CN106229351A - 一种背接触晶体硅太阳能电池及制备方法和组件、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背接触晶体硅太阳能电池及制备方法和组件、系统。本发明的背接触晶体硅太阳能电池，包括N型晶体硅基体，N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为前表面氧化层、前表面n+掺杂多晶硅层和前表面减反膜，N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为交替排列的背表面p+掺杂区域和背表面n+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面金属电极。其有益效果是：采用n+掺杂多晶硅层作为背接触晶体硅太阳能电池的前表面场，可以为N型晶体硅基体表面提供优异的场钝化效果，降低了少数载流子在前表面的复合，从而提高背接触晶体硅太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高其能量转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种背接触晶体硅太阳能电池及制备方法和组件、系统。
背景技术
太阳能电池是一种将光能转化为电能的半导体器件，较低的生产成本和较高的能量转化效率一直是太阳能电池工业追求的目标。对于目前常规太阳能电池，其p+掺杂区域接触电极和n+掺杂区域接触电极分别位于电池片的正反两面。电池的正面为受光面，正面金属接触电极的覆盖必将导致一部分入射的太阳光被金属电极所遮挡反射，造成一部分光学损失。普通晶硅太阳能电池的正面金属电极的覆盖面积在7％左右，减少金属电极的正面覆盖可以直接提高电池的能量转化效率。
背接触电池，是一种将p+掺杂区域和n+掺杂区域均放置在电池背面(非受光面)的电池，该电池的受光面无任何金属电极遮挡，从而有效增加了电池片的短路电流，使电池片的能量转化效率得到提高。由于PN结位于电池的背面，光生载流子的产生主要在前表面附近，载流子需要穿过整个硅片厚度到达背面的地方才能被收集。如果前表面钝化不好，光生载流子会很容易在到达背面之前就被复合而降低效率。因此，良好的前表面钝化显得尤为重要。
常见的背接触电池前表面钝化的手段是在前表面引入一个n+/n的高低结，称之为前表面场。前表面场可以给N型基体提供良好的场钝化效果，降低光生载流子在前表面的复合速率。前表面场一般是通过磷扩散的方法形成的，磷的掺杂浓度越高，钝化后的暗饱和电流密度J0也越高，复合越大。现有技术中通过在硅片表面沉积磷源的方式扩散得到的前表面场的表面浓度一般在1E19cm-3以上，很难得到较低的J0值。因此，寻找一种高钝化质量低复合速率的前表面场，是进一步提高背接触电池转换效率的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背接触晶体硅太阳能电池及制备方法和组件、系统。所述的背接触晶体硅太阳能电池的前表面场为n+掺杂多晶硅层，可以为N型晶体硅基体表面提供优异的场钝化效果，降低了少数载流子在前表面的复合，从而提高背接触晶体硅太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高其能量转化效率。电池的制备流程较为简单且成本较低、安全可控，便于进行产业化推广。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为前表面氧化层、前表面n+掺杂多晶硅层和前表面减反膜；所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为掺杂区域、背表面钝化膜和与掺杂区域欧姆接触的金属电极，所述掺杂区域包括相互交替排列的背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域，所述背表面n+掺杂区域设置有n+金属电极，所述背表面p+掺杂区域上设置有p+金属电极。
其中，前表面n+掺杂多晶硅层的方阻为100～200Ω/sqr；背表面n+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。
其中，N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm，N型晶体硅基体的厚度为50～300μm；所述p+金属电极为银铝合金电极，所述n+金属电极为银电极。
本发明还提供了一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择N型晶体硅基体，并对N型晶体硅基体的前表面作制绒处理，对N型晶体硅基体的背表面进行掺杂处理；
(2)、在N型晶体硅基体的前表面制备前表面氧化层及含磷非晶硅层或含磷多晶硅层；
(3)、将处理后的N型晶体硅基体进行高温退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min；退火完成后在N型晶体硅基体的前表面形成前表面n+掺杂多晶硅层，在N型晶体硅基体的背表面形成相互交替排列的背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域。
其中，步骤(2)中，前表面氧化层为SiO2，其厚度为1-3nm，采用臭氧生长或使用炉管进行高温氧化生长的方式制备；
制备含磷多晶硅层或含磷非晶硅层的方法是将N型晶体硅基体放入CVD设备中，采用磷烷作为掺杂源，在其前表面生长含磷非晶硅层或含磷多晶硅层，或者将N型晶体硅基体放入CVD设备中，在前表面生长本征非晶硅层或本征多晶硅层，然后使用离子注入设备，将磷离子注入本征非晶硅层或本征多晶硅层中。
其中，步骤(1)中，对N型晶体硅基体的背表面进行掺杂处理的方法是：首先在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行离子注入，注入元素包括硼；然后在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行选择性地离子注入，注入元素包括磷，磷的注入剂量大于硼的注入剂量。
其中，还包括步骤(4)，将步骤(3)处理后的N型晶体硅基体进行清洗处理，然后在N型晶体硅基体的前表面形成前表面减反膜，在N型晶体硅基体的背表面形成背表面钝化膜。
其中，还包括步骤(5)，通过丝网印刷技术在N型晶体硅基体的背表面p+掺杂区域上印刷p+金属电极浆料，在背表面n+掺杂区域上印刷n+金属电极浆料，并进行烧结处理。
其中，步骤(4)中，前表面减反膜的制备方法是在N型晶体硅基体的前表面利用PECVD技术沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜；
背表面钝化膜的制备方法是在N型晶体硅基体的背表面利用PECVD技术或ALD技术先沉积一层厚度为4～20nm的AlOx介质膜，然后在AlOx介质膜的表面再沉积一层厚度为20～50nm的SiNx介质膜。
其中，步骤(1)中，硼的注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2；磷的注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2；离子注入磷时，在N型晶体硅基体的背表面和离子束之间设置掩膜，掩膜上设置有开孔图案，掩膜上的开孔图案为线条状开口图案或者点状开口图案，线条状开口图案宽50～400μm，点状开口图案的直径为500～1500μm。
本发明还提供了一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，所述太阳能电池是上述的一种背接触晶体硅太阳能电池。
本发明还提供了一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，所述太阳能电池组件是上述的太阳能电池组件。
本发明的技术优点主要体现在：
采用n+掺杂多晶硅层作为背接触晶体硅太阳能电池的前表面场，可以给N型晶体硅基体表面提供优异的场钝化效果，降低了少数载流子在前表面的复合，从而提高背接触晶体硅太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高其能量转化效率。本发明的背接触晶体硅太阳能电池在完成前后表面的钝化膜覆盖后，其隐开路电压(Implied Voc)可达700mV以上，暗饱和电流密度Jo＜20fA/cm2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达95％以上。
附图说明
图1为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤一后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤二后的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤三后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤四后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤五后的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤六后的电池结构截面示意图。
图7为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤七后的电池结构截面示意图。
图8为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤三中使用的条状开孔掩膜结构示意图。
图9为本发明实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法步骤三中使用的点状开孔掩膜结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
参见图7所示，本实施例的一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型晶体硅基体10，N型晶体硅基体10的前表面从内到外依次为前表面氧化层、前表面n+掺杂多晶硅层13和前表面减反膜；N型晶体硅基体10的背表面从内到外依次为掺杂区域、背表面钝化膜和与掺杂区域欧姆接触的金属电极，掺杂区域包括相互交替排列的背表面n+掺杂区域12和背表面p+掺杂区域11，背表面n+掺杂区域12设置有n+金属电极31，背表面p+掺杂区域11上设置有p+金属电极30。背表面n+掺杂区域12的图案为线条状图案或者点状图案，线条状图案宽50～400μm，点状图案的直径为500～1500μm。前表面n+掺杂多晶硅层13是在N型晶体硅基体10上先制备含磷非晶硅层或含磷多晶硅层，然后经过退火处理得到。采用前表面n+掺杂多晶硅层作为背接触晶体硅太阳能电池的前表面场，可以为N型晶体硅基体提供优异的场钝化效果，降低了少数载流子在前表面的复合，从而提高背接触晶体硅太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高其能量转化效率。
优选地，前表面n+掺杂多晶硅层13的方阻为100～200Ω/sqr；背表面n+掺杂区域12的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域11的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。N型晶体硅基体10的电阻率为0.5～15Ω·cm，N型晶体硅基体10的厚度为50～300μm；p+金属电极30为银铝合金电极，n+金属电极31为银电极。前表面氧化层为厚度为1-3nm的SiO2氧化层20，前表面减反膜为厚度为40～80nm的SiNx介质膜22，背表面钝化膜是AlOx介质膜21和SiNx介质膜23；背表面钝化膜中的AlOx介质膜21的厚度为4～20m，SiNx介质膜23的厚度为20～50nm。
本发明的背接触晶体硅太阳能电池在完成前后表面的钝化膜覆盖后，其隐开路电压(Implied Voc)可达700mV以上，暗饱和电流密度J0＜20fA/cm2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达95％以上。
本实施例的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择156mm×156mm的N型晶体硅基体10，并对N型晶体硅基体10的前表面作制绒处理；N型晶体硅基体10的电阻率为0.5～15Ω·cm，优选1～5Ω·cm；N型晶体硅基体10的厚度为50～300μm，优选80～200μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示。
(2)、使用离子注入机在步骤(1)处理后的N型晶体硅基体10背表面进行离子注入，注入元素为硼，注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2，优选1.5×1015cm-2～2.5×1015cm-2。完成本步骤后的电池结构示意图如图2所示。
(3)、使用离子注入机在步骤(2)处理后的N型晶体硅基体10背表面进行选择性地离子注入，注入元素为磷，注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2，优选4×1015cm-2～6×1015cm-2。离子注入时，在N型晶体硅基体10背表面和离子束之间设置掩膜40。掩膜40的材质为石墨，如图8所示，掩膜40上可以设置线条状开口41，线条状开口41宽50～400μm，优选100～300μm。如图9所示，掩膜40上还可以设置点状开口42，点状开口42图案的点直径为500～1500μm，优选100～300μm。掩膜40上的开孔图案还可以为其他任意排布的周期或准周期阵列，其图案可以根据需要有多种选择，此处不作限定，仅进行举例列举。掩膜40上的开口区域对应的N型晶体硅基体10背表面注入有硼和磷，其他区域则仅为硼注入。控制磷注入的剂量大于硼注入的剂量。完成本步骤后的电池结构示意图如图3所示。
(4)、采用臭氧法或使用炉管进行高温氧化法在N型晶体硅基体10表面生长前表面SiO2氧化层20，其厚度为1-3nm，然后将N型晶体硅基体10放入CVD(化学气相沉积)设备中，优选LPCVD(低压化学气相沉积)，采用磷烷作为掺杂源，在其前表面生长含磷多晶硅层。本实施例还可以使用LPCVD设备在前表面沉积本征多晶硅层，然后使用离子注入设备将磷原子注入该本征多晶硅层中。
(5)、将步骤(4)处理后的N型晶体硅基体10放入退火炉中进行高温退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，优选为850～1000℃，退火时间为30～200min，优选为60～200min，环境气源优选为N2和O2。退火完成后在背表面形成背表面n+掺杂区域12和背表面p+掺杂区域11。前表面的含磷多晶硅层或者含磷非晶硅层经退火后形成前表面n+掺杂多晶硅层13(也可称为n+掺杂多晶硅前表面场)，其方阻为100～200Ω/sqr。其中掩膜40上的开口对应的N型晶体硅基体10背表面区域为背表面n+掺杂区域12，这是因为该区域注入的磷的剂量大于硼的剂量，同时硼在硅中的固溶度要低于磷，所以退火后该区域为n+掺杂。背表面其他区域为背表面p+掺杂区域11。背表面n+掺杂区域12的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。背表面p+掺杂区域11的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。完成本步骤后的电池结构如图5所示。
(6)、将步骤(5)处理后的N型晶体硅基体10放入清洗机中，去除前表面和背表面的氧化层并进行烘干。然后在N型晶体硅基体10的前表面用PECVD的方式沉积一层SiNx介质膜22，膜的厚度为40～80nm；在N型晶体硅基体10的背表面用PECVD或ALD(原子层沉积)的方式制作一层AlOx介质膜21，膜的厚度为4～20nm，然后在AlOx介质膜21的表面再沉积一层SiNx介质膜23，SiNx介质膜23的厚度为20～50nm。硅基体前表面的SiO2氧化层20与SiNx介质膜22的作用为硅基体前表面的钝化和光的减反射；硅基体背表面的AlOx介质膜21与SiNx介质膜23的作用为硅基体背表面的钝化，同时SiNx介质膜23也起到了对AlOx介质膜21的保护作用。完成本步骤后的电池结构如图6所示。
(7)、通过丝网印刷的方法在步骤(6)处理后的N型晶体硅基体10的背表面p+掺杂区域11上印刷银铝合金浆料，在背表面n+掺杂区域12上印刷银浆。印刷结束后将N型晶体硅基体10传送入带式烧结炉进行烧结形成欧姆接触，烧结后银铝合金浆料形成与背表面p+掺杂区域11欧姆接触的p+金属电极30，与背表面n+掺杂区域12欧姆接触的n+金属电极31。完成本步骤后的电池结构如图7所示。至此即完成本发明背接触晶体硅太阳能电池的制作。
本实施例的背接触晶体硅太阳能电池的制备方法的另一技术效果是无需使用复杂的介质膜掩膜生长及开孔工艺就可形成交替排列的p+和n+掺杂区域，极大地简化了工艺流程；前表面n+掺杂多晶硅层、背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域在一次高温工序中共同形成，极大减少了高温工序数目，节约了生产成本；使用离子注入和退火的方法完成掺杂，相对扩散来说其方阻均匀性更好，过程更容易控制。
本实施例还提供了一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，太阳能电池是上述的一种背接触晶体硅太阳能电池。
本实施例还提供了一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，太阳能电池组件是上述的太阳能电池组件。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (12)
1.一种背接触晶体硅太阳能电池，包括N型晶体硅基体，其特征在于：所述N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为前表面氧化层、前表面n+掺杂多晶硅层和前表面减反膜；所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为掺杂区域、背表面钝化膜和与掺杂区域欧姆接触的金属电极，所述掺杂区域包括相互交替排列的背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域，所述背表面n+掺杂区域设置有n+金属电极，所述背表面p+掺杂区域上设置有p+金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：前表面n+掺杂多晶硅层的方阻为100～200Ω/sqr；背表面n+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。
3.根据权利要求1所述的一种背接触晶体硅太阳能电池，其特征在于：N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm，N型晶体硅基体的厚度为50～300μm；所述p+金属电极为银铝合金电极，所述n+金属电极为银电极。
4.一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、选择N型晶体硅基体，并对N型晶体硅基体的前表面作制绒处理，对N型晶体硅基体的背表面进行掺杂处理；
(2)、在N型晶体硅基体的前表面制备前表面氧化层及含磷非晶硅层或含磷多晶硅层；
(3)、将处理后的N型晶体硅基体进行高温退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min；退火完成后在N型晶体硅基体的前表面形成前表面n+掺杂多晶硅层，在N型晶体硅基体的背表面形成相互交替排列的背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域。
5.根据权利要求4所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，前表面氧化层为SiO2，其厚度为1-3nm，采用臭氧生长或使用炉管进行高温氧化生长的方式制备；
制备含磷多晶硅层或含磷非晶硅层的方法是将N型晶体硅基体放入CVD设备中，采用磷烷作为掺杂源，在其前表面生长含磷非晶硅层或含磷多晶硅层，或者将N型晶体硅基体放入CVD设备中，在前表面生长本征非晶硅层或本征多晶硅层，然后使用离子注入设备，将磷离子注入本征非晶硅层或本征多晶硅层中。
6.根据权利要求4所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，对N型晶体硅基体的背表面进行掺杂处理的方法是：首先在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行离子注入，注入元素包括硼；然后在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行选择性地离子注入，注入元素包括磷，磷的注入剂量大于硼的注入剂量。
7.根据权利要求4所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：还包括步骤(4)，将步骤(3)处理后的N型晶体硅基体进行清洗处理，然后在N型晶体硅基体的前表面形成前表面减反膜，在N型晶体硅基体的背表面形成背表面钝化膜。
8.根据权利要求4-7任一所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：还包括步骤(5)，通过丝网印刷技术在N型晶体硅基体的背表面p+掺杂区域上印刷p+金属电极浆料，在背表面n+掺杂区域上印刷n+金属电极浆料，并进行烧结处理。
9.根据权利要求7所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，前表面减反膜的制备方法是在N型晶体硅基体的前表面利用PECVD技术沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜；
背表面钝化膜的制备方法是在N型晶体硅基体的背表面利用PECVD技术或ALD技术先沉积一层厚度为4～20nm的AlOx介质膜，然后在AlOx介质膜的表面再沉积一层厚度为20～50nm的SiNx介质膜。
10.根据权利要求6所述的一种背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：硼的注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2；磷的注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2；离子注入磷时，在N型晶体硅基体的背表面和离子束之间设置掩膜，掩膜上设置有开孔图案，掩膜上的开孔图案为线条状开口图案或者点状开口图案，线条状开口图案宽50～400μm，点状开口图案的直径为500～1500μm。
11.一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，其特征在于：所述太阳能电池是权利要求1-3任一所述的一种背接触晶体硅太阳能电池。
12.一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，其特征在于：所述太阳能电池组件是权利要求11所述的太阳能电池组件。
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