电层（2）的制备方法优选物理气相沉积法-磁控溅射法。
所述的掺杂硅基薄膜发射极层（3）的制备方法可为等离子体增强化学气相沉积或热丝化学气相沉积法。
所述的本征硅基薄膜钝化层（4）的制备方法可为等离子体增强化学气相沉积或热丝化学气相沉积法，优选热丝化学气相沉积法。
所述的掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）的制备方法可为高温扩散法或外延法。优选高温扩散法，例如n型是可采用三氯氧磷扩散法制备，采用该方法时需注意扩散结束后残留物及硅片边缘和另外一面不需扩散面的处理。
所述的钝化减反射层（7）的制备，当晶体硅片导电类型为n型时采用氮化硅薄膜，优选等离子体增强化学气相沉积法制备；当硅片导电类型为p型采用氧化铝/氮化硅复合薄膜，优选原子层沉积结合等离子体增强化学气相沉积法制备。
所述的金属栅线一（1）可为低温银浆印刷，然后经过低温烧结而成的类似常规晶硅太阳电池的迎光面电池结构，也可为物理气相沉积法获得的高导电率且节省银量的特殊栅线结构。优选物理气相沉积法。
所述的金属栅线二（8）为高温银浆印刷，然后高温烧结而成的主栅与副栅结合的栅线结构。在导电性与遮光面积方面优先考虑导电性。
本发明的技术效果：以n型硅片为基片制备本结构太阳电池，相比于常规HIT异质结晶硅太阳电池，保留了双面进光及高开压等优点，减少了串联电阻，减少了透明导电氧化物和银的用量，减少了设备厂房投资和厂务成本，增加了产品稳定性和良率的可能性。本发明太阳电池结构和制备方法还适用于p型硅片为基底的太阳电池。
本发明所述的太阳电池具有性能优异，结构合理，生产可行的新型太阳电池结构，其制备方法适合大规模生产的技术路线。本发明综合考虑了产品的性能及生产的可行性、产品的稳定性和成本等因素。
附图说明
图1是本发明所所述的可双面进光的晶硅太阳电池的主要结构示意图。
其中，1为金属栅线一；2为透明导电氧化物减反射导电层；3为掺杂硅基薄膜发射极层；4为本征硅基薄膜钝化层；5为晶体硅片；6为掺杂晶体硅薄膜背电场层；7为钝化减反射层；8为金属栅线二。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
以n型单晶硅片为基底，结合本发明的内容表述具体实施案例，对本发明做进一步的说明。
图1中所示整个器件结构的制备技术路线及每部分的材料构成分别说明如下：
第一步：晶体硅片5的制绒及清洗。采用加热的NaOH溶液对硅片进行双面制绒，制绒后采用HCl溶液对硅片进行清洗，然后大量去离子水清洗后吹干。
第二步：三氯氧磷扩散法制备磷掺杂晶体硅薄膜背电场层6。硅片背靠背在高温扩散炉中进行扩散；扩散结束后采用硝酸+氢氟酸溶液对硅片上不需扩散的面及硅片的边缘进行刻蚀，去除不需要的磷扩散层；然后采用HF去除磷硅玻璃层；大量去离子水清洗收吹干。清洗后扩散层的方阻达到95Ω/口。
第三步：等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备钝化减反射层7。采用管式PECVD在掺杂晶体硅薄膜背电场层6上沉积钝化减反射层7；为保证良好钝化及减反射的效果，氮化硅膜采用双层结构。
第四步：丝网印刷结合高温烧结制备金属栅线二8。栅线采用细栅线120条，主栅线4条且镂空结构；采用杜邦PV18型高温银浆丝网印刷法印刷栅线结构；然后烘干、烧结。
第五步：清洗发射极所在的硅片表面。将硅片需清洗面朝下，悬浮在清洗液表面进行清洗。清洗采用先氨水+双氧水，后盐酸+双氧水的两步清洗法进行清洗，然后再进行HF去除自然氧化层后烘干。
第六步：PECVD法沉积本征硅基薄膜钝化层4。以硅烷、二氧化碳和氢气作为气源，沉积5纳米厚的本征掺氧非晶硅薄膜作为本征硅基薄膜钝化层4。
第七步：PECVD法沉积掺杂硅基薄膜发射极层3。以硅烷、乙硼烷和氢气作为气源，先沉积一层5纳米厚的浅掺杂非晶硅薄膜，再沉积一层3纳米厚的重掺杂非晶硅薄膜，共同构成掺杂硅基薄膜发射极层3。
第八步：磁控溅射法沉积透明导电氧化物减反射导电层2。以射频磁控溅射法，氩气和氧气的混合气气氛中沉积一层约80纳米厚的氧化铟锡作为透明导电氧化物减反射导电层2。
第九步：丝网印刷结合低温烘干制备金属栅线一1。细栅线宽度采用40微米，栅线间距1.2毫米，主栅线采用4条，与另外一面的主栅线位置一一重叠。采用低温银浆，丝网印刷法印制金属栅线一1。然后约150℃烘干，得到最终的金属栅线一1。
实施例2。
以n型单晶硅片为基底，结合本发明的内容表述具体实施案例，对本发明做进一步的说明。
图1中所示整个器件结构的制备技术路线及每部分的材料构成分别说明如下：
第一步：晶体硅片5的制绒及清洗。采用加热的NaOH+表面活性剂溶液对硅片进行双面制绒，制绒后采用HCl溶液对硅片进行清洗，然后大量去离子水清洗后吹干。
第二步：三氯氧磷扩散法制备磷掺杂晶体硅薄膜背电场层6。硅片背靠背在高温扩散炉中进行扩散；扩散结束后采用硝酸+氢氟酸溶液对硅片上不需扩散的面及硅片的边缘进行刻蚀，去除不需要的磷扩散层；然后采用HF去除磷硅玻璃层；大量去离子水清洗收吹干。清洗后扩散层的方阻达到95Ω/口。
第三步：等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备钝化减反射层7。采用管式PECVD在掺杂晶体硅薄膜背电场层6上沉积钝化减反射层7；为保证良好钝化及减反射的效果，氮化硅膜采用双层结构。
第四步：丝网印刷结合高温烧结制备金属栅线二8。栅线采用细栅线100条，主栅线3条且镂空结构；采用杜邦PV18型高温银浆丝网印刷法印刷栅线结构；然后烘干、烧结。
第五步：清洗发射极所在的硅片表面。采用反应等离子刻蚀法对所需清理的硅片表面进行刻蚀，后进行表面处理恢复表面晶格完整。
第六步：PECVD法沉积本征硅基薄膜钝化层4。以硅烷和氢气作为气源，沉积5纳米厚的本征非晶硅薄膜作为本征硅基薄膜钝化层4。
第七步：PECVD法沉积掺杂硅基薄膜发射极层3。以硅烷、乙硼烷、二氧化碳和氢气作为气源，沉积一层5纳米厚的重掺杂掺氧非晶硅薄膜作为掺杂硅基薄膜发射极层3。
第八步：磁控溅射法沉积透明导电氧化物减反射导电层2。以射频磁控溅射法，氩气和氧气的混合气气氛中沉积一层约100纳米厚的掺铝氧化锌作为透明导电氧化物减反射导电层2。
第九步：磁控溅射法制备金属栅线一1。细栅线宽度采用20微米，栅线间距1毫米，主栅线采用3条，与另外一面的主栅线位置一一重叠。采用光刻法在透明导电氧化物减反射导电层2得到所需栅线的镂空模板，然后采用磁控溅射法沉积2微米厚的纯银栅线结构，采用清洗液洗掉表面的覆盖掩模版的表面，得到最终的金属栅线一1。回收洗掉的纯银，加工后制成靶材再利用。
实施例3。
以p型单晶硅片为基底，结合本发明的内容表述具体实施案例，对本发明做进一步的说明。
图1中所示整个器件结构的制备技术路线及每部分的材料构成分别说明如下：
第一步：晶体硅片5的制绒及清洗。采用加热的NaOH+表面活性剂溶液对硅片进行双面制绒，制绒后采用HCl溶液对硅片进行清洗，然后大量去离子水清洗后吹干。
第二步：固态源扩散法制备硼掺杂晶体硅薄膜背电场层6。现在硅片需要制造背电场的一面采用PECVD法沉积一层高硼浓度的氧化硅层作为扩散源，再辊道式连续扩散炉中扩散，扩散结束后采用硝酸+氢氟酸溶液对硅片上不需扩散的面及硅片的边缘进行刻蚀清洗，然后采用HF去除硼硅玻璃层；大量去离子水清洗收吹干。清洗后扩散层的方阻达到95Ω/口。
第三步：PECVD制备钝化减反射层7。采用管式PECVD在掺杂晶体硅薄膜背电场层6上沉积钝化减反射层7；为保证良好钝化及减反射的效果，采用先沉积一层氧化铝，后沉积一层氮化硅的复合结构。
第四步：丝网印刷结合高温烧结制备金属栅线二8。栅线采用细栅线100条，主栅线3条且镂空结构；采用杜邦PV18型高温银浆丝网印刷法印刷栅线结构；然后烘干、烧结。
第五步：清洗发射极所在的硅片表面。将硅片需清洗面朝下，悬浮在清洗液表面进行清洗。清洗采用先氨水+双氧水，后盐酸+双氧水的两步清洗法进行清洗，然后再进行HF去除自然氧化层后烘干。
第六步：PECVD法沉积本征硅基薄膜钝化层4。以硅烷和氢气作为气源，沉积3纳米厚的本征掺氧非晶硅薄膜作为本征硅基薄膜钝化层。
第七步：PECVD法沉积掺杂硅基薄膜发射极层3。以硅烷、磷烷和氢气作为气源，沉积一层5纳米厚的重掺杂非晶硅薄膜作为掺杂硅基薄膜发射极层3。
第八步：磁控溅射法沉积透明导电氧化物减反射导电层2。以射频磁控溅射法，氩气和氧气的混合气气氛中沉积一层约100纳米厚的氧化铟掺钨薄膜作为透明导电氧化物减反射导电层2。
第九步：磁控溅射法制备金属栅线一1。细栅线宽度采用30微米，栅线间距1毫米，主栅线采用3条，与另外一面的主栅线位置一一重叠。采用金属掩模刻蚀形成所需栅线结构的镂空，覆盖着所需沉积栅线的硅片表面，然后采用磁控溅射法沉积2微米厚的纯银栅线结构，得到最终的金属栅线一1。回收洗掉的纯银，加工后制成靶材再利用。
Claims (10)
1.一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是包括金属栅线一（1）、透明导电氧化物减反射导电层（2）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、本征硅基薄膜钝化层（4）、晶体硅片（5）、掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）、金属栅线二（8）；金属栅线一（1）连接在透明导电氧化物减反射导电层（2）；透明导电氧化物减反射导电层（2）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、本征硅基薄膜钝化层（4）、晶体硅片（5）、掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）依次相叠；金属栅线二（8）连接在钝化减反射层（7），并穿过钝化减反射层（7）与掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）接触。
2.根据权利要求1所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是所述的透明导电氧化物反射导电层（2）的氧化物为氧化铟锡、掺杂氧化锌或氧化铟钨。
3.根据权利要求1所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是所述的掺杂硅基薄膜发射极层（3）为单层薄膜或多层掺杂薄膜构成的复合结构薄膜，材质为掺杂硅薄膜或掺杂掺氧硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是所述的本征硅基薄膜钝化层（4）的材质为本征非晶硅薄膜或本征掺氧非晶硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是所述的掺杂晶体硅薄膜背电场层（6），其导电类型与硅片导电类型相同。
6.根据权利要求1所述的一种可双面进光的晶硅太阳电池，其特征是所述的钝化减反射层（7），硅片导电类型为n型时采用氮化硅薄膜；硅片导电类型为p型采用氧化铝/氮化硅复合薄膜。
7.权利要求1-6中任一权利要求所述的可双面进光的晶硅太阳电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：先清洗制绒，接着依次制备掺杂晶体硅薄膜背电场层（6）、钝化减反射层（7）、背电场所在硅片表面的金属栅线二（8）；然后清洗发射极所在的晶体硅片（5）表面，接着依次制备本征硅基薄膜钝化层（4）、掺杂硅基薄膜发射极层（3）、透明导电氧化物减反射导电层（2）、发射极所在硅片表面的金属栅线一（1）。
8.根据权利要求书7所述的可双面进光的晶硅太阳电池的制备方法，其特征是所述的透明导电氧化物反射导电层（2）的制备采用物理气相沉积法-磁控溅射法。
9.所述的掺杂硅基薄膜发射极层（3）的制备采用等离子体增强化学气相沉积或热丝化学气相沉积法。
10.根据权利要求书7所述的可双面进光的晶硅太阳电池的制备方法，其特征是所述的本征硅基薄膜钝化层（4）的制备采用等离子体增强化学气相沉积或热丝化学气相沉积法。
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