CN105870215A - 一种背面钝化接触电池电极结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种背面钝化接触电池电极结构及其制备方法，电池背面结构包括设置在晶体硅片背面的用于对电池背面提供钝化作用的隧穿层，隧穿层上设置用于电荷垂直传导层的N型掺杂晶硅层，N型掺杂晶硅层上设置用于电荷的横向传导层的透明导电膜，透明导电膜上设置用于电荷汇集及电池片之间连接作用的背面金属电极。该电池背面结构背面电极采用透明导电膜/金属复合电极，以替代传统的栅线电极或全金属背场电极，使电池背面也可以作为受光面，在保证电极良好导电性的前提下显著减少了遮光面积与导电金属的使用量，同时提高了电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种背面钝化接触电池电极结构及其制备方法。
背景技术
自1954年第一块太阳能电池在贝尔实验室诞生以来，晶体硅太阳能电池得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前，晶体硅太阳能电池占太阳能电池全球市场总额的80％以上，晶体硅电池片的产线转换效率目前已突破20％，全球年新增装机容量约50GW且增速明显，与火力发电的度电成本不断缩小，在未来几年有望与之持平。晶体硅太阳能电池作为一种清洁能源在改变能源结构、缓解环境压力等方面的重要作用日益凸显。
按基材的掺杂类型，晶体硅太阳能电池分为P型晶体硅太阳能电池和N型晶体硅太阳能电池。与P型晶体硅太阳能电池相比，N型晶体硅太阳能电池具有更高的转换效率和杂质容忍度，且基本上无光致衰减。此外，由于N型晶体硅比P型晶体硅具有更长的少子寿命，所以N型晶硅电池通常可以做成双面受光型电池以增加电池的输出功率，增加值一般在20％以上。
近年提出的背面钝化接触电池(采用Topcon技术)是N型电池的一种，这种电池由于采用了隧穿层和N型掺杂多/微晶硅背面结构，电荷传输方向由传统的三维变为一维，减少了电荷的传输路径，降低了少子复合的几率，电池的转换效率、收集率、内阻得到了改善。但背面钝化接触电池的背面电极由于采用全覆盖金属电极，无法发挥N型电池可双面发电的潜在优势，且金属电极的价格昂贵，不利于电池成本的降低。
发明内容
本发明的目的是提供了一种背面钝化接触电池电极结构及其制备方法，所述N型背面钝化接触电池的背面电极采用透明导电膜/金属复合电极，以替代传统的栅线电极或全金属背场电极，使电池背面也可以作为受光面，在保证电极良好导电性的前提下显著减少了遮光面积与导电金属的使用量，同时提高了电池的转换效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种背面钝化接触电池电极结构，包括设置在晶体硅片上用于对电池背面提供钝化作用的隧穿层，隧穿层上设置有用于电荷垂直传导的N型掺杂晶硅层，N型掺杂晶硅层上设置有用于电荷的横向传导层的透明导电膜，透明导电膜上设置用于电荷汇集及电池片之间连接作用的背面金属电极。
所述的透明导电膜由ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨烯薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜的厚度为50～500nm。
所述的背面金属电极阵列图案排布在透明导电膜上，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
一维几何图案的线宽为20～2000um，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm。
背面金属电极由一组或多组等间距平行的银、铝、镍、铜、金属合金、复合金属的栅线构成；栅线的线宽为20～2000um、线长为2～156mm，同组相邻栅线之间的距离为0.5～50mm，每组栅线的数量为5～100根。
所述的隧穿层为氧化硅、二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅的一种或多种薄膜的叠层，隧穿层的厚度为1～10nm。
所述的N型掺杂晶硅层为单晶、多晶或微晶硅层，厚度为10～1000nm。
一种背面钝化接触电池电极结构的制备方法，包括以下步骤：
5)在晶体硅片背面制作隧穿层，制作的方法采用LPCVD、PECVD、ALD、热氧化、臭氧氧化、湿化学、电化学或阳极氧化；
6)在隧穿层上制作N型掺杂晶硅层，制作的方法为：①采用LPCVD或气相外延的方法直接形成N型掺杂晶硅层；或②采用PECVD的方法先形成N型掺杂非晶硅层，随后在200～500℃下进行热处理，使非晶硅层转化为多晶或微晶硅层；
7)在N型掺杂晶硅层上制作透明导电膜；
8)在透明导电膜上制作背面金属电极，完成电池背面电极结构的制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的背面电池结构在保证电荷一维传输的情况下将透明导电膜/金属复合电极作为N型晶硅背面钝化接触电池的背面电极，以替代传统的栅线电极或全金属背场电极，使电池背面也可以作为受光面，实现了双面发电，在保证电极良好导电性的前提下显著减少了遮光面积与导电金属的使用量。充分发挥了N型电池效率优势，使金属电极的遮光面积减小至4％以下，同时大幅提升了电池的转换效率。
本发明的制备方法采用依次由内向外的制作，先后制作隧穿层、N型掺杂晶硅层、透明导电膜和金属电极。制作方法简单，合格率高。掺杂非晶硅层提供了两种制备方案，保证了不同环境的制备需求。
附图说明
图1是N型晶体硅背面钝化接触电池的局部剖面示意图；
图2背面电极局部平面示意图一；
图3背面电极局部平面示意图二；
图4背面电极局部平面示意图三；
图5背面电极局部平面示意图四；
图6背面电极局部平面示意图五。
其中，1、正面金属电极，2、减反射膜，3、钝化膜，4、P型层，5、N型层，6、隧穿层，7、N型掺杂晶硅层，8为透明导电膜，9为背面金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明一种背面钝化接触电池背面结构，N型背面钝化接触电池的背面电极采用透明导电膜/金属复合电极，以替代传统的栅线电极或全金属背场电极，使电池背面也可以作为受光面，在保证电极良好导电性的前提下显著减少了遮光面积与导电金属的使用量，同时提高了电池的转换效率。该采用该电极的电池背面结构从上而下包括：隧穿层6、N型掺杂晶硅层(Poly-Si(N+)层)7、透明导电膜8、金属电极9。在本发明所述的电池电极结构中，隧穿层6对背面提供良好的钝化，N型掺杂晶硅层7作为电荷的垂直传导层，透明导电膜作8为电荷的横向传导层，透明导电膜8上的背面金属电极9起到电荷汇集及电池片之间连接的作用。
上述背面钝化接触电池背面结构的制备方法包括下述步骤：
1)N型晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀、正面制作钝化膜及减反射膜等工序处理，随后按如下步骤制作电池的背面电极。
2)在N型晶体硅片背面制作隧穿氧化硅薄膜6，膜厚为1～2nm，制作的方法可以采用LPCVD、PECVD、ALD、热氧化、臭氧氧化、湿化学、电化学、阳极氧化等。
3)在隧穿氧化硅上制作N型掺杂晶硅层7，该层的厚度为10～1000nm。制作的方法：①采用LPCVD、气相外延的方法直接形成N型掺杂晶硅层7；②采用PECVD的方法先形成N型掺杂非晶硅层，随后在200～500℃下进行热处理，使非晶硅层转化为多晶或微晶硅层7。
4)在N型掺杂晶硅层上制作透明导电膜，透明导电膜可以是ITO、AZO、GZO、FTO、IWO或石墨烯的一种薄膜或两种及以上薄膜的叠层构成，厚度为50～500nm，制作的方法可以采用溅射、气相沉积、喷涂、印刷等。
5)在透明导电膜上制作金属电极，背面金属电极采取阵列分布的实心或镂空图案，图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
其中，一维几何图案的线宽为20～2000um，数量为5～100根，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm。本发明优先考虑一维栅线状金属电极图案。金属电极可以是银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极和金属复合电极，制作方法可以采用印刷、激光转印、喷墨、3D打印、蒸镀等。
6)制作正面电极。
如图2至6所示，背面金属电极采用栅线电极，可以为主栅和细栅形成的网格结构(如图2)、单主栅结构(如图3)、不连续主栅和细栅形成的网格结构(如图4)、不连续细栅结构(如图5)或主栅和不连续细栅形成的网格结构(如图4)。
下面结合具体实施例，对本发明的制备方法进行详细说明：
实施例1：
(1)N型晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀、正面制作钝化膜及减反射膜等工序处理，随后按如下步骤制作背面电极。
(2)在背面采用LPCVD的方法制作厚度为2nm的隧穿氧化硅层。
(3)在隧穿氧化硅层上采用LPCVD的方法制作厚度为30nm的N型掺杂微晶硅层。
(4)在N型掺杂微晶硅层上采用溅射的方法制作厚度为100nm的ITO透明导电膜。
(5)在透明导电膜上采用喷墨的方法制作银电极，随后进行热处理。银电极由一组等间距平行的细栅线与一组等间距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为40根，截面宽度为30um。主栅为4根，截面宽度为1mm。
(6)制作正面电极。
实施例2：
(1)N型晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀、正面制作钝化膜及减反射膜等工序处理，随后按如下步骤制作背面电极。
(2)在背面采用PECVD的方法制作厚度为1nm的隧穿氧化硅薄膜。
(3)在隧穿氧化硅薄膜上采用PECVD的方法制作厚度为50nm的N型掺杂非晶硅层。
(4)在保护性气氛下进行200～500℃退火，使掺杂非晶硅转化为微晶硅；
(5)在N型掺杂微晶硅层上采用溅射的方法制作厚度为150nm的AZO透明导电膜。
(6)在透明导电膜上采用丝网印刷的方法制作银电极，随后进行热处理。银电极由相互平行的10组等间距平行的栅线构成，每组栅线为20根，截面宽度为20um，相邻两组平行栅线之间的间距为0.5mm。
(7)制作正面电极。
实施例3：
(1)N型晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀等工序处理，随后按如下步骤制作背面电极。
(2)在正面与背面采用光诱导臭氧氧化的方法制作厚度为2nm的氧化硅薄膜。
(3)在背面的氧化硅薄膜上采用ALD的方法制作厚度为100nm的N型掺杂微晶硅层。
(4)在N型掺杂微晶硅层上采用溅射的方法制作厚度为100nm的GZO透明导电膜。
(5)在透明导电膜上采用丝网印刷的方法制作银电极，随后进行热处理。银电极图案由1组等间距平行的栅线构成，栅线数量为20根，栅线宽度为40um。
(6)制作正面电极。
实施例4：
(1)N型晶体硅片经过制绒、扩散、刻蚀、正面制作钝化膜及减反射膜等工序处理，随后按如下步骤制作背面电极。
(2)在背面采用湿化学的方法制作厚度为2nm的隧穿氧化硅薄膜。
(3)在隧穿氧化硅薄膜上采用气相外延的方法制作厚度为200nm的N型掺杂多晶硅层。
(4)在N型掺杂多晶硅层上采用化学气相沉积的方法制作厚度为80nm的石墨烯透明导电膜。
(5)在透明导电膜上采用3D打印的方法制作银电极，随后进行热处理。银电极由一组等间距平行的细栅线与一组等间距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。细栅线为20根，截面宽度为40um；主栅为5根，截面宽度为1mm。
(6)制作正面电极。
以上所述仅为本发明的几种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，包括设置在晶体硅片上用于对电池背面提供钝化作用的隧穿层(6)，隧穿层(6)上设置有用于电荷垂直传导的N型掺杂晶硅层(7)，N型掺杂晶硅层(7)上设置有用于电荷的横向传导的透明导电膜(8)，透明导电膜(8)上设置用于电荷汇集及电池片之间连接作用的背面金属电极(9)。
2.根据权利要求1所述的一种背面钝化接触电池背面结构，其特征在于，所述的透明导电膜(8)由ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨烯薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜的厚度为50～500nm。
3.根据权利要求1所述的一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，所述的背面金属电极(9)阵列图案排布在透明导电膜(8)上，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
4.根据权利要求3所述的一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，一维几何图案的线宽为20～2000um，线长为2～156mm，相邻线段之间的距离为0.5～50mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，背面金属电极(9)由一组或多组等间距平行的银、铝、镍、铜、金属合金、复合金属的栅线构成；栅线的线宽为20～2000um、线长为2～156mm，同组相邻栅线之间的距离为0.5～50mm，每组栅线的数量为5～100根。
6.根据权利要求1所述的一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，所述的隧穿层(6)为氧化硅、二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅的一种或多种薄膜的叠层，隧穿层(6)的厚度为1～10nm。
7.根据权利要求1所述的一种背面钝化接触电池电极结构，其特征在于，所述的N型掺杂晶硅层(7)为单晶、多晶或微晶硅层，厚度为10～1000nm。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种背面钝化接触电池电极结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在晶体硅片背面制作隧穿层(6)，制作的方法采用LPCVD、PECVD、ALD、热氧化、臭氧氧化、湿化学、电化学或阳极氧化；
2)在隧穿层(6)上制作N型掺杂晶硅层(7)，制作的方法为：①采用LPCVD或气相外延的方法直接形成N型掺杂晶硅层；或②采用PECVD的方法先形成N型掺杂非晶硅层，随后在200～500℃下进行热处理，使非晶硅层转化为多晶或微晶硅层；
3)在N型掺杂晶硅层(7)上制作透明导电膜(8)；
4)在透明导电膜(8)上制作背面金属电极(9)，完成电池背面电极结构的制作。
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