CN106409946B - 晶硅电池片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶硅电池片及其制备方法，晶硅电池片包括基体、指栅电极、焊接电极、背电极和铝背导电层，指栅电极和焊接电极设置在基体的正面，背电极和铝背导电层设置在基体的背面；基体正面与焊接电极对应的区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，铝背导电层厚度比背电极高1μm～3μm，指栅电极的厚度比焊接电极高1μm～3μm。制备方法包括以下步骤：（1）扩散PN结；（2）激光掺杂；（3）成膜；（4）丝网印刷；（5）烧结。该晶硅电池片具有对焊接温度容忍度较高，不易产生漏电现象、封装性能好等优点，该制备方法成本低且利于产业化生产，在商业化卫星用航天电池领域有着高性价比的优势。
Description
技术领域
本发明属于太阳能晶硅电池的生产制造领域，尤其涉及一种晶硅电池片及其制备方法。
背景技术
空间飞行器用太阳电池电池组件不仅需要高的转换效率，而且需要具备耐原子氧腐蚀、低气压、强震动等高空环境特性需求。凭借较好的环境适应性，晶体硅电池和砷化镓电池长期服务于空间飞行器。随着多结砷化镓电池制备技术的不断进步，其光电转换效率快速超过晶体硅电池，继神舟七号飞船起，砷化镓电池成为神舟号飞船的首选，但砷化镓电池价格远高于晶硅电池，其高昂的价格成为制约空间飞行器商业化推广的因素之一。目前，随着商业化卫星产业的快速发展，其对性价比高、耐空间环境适应性高的太阳电池的需求极为迫切。
无论是晶体硅电池，还是砷化镓电池，为保障其长期经受空间原子氧腐蚀和高低温循环等环境的可靠性，需要采用高纯度银箔或含有一定量金属钼的银箔作为互连片，利用电阻焊技术进行电池阵列的焊接互连。为提高电阻焊接效果的可靠性，对于晶体硅电池和砷化镓电池，通常会在电池的前背面制备前背面焊接电极，采用电阻焊焊接技术把互连片和电池焊接电极焊接在一起。
以前通常采用光刻、多次蒸镀方式制备电池片前背面焊接电极。正面电极材料通常为钛-钯-银或钛-银，背面焊接电极通常为钛-钯-银或金。这种制备方法需要用到光刻和多次蒸镀技术，电池制备工艺较为繁琐，不利于电池性价比的提高。随着晶体硅光伏产业技术的迅猛发展，电池制备技术取得了明显改变，目前通常采用丝网印刷方法制备焊接电极。相比十年以前，其光电转换效率已实现大幅度提高，常规结构电池效率可达到20%以上。该种丝网印刷法利用和电池匹配性高的金属浆料，在正面实现指栅电极和前焊接电极浆料的一体化印刷，通过高温烧结指栅电极银浆和硅形成Ag-Si合金，从而导出光生电流。目前银浆中银的含量在80%以内，不仅包括玻璃料和微量的镍、镉等稀有金属元素，同时还包括酥油醇、乙基纤维素等有机载体。在高温烧结过程中，有机载体腐蚀减反射膜使金属和硅接触，玻璃料等稀有元素起到辅助导电作用。
由于耐原子氧腐蚀性能的要求，互连片通常选用高纯度银箔或含有一定钼、可伐金属的银箔，。基于常规印刷银浆或光刻法制备电极，由于方块电阻比较大，如果采用电阻焊技术，会出现两大问题：1）晶硅电极高温烧结温度在880℃以内，而电阻焊接峰值温度普遍在900℃以上，这样极易使银烧穿PN结，导致电池严重漏电；2）常规匹配银浆和焊接互连片银箔属性（金属种类和含量）一致性差，焊接电极耐高低温循环变化特性差；3）蒸镀法或丝网印刷法制备电极，焊接区域电极和指栅电极高度一致，选用厚度在0.05mm以上的互连片时，焊接电极高度会明显高于指栅电极，采用玻璃盖片和稀释的盖片胶封装时，焊接区域因比相邻指栅电极高，极易因高度差而产生封装气泡，从而影响封装组件的整体性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对焊接温度容忍度较高，不易产生漏电现象、封装性能好的晶硅电池片，还相应提供一种制备方法成本低和利于产业化生产的该晶硅电池的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种晶硅电池片，包括晶硅电池片基体、指栅电极、焊接电极、背电极和铝背导电层，所述指栅电极和焊接电极设置在晶硅电池片基体的正面，所述背电极和铝背导电层设置在晶硅电池片基体的背面；所述晶硅电池片基体正面与焊接电极对应的区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，所述铝背导电层厚度比背电极高1μm～3μm，所述指栅电极的厚度比焊接电极高1μm～3μm。
上述的晶硅电池片，优选的，所述晶硅电池片基体从正面到背面依次包括SiNx减反射膜、SiO2薄膜、PN结、正面制绒的晶硅片、Al2O3钝化膜和SiNx保护膜。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种晶硅电池片的制备方法，包括以下步骤：
（1）扩散PN结：通过扩散工艺在正面制绒的晶硅片的表面制备PN结，扩散PN结方块电阻值为130Ω/□～150Ω/□；
（2）激光掺杂：对晶硅片的预设焊接电极区域进行激光掺杂、退火，使得所述预设焊接电极区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，所述预设焊接电极区域位于晶硅片的正面；
（3）成膜：去除晶硅片背面的PN结，并在晶硅片的正面依次形成SiO2薄膜和SiNx减反射膜，在晶硅片的背面依次形成Al2O3钝化膜、SiNx保护膜，去除晶硅片背面的预设铝硅接触导电窗口区域的Al2O3钝化膜和SiNx保护膜；
（4）丝网印刷：在晶硅片背面的预设背电极区域印刷背电极银浆并烘干，在晶硅片背面的预设铝背导电层区域印刷铝背导电层铝浆并烘干，在晶硅片正面的预设焊接电极区域印刷焊接电极银浆并烘干，在晶硅片正面的预设指栅电极区域印刷指栅电极银浆并烘干；所述背导电层铝浆厚比背电极银浆厚1μm～3μm，所述指栅电极银浆比焊接电极银浆厚1μm～3μm；
（5）烧结。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，所述激光掺杂的工艺为：激光波长100～600nm，激光频率为10～150KHZ，激光扫描速率为100～2000mm/s）。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，所述退火工艺为：退火温度为400℃～650℃，退火时间为300s～3000s。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，背电极印刷网版膜厚为4μm～6μm，网版目数为300～350，印刷压力10～100N；铝背场网版膜厚为5μm～7μm，网版目数为250～300，网版张力25～35N，印刷压力10～100N。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，栅电极网版膜厚为12μm～14μm，网版目数为300～350、印刷压力10～100N，焊接区域电极网版膜厚为10μm～12μm，网版目数为300～350、印刷压力10～100N。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（5）中，烧结工艺为：烧结温度为350℃～500℃，烧结时间10s～60s。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，扩散工艺为：扩散温度为800℃～850℃，扩散管内压强100mbar～300mbar，扩散时间20min～40min，扩散时间1000s～3000s。
上述的晶硅电池片的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，所述激光掺杂用激光器包括紫外皮秒激光器、紫外纳秒激光器或绿光皮秒激光器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、目前的常压扩散工艺所得的扩散PN结方块电阻值一般为80Ω/□～90Ω/□，申请人发现，改用低压扩散所得的扩散PN结方块电阻值可达130Ω/□～150Ω/□，但是，由于方阻过高，采用电阻焊技术，会出现下列问题：晶硅电极高温烧结温度在880℃以内，而电阻焊接峰值温度普遍在900℃以上，这样极易使银烧穿PN结，导致电池严重漏电。本发明的晶硅电池片，焊接电极区域为低方阻，PN结比较深，对焊接温度容忍度较高，即使焊接峰值温度达到900℃，也不会产生金属扩散穿透PN结而导致漏电现象。优选地，焊接电极区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，方阻值超过60Ω/□，焊接时仍然会存在烧穿漏电现象；方阻值低于20Ω/□，会增加激光掺杂难度。
2、本发明的晶硅电池片，焊接电极高度低于相邻指栅电极1μm～3μm，和一定厚度的互连片焊接互连后，其高度和相邻指栅非常相近，在封装环节不会因高度差而产生气泡问题；铝背导电层厚度比背电极高1μm～3μm，是为了防止电池片在采用封装胶水固定在组件基板上时，出现封装空洞或施加压力电池会隐裂的现象，不会对玻璃盖片封装产生影响。
4、本发明的晶硅电池片的制备方法，采用激光掺杂对晶硅片的预设焊接电极区域进行掺杂，使得所述预设焊接电极区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，即焊接区域为低方阻，PN结比较深，即使焊接峰值温度达到900℃，也不会产生金属扩散穿透PN结而导致漏电现象；通过调整丝网印刷工艺，保证：背导电层铝浆比背电极银浆厚1μm～3μm，指栅电极银浆比焊接电极银浆厚1μm～3μm，烧结后铝背导电层厚度比背电极高1μm～3μm左右，指栅电极的厚度比焊接电极高1μm～3μm左右，和一定厚度的互连片焊接互连后，焊接电极高度和相邻指栅非常相近，在封装环节不会因高度差而产生气泡问题；铝背导电层厚度比背电极高，可防止电池片在采用封装胶水固定在组件基板上时，出现封装空洞或施加压力电池会隐裂的现象，不会对玻璃盖片封装产生影响。
优选的，激光掺杂的工艺为：激光波长100～600nm，激光频率为10～150KHZ，激光扫描速率为100～2000mm/s，工艺可调窗口大，不容易产生漏电。退火工艺为：退火温度为400℃～650℃，退火时间为300s～3000s。
优选的，丝网印刷工艺为：背电极印刷网版膜厚为4μm～6μm、网版目数为300～350、印刷压力10～100N，铝背场网版膜厚为5μm～7μm、网版目数为250～300、网版张力25～35N、印刷压力10～100N，栅电极网版膜厚为12μm～14μm、网版目数为300～350、印刷压力10～100N ，焊接区域电极网版膜厚为10μm～12μm、网版目数为300～350、印刷压力10～100N，通过对印刷工艺的协同配合，可精确控制印刷浆料厚度。
5、本发明的晶硅电池片的制备方法，可在高效晶体硅光伏产线中完成，利于产业化生产。制备的晶硅电池厚度在100μm左右，经测试其效率可达到21%左右。无论是相比效率在28%左右、厚度为150μm的砷化镓电池，还是相比光刻、蒸镀法制备的晶硅电池，该种晶硅电池制备方法成本低，利于产业化制备。在商业化卫星用航天电池领域有着性价比非常高的优势。同时基于其高效、柔性的特点，在飞艇、太阳能无人机等临近空间飞行器领域亦有特殊应用。
附图说明
图1本发明实施例1的晶硅电池片背面的背电极的网版图形。
图2为本发明实施例1的晶硅电池片背面的背电极和铝背导电层的网版图形。
图3为本发明实施例1的晶硅电池片正面的焊接电极的网版图形。
图4为本发明实施例1的晶硅电池片正面的焊接电极和指栅电极的网版图形。
图5为本发明实施例1的晶硅电池片的截面示意图（正面电极未示出）。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种本发明的晶硅电池片，包括晶硅电池片基体、指栅电极、焊接电极、背电极和铝背导电层，指栅电极和焊接电极设置在晶硅电池片基体的正面，背电极和铝背导电层设置在晶硅电池片基体的背面；其中，晶硅电池片基体正面与焊接电极对应的区域的方块电阻值为40Ω/□～50Ω/□，铝背导电层厚度比背电极高1μm，所述指栅电极的厚度比焊接电极高1μm。
本实施例中，晶硅电池片基体从正面到背面依次包括SiNx减反射膜、SiO2薄膜、PN结、正面制绒的晶硅片、Al2O3钝化膜和SiNx保护膜。
一种本实施例的晶硅电池片的制备方法，包括以下步骤：
（1） 选用磁场直拉法（MCZ）法制备的的尺寸为156×156mm2、厚度为110～120μm、电阻率为10～15Ω·cm、P型单晶硅片作衬底，在浓度为2.5%、温度为65℃的碱性溶液中腐蚀抛光，去除表面线切割损伤层，抛光片表面加权反射率≥65%；
（2） 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备在抛光硅片一面镀100nm左右的SiNx保护膜，利用常规单晶制绒工艺制绒，延长制绒后道HF酸清洗时间，得到一面（作为背面）抛光、一面制绒（作为正面）的单晶硅片；
（3） 采用高温、低压扩散工艺在制绒面制备PN结，扩散PN结方块电阻值为130～150Ω/□，片内不均匀性在2%以内。扩散所用参数为：扩散温度为825℃，扩散管内压强100～300mbar（常压为1000mbar）,扩散时间30min，降温退火时间2000s，扩散后晶硅片的扩散发射极暗饱和电流≤10-12 A。
（4） 在焊接电极矩形区域，通过紫外皮秒激光器进行激光掺杂，激光掺杂的工艺参数如下：激光波长350nm，激光频率为55KHZ，激光扫描速率为550mm/s，经625℃退火处理，退火后测得焊接电极区域方块电阻值为40～50Ω/□；焊接电极区域为低方阻，PN结比较深，对焊接温度容忍度较高，即使焊接峰值温度达到900℃，也不会产生金属扩散穿透PN结而导致漏电现象。
（5） 采用链式湿法刻蚀机去除正面磷硅玻璃和边缘、背面PN结，在臭氧和紫外辐照气氛下，在正面形成纳米级厚度的SiO2薄膜，对前表明PN结发射极形成较好的钝化效果，可阻挡高能粒子对PN结的破坏；
（6） 利用板式PECVD在背面镀厚度为10～12nm的Al2O3钝化膜和180～200nm的SiNx保护膜，在正面镀75～80nm厚度的SiNx减反射膜；
（7） 设计硅片背面开膜图形，图形为正方形孔阵列，边长为1.1mm，方形孔间距为6mm，去除背面正方形孔阵列图形区域的Al2O3钝化膜和SiNx保护膜以露出铝硅接触导电窗口；
（8） 如图1～4所示，根据设计好的电极结构图形，进行电极制备，其中，图2中灰色区域为背面和互连片焊接的背电极网版图形，斜线阴影区为铝背场网版图形；图4中灰色区域代表正面和互连片相焊接的焊接电极网版图形，竖线阴影区代表分隔后的小电池的指栅电极网版图形。电极制备工序具体如下：
（8.1）在晶硅片背面的预设背电极区域印刷背电极银浆并烘干，其中，背电极印刷网版膜厚为5.5μm、网版目数为345、印刷压力55N；
（8.2）在晶硅片背面的预设铝背导电层区域印刷铝背导电层铝浆并烘干，铝背场网版膜厚为6μm、网版目数为295、印刷压力55N；
（8.3）在晶硅片正面的预设焊接电极区域印刷焊接电极银浆并烘干，焊接区域电极网版膜厚为11μm、网版目数为305、印刷压力85N；
（8.4）在晶硅片正面的预设指栅电极区域印刷指栅电极银浆并烘干；指栅电极网版膜厚为13μm、网版目数为325、印刷压力45N；最终使得背导电层铝浆比背焊接电极银浆厚1.5μm～2μm，指栅电极银浆比焊接电极银浆厚1.5μm～2μm；
（8.5）浆料印刷、烘干完毕后进入烧结工序，烧结温度为425℃，烧结时间35s；烧结后所得铝背导电层厚度比背电极高1.5μm～2μm左右（如图5所示），指栅电极的厚度比焊接电极高1.5μm～2μm左右，和一定厚度（＞0.05mm）的互连片焊接互连后，由于焊接电极+互连片的整体高度和相邻指栅电极高度非常相近，背电极+互连片的整体高度和铝背导电层高度也接近，在封装环节不会因高度差而产生气泡问题，不会对玻璃该片封装产生影响。
本实施例中，背电极银浆和焊接电极银浆为同一种银浆，其中银的含量均为92%～94%，钼含量为1%～2%，其余为玻璃料和酥油醇、氢化蓖麻油等有机载体。焊接电极材料和互连片的材料属性一致性效果好，利于采用电阻焊接方式焊接，焊接电极耐高低温循环变化特性好，不易脱落。利用电阻焊接技术焊接后，电池几乎无漏电，而且电极焊接拉力≥1.0N/mm2，达到空间电池焊接拉力要求。
（9）采用激光切割方式把同一晶硅片上进行分离切割，得到若干个规格为30×70mm2小晶硅电池片（参考图2和图4），然后进行测试分选。测试结果如表1，可见，本发明的晶硅电池片具有焊接温度容忍度较高，不易产生漏电现象、封装性能好、效率高等的优点。
| 电池厚度 | 电池效率（AM1.5） | 漏电流 | 焊接电极拉力 | 焊接区封装气泡数量 |
| 100μm | 20.1% | ≤0.01A | ≥1.1N/mm<sup>2</sup> | 无 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种晶硅电池片的制备方法，包括以下步骤：
（1）扩散PN结：通过扩散工艺在正面制绒的晶硅片的表面制备PN结，扩散PN结方块电阻值为130Ω/□～150Ω/□；所述步骤（1）中，扩散工艺为：扩散温度为800℃～850℃，扩散管内压强100mbar～300mbar，扩散时间20min～40min，扩散时间1000s～3000s；
（2）激光掺杂：对晶硅片的预设焊接电极区域进行激光掺杂、退火，使得所述预设焊接电极区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，所述预设焊接电极区域位于晶硅片的正面；
（3）成膜：去除晶硅片背面的PN结，并在晶硅片的正面依次形成SiO2薄膜和SiNx减反射膜，在晶硅片的背面依次形成Al2O3钝化膜、SiNx保护膜，去除晶硅片背面的预设铝硅接触导电窗口区域的Al2O3钝化膜和SiNx保护膜；
（4）丝网印刷：在晶硅片背面的预设背电极区域印刷背电极银浆并烘干，在晶硅片背面的预设铝背导电层区域印刷铝背导电层铝浆并烘干，在晶硅片正面的预设焊接电极区域印刷焊接电极银浆并烘干，在晶硅片正面的预设指栅电极区域印刷指栅电极银浆并烘干；所述背导电层铝浆厚比背电极银浆厚1μm～3μm，所述指栅电极银浆比焊接电极银浆厚1μm～3μm；
（5）烧结。
2.根据权利要求1所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述激光掺杂的工艺为：激光波长100～600nm，激光频率为10～150KHZ，激光扫描速率为100～2000mm/s。
3.根据权利要求2所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述退火工艺为：退火温度为400℃～650℃，退火时间为300s～3000s。
4.根据权利要求1所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，背电极印刷网版膜厚为4μm～6μm，网版目数为300～350，印刷压力10～100N；铝背场网版膜厚为5μm～7μm，网版目数为250～300，网版张力25～35N，印刷压力10～100N。
5.根据权利要求1所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，栅电极网版膜厚为12μm～14μm，网版目数为300～350、印刷压力10～100N，焊接区域电极网版膜厚为10μm～12μm，网版目数为300～350、印刷压力10～100N。
6.根据权利要求1～5任一项所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，烧结工艺为：烧结温度为350℃～500℃，烧结时间10s～60s。
7.根据权利要求1～5任一项所述的晶硅电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述激光掺杂用激光器包括紫外皮秒激光器、紫外纳秒激光器或绿光皮秒激光器。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的晶硅电池片，包括晶硅电池片基体、指栅电极、焊接电极、背电极和铝背导电层，所述指栅电极和焊接电极设置在晶硅电池片基体的正面，所述背电极和铝背导电层设置在晶硅电池片基体的背面；其特征在于，所述晶硅电池片基体正面与焊接电极对应的区域的方块电阻值为20Ω/□～60Ω/□，所述铝背导电层厚度比背电极高1μm～3μm，所述指栅电极的厚度比焊接电极高1μm～3μm。
9.根据权利要求8所述的晶硅电池片，其特征在于，所述晶硅电池片基体从正面到背面依次包括SiNx减反射膜、SiO2薄膜、PN结、正面制绒的晶硅片、Al2O3钝化膜和SiNx保护膜。
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