CN106057951A - 基于p型硅衬底的双面太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池，包括一P型硅衬底，所述P型硅衬底具有相对的前表面和背表面，其中，所述前表面设置有掺杂磷的N+掺杂层和多个相互间隔的N++重掺杂区；所述背表面设置有掺杂硼的P+掺杂层和多个相互间隔的P++重掺杂区；所述前表面上依次设置有第一减反钝化膜和多个正面电极，所述背表面上依次设置有第二减反钝化膜和多个背面电极。本发明还公开了如上所述太阳能电池的制备方法。本发明的太阳能电池中采用P型硅片作为双面太阳能电池的衬底材料，具有明显的成本优势，同时，结合激光无损掺杂技术，使其制备方法更为简化，易于实现，有利于大规模的产业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及新结构太阳能电池制造领域，特别是涉及一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球能源的短缺和气候变暖，太阳能发电等可再生能源正取代传统的火力发电，成为当今能源领域研究的热点和发展的趋势。在太阳能电池的发展历史中，非晶硅薄膜太阳能电池和晶体硅太阳能电池都已经历了近半个多世纪的发展历程。晶体硅太阳能电池效率较高，而非晶硅薄膜太阳能电池的制造成本较低。传统的P型硅衬底太阳能电池中，PN结采用高温扩散方式制备形成，PN结处于正面且电极分别处于太阳能电池两侧，受光面受到电极遮挡损失部分太阳光，导致部分效率损伤。同时，目前常规P型太阳电池转换效率几乎已达到瓶颈，人们逐渐转移至低成本、高效率、新结构、新工艺的太阳电池研究。
目前，双面电池技术普遍应用于N型衬底上，其正、背面均可受光，背面可增加20％以上的功率增益，具有很好的应用前景。而常规P型单晶太阳电池技术虽然已经成熟，量产转换效率在19％左右，但始终为单面受光，封装后仍为单面组件，背面无增益。另外，从电池技术角度讲，常规P型电池的背表面复合速率103cm/s左右，虽然PERC技术的引入，其背表面复合速率可控制在100cm/s以内，但其背面全铝背场的设计，使其背面仍然无法受光发电。另外，N型双面电池普遍采用BBr3或其它类型硼源热扩散的方式形成PN结，普遍温度在900℃～1000℃，高温时间长且对硅片热损伤较大，易导致硅片少子寿命降低，同时N型硅片成本也是其制约因素之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池中采用P型硅片作为双面太阳能电池的衬底材料，其硅片技术成熟，具有明显的成本优势，同时，结合激光无损掺杂技术，使其制备方法更为简化，易于实现，有利于大规模的产业化应用。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池，包括一P型硅衬底，所述P型硅衬底具有相对的前表面和背表面，其中，所述前表面设置有掺杂磷的N+掺杂层，在所述N+掺杂层的内侧，所述P型硅衬底中形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；所述背表面设置有掺杂硼的P+掺杂层，在所述P+掺杂层的内侧，所述P型硅衬底中形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；所述前表面上依次设置有第一减反钝化膜和多个正面电极，所述多个正面电极一一对应地位于所述多个N++重掺杂区的上方，所述正面电极穿透所述第一减反钝化膜电性连接于所述N++重掺杂区；所述背表面上依次设置有第二减反钝化膜和多个背面电极，所述多个背面电极一一对应地位于所述多个P++重掺杂区的上方，所述背面电极穿透所述第二减反钝化膜电性连接于所述P++重掺杂区。
具体地，所述多个N++重掺杂区沿第一方向上相互间隔排列，每一N++重掺杂区沿第二方向上呈长条状延伸；所述多个P++重掺杂区沿第一方向上相互间隔排列，每一P++重掺杂区沿第二方向上呈长条状延伸；其中，第一方向与第二方向相互垂直。
具体地，所述多个N++重掺杂区沿第一方向上等间距排列；所述多个P++重掺杂区沿第一方向上等间距排列。
具体地，所述第一减反钝化膜和第二减反钝化膜为一层以上的薄膜，其材料为SiO2、SiNx、TiO2、AlOx和MgF2中的一种或多种。
本发明还提供了如上所述的太阳能电池的制备方法，其包括步骤：
提供一P型硅衬底，对所述P型硅衬底的前表面和背表面进行织构化处理形成绒面；
在所述前表面上依次沉积含磷掺杂源薄膜和阻挡层薄膜，在所述背表面上依次沉积含硼掺杂源薄膜和阻挡层薄膜；
对所述前表面和背表面分别应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述前表面的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；在所述P型硅衬底中靠近所述背表面的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；
将激光掺杂处理后的P型硅衬底进行退火处理，在所述前表面形成掺杂磷的N+掺杂层，在所述背表面形成掺杂硼的P+掺杂层；
去除所述含磷掺杂源薄膜、含硼掺杂源薄膜以及阻挡层薄膜；
在所述前表面和被表面上分别制备第一减反钝化膜和第二减反钝化膜；
在所述第一减反钝化膜上制备多个正面电极，在所述第二减反钝化膜上制备多个背面电极。
具体地，所述激光掺杂工艺中，选用的激光出光模式为脉冲、连续或准连续激光，激光波长为355～1064nm，功率为5～100W，光斑直径为30～200μm。
具体地，进行退火处理的设备为工业用退火炉管或链式扩散设备；退火温度为800～1000℃，时间为20～30min，退火气氛为N2和O2。
在另一个优选的技术方案中，所述的太阳能电池的制备方法，其包括步骤：
提供一P型硅衬底，对所述P型硅衬底的背表面进行织构化处理形成绒面；
在所述背表面上依次沉积含硼掺杂源薄膜和阻挡层薄膜；
对所述背表面应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述背表面的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；
将具有P++重掺杂区的P型硅衬底，按照背靠背的插片方式在磷扩散设备中进行磷扩散，在所述P型硅衬底的前表面形成磷扩散层；
对具有磷扩散层的前表面应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述前表面的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；
将激光掺杂处理后的P型硅衬底进行退火处理，在所述前表面形成掺杂磷的N+掺杂层，在所述背表面形成掺杂硼的P+掺杂层；
去除所述含硼掺杂源薄膜以及阻挡层薄膜；
在所述前表面和被表面上分别制备第一减反钝化膜和第二减反钝化膜；
在所述第一减反钝化膜上制备多个正面电极，在所述第二减反钝化膜上制备多个背面电极。
其中，所述激光掺杂工艺中，选用的激光出光模式为脉冲、连续或准连续激光，激光波长为355～1064nm，功率为5～100W，光斑直径为30～200μm。
其中，进行退火处理的设备为工业用退火炉管或链式扩散设备；退火温度为800～1000℃，时间为20～30min，退火气氛为N2和O2。
相比于现有技术，本发明采用P型硅片为衬底材料，成本低且普遍应用。背表面保留完整的金字塔绒面，可更多的保留背面发电优势。掺杂源采用液态或固态，安全可靠。另外，采用激光掺杂工艺处理获得重掺杂区，主要利用激光的热效应、热效应作用时间短、可精确定位等优势，在不对硅片表面造成明显损伤的情况下，形成特定区域的重掺杂区，避免高温对P型硅片的副作用，工艺简单，操作方便，大大简化太阳电池制备工艺流程，更利于产业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的太阳能电池的结构示意图；
图2a-图2g是本发明太阳能电池的制备方法的各步骤示例性图示。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池，如图1所示，所述双面太阳能电池包括一P型硅衬底1，所述P型硅衬底1具有相对的前表面1a和背表面1b。其中，所述前表面1a设置有掺杂磷的N+掺杂层2，在所述N+掺杂层2的内侧(朝向P型硅衬底1得到中心的一侧)，所述P型硅衬底1中形成有多个相互间隔的N++重掺杂区3。所述背表面1b设置有掺杂硼的P+掺杂层4，在所述P+掺杂层4的内侧(朝向P型硅衬底1得到中心的一侧)，所述P型硅衬底1中形成有多个相互间隔的P++重掺杂区5。
进一步地，所述前表面1a上依次设置有第一减反钝化膜6和多个正面电极7，所述多个正面电极7一一对应地位于所述多个N++重掺杂区3的上方，所述正面电极7穿透所述第一减反钝化膜6电性连接于所述N++重掺杂区3。所述背表面1b上依次设置有第二减反钝化膜8和多个背面电极9，所述多个背面电极9一一对应地位于所述多个P++重掺杂区5的上方，所述背面电极9穿透所述第二减反钝化膜8电性连接于所述P++重掺杂区5。
具体地，所述多个N++重掺杂区3沿第一方向(如图1中的X方向)上相互间隔排列，每一N++重掺杂区3沿第二方向(如图1中的Y方向)上呈长条状延伸。所述多个P++重掺杂区5沿第一方向上相互间隔排列，每一P++重掺杂区5沿第二方向上呈长条状延伸；其中，第一方向与第二方向相互垂直。
更具体地，所述多个N++重掺杂区3沿第一方向上等间距排列；所述多个P++重掺杂区5沿第一方向上等间距排列。
进一步地，所述第一减反钝化膜和第二减反钝化膜为一层以上的薄膜，其材料为SiO2、SiNx、TiO2、AlOx和MgF2中的一种或多种。
实施例2
本实施例提供了如实施例1中的基于P型硅衬底的双面太阳能电池的制备方法。具体地，参阅图2a-图2f，其制备方法具体包括步骤：
(一)、如图2a所示，首先提供一P型硅衬底1，其包括相对的前表面1a和背表面1b。对P型硅衬底1的前表面1a和背表面1b分别进行表面织构化处理：具体地，可以采用氢氧化钾或氢氧化钠、IPA和制绒添加剂的混合溶液，进行表面处理，使得前表面1a和背表面1b呈金字塔形状的绒面结构。织构化处理完成后对P型硅衬底1进行化学清洗。其中，P型硅衬底1的电阻率选择在0.5～3Ω·cm。
(二)、如图2b所示，在所述前表面1a上依次沉积含磷掺杂源薄膜10和阻挡层薄膜30a，在所述背表面1b上依次沉积含硼掺杂源薄膜20和阻挡层薄膜30b。具体地，含磷掺杂源薄膜10和阻挡层薄膜30a以及含硼掺杂源薄膜20和阻挡层薄膜30b可以采用气相沉积工艺(CVD)制备获得。其中，含磷掺杂源薄膜10可以是含有磷的SiO2、SiNx、非晶硅等薄膜，其厚度为40nm以上；含硼掺杂源薄膜20可以是含有硼的SiO2、SiNx、非晶硅等薄膜，其厚度为40nm以上；阻挡层薄膜30a和阻挡层薄膜30b可以是SiO2、SiNx、非晶硅等薄膜，其厚度为80nm以上。
(三)、如图2c所示，对所述前表面1a和背表面1b分别应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底1中靠近所述前表面1a的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区3；在所述P型硅衬底1中靠近所述背表面1b的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区5。具体地，采用532nm绿光连续激光器进行激光掺杂处理，功率18W，扫描速度1.2m/s，其图形与后续丝网印刷图形相匹配；激光处理后形成的N++重掺杂区3和P++重掺杂区5的方阻小于40Ω/□。在另外实施例中，掺杂激光器可以选择选择为：532nm、355nm、1064nm激光，出光模式可以为：脉冲、准连续或连续；功率为5～100W，光斑直径为30～200μm；振镜扫描速度：1～2m/s。
(四)、如图2d所示，将激光掺杂处理后的P型硅衬底1进行退火处理，在所述前表面1a形成掺杂磷的N+掺杂层2，在所述背表面1b形成掺杂硼的P+掺杂层4。具体地，将激光处理后的P型硅衬底1放入管式炉内做退火处理，退火温度800～1000℃，时间30～200min，退火气氛为N2和O2。退火处理后，P型硅衬底1的前表面形成N+掺杂层2，即形成PN结，背表面1b形成P+掺杂层4，即形成PP+高低结。同时，退火处理也对激光热损伤进行了修复。在另外实施例中，可在链式扩散炉内做退火处理，温度800～1000℃，退火气氛为N2和O2，带速5ipm～20ipm。
(五)、如图2e所示，去除所述含磷掺杂源薄膜10、含硼掺杂源薄膜20以及阻挡层薄膜30a、30b。具体地，采用化学清洗工艺去除所述前表面1a和背表面1b上的含磷掺杂源薄膜10、含硼掺杂源薄膜20以及阻挡层薄膜30a、30b。化学清洗的药液可以是HF溶液或者HF/HCL混合液，也可以是RCA、SPM、HF/O3等。
(六)、如图2f所示，在所述前表面1a和被表面1b上分别制备第一减反钝化膜6和第二减反钝化膜8。具体地，第一减反钝化膜6和第二减反钝化膜8可以采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方式沉积制备获得，其材料为SiO2、SiNx、TiO2、AlOx和MgF2中的一种或多种，膜厚为60～100nm。例如，第一减反钝化膜6和第二减反钝化膜8可以为SiO2/SiNx叠层，其中SiO2为热氧化，厚度10nm左右，温度600～900℃，时间：10～30min；或者采用化学氧化方式(硝酸溶液、双氧水溶液、臭氧氧化、高锰酸钾溶液等)；在另外实施例中，采用PECVD或ALD方式制备AlOx薄膜替代正表面SiO2薄膜，然后在沉积一层SiNx薄膜。
(七)、如图2g所示，在所述第一减反钝化膜6上制备多个正面电极7，在所述第二减反钝化膜8上制备多个背面电极9，完成所述太阳能电池的制备。具体地，首先采用丝网印刷工艺制备形成正面电极7和背面电极9，然后通过烧结工艺，使得正面电极7烧穿第一减反钝化膜6与N++重掺杂区3形成欧姆接触，相互电性连接；背面电极9烧穿第二减反钝化膜8与P++重掺杂区5形成欧姆接触，相互电性连接。
实施例3
本实施例提供了如实施例1中的基于P型硅衬底的双面太阳能电池的另一种制备方法。该方法具体包括步骤：
1、对应于实施例2中的步骤(一)，本实施例中仅对所述P型硅衬底1的背表面1b进行织构化处理形成绒面，前表面1a不做任何处理。具体地处理工艺参照实施例2中的步骤(一)进行，在此不再赘述。
2、对应于实施例2中的步骤(二)，本实施例中仅在所述P型硅衬底1的背表面1b上依次沉积含硼掺杂源薄膜20和阻挡层薄膜30b。含硼掺杂源薄膜20和阻挡层薄膜30b的制备工艺参照实施例2中的步骤(二)进行，在此不再赘述。
3、对应于实施例2中的步骤(三)，本实施例中仅对所述背表面1b应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底1中靠近所述背表面1b的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区5。激光掺杂工艺可以参照实施例2中的步骤(三)进行，在此不再赘述。
4、将具有P++重掺杂区5的P型硅衬底1，按照背靠背的插片方式在磷扩散设备中进行磷扩散，在所述P型硅衬底1的前表面1a形成磷扩散层。扩散温度为820～845℃，时间15～30min，磷扩散层的方阻为80～120Ω/□；在另外实施例中，还可以采用链式扩散方式，扩散温度为820～850℃，时间为10～20min，磷扩散层的方阻80～120Ω/□。
5、对具有磷扩散层的前表面1a应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底1中靠近所述前表面1a的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区3。激光掺杂工艺可以参照实施例2中的步骤(三)进行，在此不再赘述。
6、参照实施例2中的步骤(四)～(七)，逐步制备形成N+掺杂层2、P+掺杂层4、第一减反钝化膜6、第二减反钝化膜8以及正面电极7和背面电极9，完成所述太阳能电池的制备。
相比于现有技术，本发明采用P型硅片为衬底材料，成本低且普遍应用。背表面保留完整的金字塔绒面，可更多的保留背面发电优势。掺杂源采用液态或固态，安全可靠。另外，采用激光掺杂工艺处理获得重掺杂区，主要利用激光的热效应、热效应作用时间短、可精确定位等优势，在不对硅片表面造成明显损伤的情况下，形成特定区域的重掺杂区，避免高温对P型硅片的副作用，工艺简单，操作方便，大大简化太阳电池制备工艺流程，更利于产业化应用。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于P型硅衬底的双面太阳能电池，包括一P型硅衬底，所述P型硅衬底具有相对的前表面和背表面，其特征在于，所述前表面设置有掺杂磷的N+掺杂层，在所述N+掺杂层的内侧，所述P型硅衬底中形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；所述背表面设置有掺杂硼的P+掺杂层，在所述P+掺杂层的内侧，所述P型硅衬底中形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；
所述前表面上依次设置有第一减反钝化膜和多个正面电极，所述多个正面电极一一对应地位于所述多个N++重掺杂区的上方，所述正面电极穿透所述第一减反钝化膜电性连接于所述N++重掺杂区；
所述背表面上依次设置有第二减反钝化膜和多个背面电极，所述多个背面电极一一对应地位于所述多个P++重掺杂区的上方，所述背面电极穿透所述第二减反钝化膜电性连接于所述P++重掺杂区。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个N++重掺杂区沿第一方向上相互间隔排列，每一N++重掺杂区沿第二方向上呈长条状延伸；所述多个P++重掺杂区沿第一方向上相互间隔排列，每一P++重掺杂区沿第二方向上呈长条状延伸；其中，第一方向与第二方向相互垂直。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个N++重掺杂区沿第一方向上等间距排列；所述多个P++重掺杂区沿第一方向上等间距排列。
4.根据权利要求1-3任一所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一减反钝化膜和第二减反钝化膜为一层以上的薄膜，其材料为SiO2、SiNx、TiO2、AlOx和MgF2中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一P型硅衬底，对所述P型硅衬底的前表面和背表面进行织构化处理形成绒面；
在所述前表面上依次沉积含磷掺杂源薄膜和阻挡层薄膜，在所述背表面上依次沉积含硼掺杂源薄膜和阻挡层薄膜；
对所述前表面和背表面分别应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述前表面的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；在所述P型硅衬底中靠近所述背表面的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；
将激光掺杂处理后的P型硅衬底进行退火处理，在所述前表面形成掺杂磷的N+掺杂层，在所述背表面形成掺杂硼的P+掺杂层；
去除所述含磷掺杂源薄膜、含硼掺杂源薄膜以及阻挡层薄膜；
在所述前表面和被表面上分别制备第一减反钝化膜和第二减反钝化膜；
在所述第一减反钝化膜上制备多个正面电极，在所述第二减反钝化膜上制备多个背面电极。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光掺杂工艺中，选用的激光出光模式为脉冲、连续或准连续激光，激光波长为355～1064nm，功率为5～100W，光斑直径为30～200μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，进行退火处理的设备为工业用退火炉管或链式扩散设备；退火温度为800～1000℃，时间为20～30min，退火气氛为N2和O2。
8.如权利要求1-4任一所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一P型硅衬底，对所述P型硅衬底的背表面进行织构化处理形成绒面；
在所述背表面上依次沉积含硼掺杂源薄膜和阻挡层薄膜；
对所述背表面应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述背表面的一侧形成有多个相互间隔的P++重掺杂区；
将具有P++重掺杂区的P型硅衬底，按照背靠背的插片方式在磷扩散设备中进行磷扩散，在所述P型硅衬底的前表面形成磷扩散层；
对具有磷扩散层的前表面应用激光掺杂工艺进行处理，在所述P型硅衬底中靠近所述前表面的一侧形成有多个相互间隔的N++重掺杂区；
将激光掺杂处理后的P型硅衬底进行退火处理，在所述前表面形成掺杂磷的N+掺杂层，在所述背表面形成掺杂硼的P+掺杂层；
去除所述含硼掺杂源薄膜以及阻挡层薄膜；
在所述前表面和被表面上分别制备第一减反钝化膜和第二减反钝化膜；
在所述第一减反钝化膜上制备多个正面电极，在所述第二减反钝化膜上制备多个背面电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述激光掺杂工艺中，选用的激光出光模式为脉冲、连续或准连续激光，激光波长为355～1064nm，功率为5～100W，光斑直径为30～200μm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，进行退火处理的设备为工业用退火炉管或链式扩散设备；退火温度为800～1000℃，时间为20～30min，退火气氛为N2和O2。
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