CN107046070A - 一种p型晶体硅电池结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种P型晶体硅电池结构及其制作方法，由正面至背面依次包括：透明导电薄膜、局部金属电极、正面减反射膜、正面钝化膜、N型掺杂层、P型晶硅基体、第一背面钝化膜、第二背面钝化膜、局部背场和背面正电极；电池正面的透明导电薄膜与局部金属电极接触将收集的电子横向传导，并通过穿透电池片的过孔电极导入电池背面的负极区域；电池背面的背面正电极和局部背场分布于过孔电极以外的区域，局部背场与背面正电极连接在一起。本发明大大增强了与现有组件封装工艺的融合度，提高了组件的转换效率，简化了工艺。

Description

一种P型晶体硅电池结构及其制作方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种P型晶体硅电池结构及其制作方法。

背景技术

近年来，由于新能源技术的开发和应用，晶体硅太阳能电池结构得到了广泛的研究，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90％以上，晶体硅电池片的产线转换效率目前已突破21％，全球年新增装机容量约70GW且增速明显，与火力发电的度电成本差距不断缩小，有望在未来几年持平。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。

P型晶体硅电池由于生产工艺成熟、制造成本低，在目前及今后相当长的一段时间内仍占据绝大部分市场份额。P型晶体硅太阳能电池要想继续保持竞争力、获得更大的发展与应用，必须进一步提高转换效率，同时降低生产成本。

现阶段主流工艺生产的晶体硅太阳能电池，其正面电极均采用丝网印刷的方式形成近百条细栅和若干条主栅，此工序造成电池片表面5％～7％的面积形成对光的遮挡，使电池的效率优势未能充分发挥。

MWT电池技术主要解决的是电池正面的光遮挡问题，在硅片上打孔，利用过孔电极将正面细栅线收集的电流导入电池的背面，大大减少了电池正面电极的光遮挡面积。但MWT电池的漏电和组件封装问题未能很好解决，这使得MWT作为改善电池正面的核心技术一直未得到大规模应用。

PERC技术着眼于电池的背面，利用钝化大大降低了背面的复合速度，该技术近年来在P型晶体硅电池中逐步得到大规模应用，使多晶和单晶电池的效率分别提升0.5％和1％以上。

发明内容

本发明的目的是提供了一种P型晶体硅电池结构及其制作方法，将金属电极卷绕技术应用到背面钝化电池中，通过减少电池正面电极的光遮挡面积，使电池的正面得到改善；同时电池背面的钝化膜很好的解决了金属卷绕中的漏电问题；此外，采用局部金属电极和透明导电薄膜代替正面细栅线，使电池具有更优的发电能力。

为达到上述目的，本发明采用的制备技术方案为：

一种P型晶体硅电池结构，由正面至背面依次包括：透明导电薄膜、局部金属电极、正面减反射膜、正面钝化膜、N型掺杂层、P型晶硅基体、第一背面钝化膜、第二背面钝化膜、局部背场和背面正电极；电池正面的透明导电薄膜与局部金属电极接触将收集的电子横向传导，并通过穿透电池片的过孔电极导入电池背面的负极区域；电池背面的背面正电极和局部背场分布于过孔电极以外的区域，局部背场与背面正电极相互连接。

所述的局部金属电极穿透正面减反射膜及正面钝化膜，与N型掺杂层形成欧姆接触，透明导电膜将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；局部背场通过第一背面钝化膜及第二背面钝化膜上开设的背面开窗部分与P型硅基体形成欧姆接触，同时与背面正电极熔接，构成空穴收集器。

所述的背面正电极为栅线状，栅线的个数为3～15根，单个栅线的宽度为0.5～5mm。

所述的透明导电薄膜的材料为ITO、ZAO、GZO、IWO、FTO及石墨烯中的一种或多种薄膜的叠层，其厚度为50～500nm。

所述的局部金属电极为阵列图形，阵列图形包括类一维图形和/或二维图形，所述的类一维图形包括线段、虚线段、弧线、栅线状；所述二维图形包括：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形、扇形。所述类一维图形的线宽为20～200um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸均为20～200um，相邻两个图形中心距为0.5～2mm。制作方法可采用丝网印刷、喷印、电镀、溅射等，可能使用的浆料主要为具有烧穿性能的银浆或掺磷银浆。

所述的过孔电极设置在P型硅片上的通孔中，通孔在厚度方向贯通整个P型硅片，通孔内壁为N型掺杂层和钝化膜；通孔按等行距等列距阵列排布，单个通孔的直径为100～500um，每行或每列数量为4～10个。

所述的局部金属电极和背面正电极的材质为银、铝、铜、镍中的一种或多种金属合金。

所述的电池片为整片P型单/多晶电池，或分片后的P型单/多电池。

一种P型晶体硅电池结构的制作方法，具体步骤如下：

1)在P型硅片上采用激光形成若干相同大小的通孔，通孔在厚度方向贯通整个硅片，通孔按等行距等列距阵列排布；

2)将P型硅片进行表面织构化处理；

3)进行磷掺杂处理，在P型硅片的正面及通孔壁表层上形成N型层，掺杂后的方阻为40～100Ω/□；

4)在通孔及周边区域制作掩膜；

5)刻蚀去掉P型硅片正面的磷硅玻璃、背结及掩膜；

6)将刻蚀后的硅片在退火炉中进行退火处理，在硅片的表面生长一层致密的热氧化硅，同时掺杂层的杂质原子进行再分布；

7)在硅片的正面沉积正面钝化膜和正面减反射膜；在硅片的背面沉积第一背面钝化膜、第二背面钝化膜；

8)采用激光刻蚀或化学腐蚀法，在背面的第一背面钝化膜、第二背面钝化膜上按特定图形进行开膜，形成开窗部分，开膜图形为矩形矩阵状的多个平行线段或点的集合；

9)按如下步骤制作电池金属电极：①制作过孔电极，过孔浆料填满整个通孔，之后烘干；②在背面制作若干等间距排布的背面正电极，之后烘干；③在背面制作局部背场，局部背场与背面正电极连接在一起，且确保局部背场通过第一背面钝化膜及第二背面钝化膜上开设的背面开窗部分与P型硅基体形成欧姆接触，之后烘干；④在正面制作局部金属电极，局部金属电极制作的方法有两种：第一种，在硅片的正面按阵列图形涂覆具有较强烧穿性能的金属浆料；第二种，采用激光或化学腐蚀的方法在硅片正面按阵列图形去除正面的钝化膜及减反射膜，随后在开膜处通过电镀制作局部金属电极；

10)在300～900℃下进行热处理，正面局部金属电极穿透正面减反射膜及正面钝化膜，与N型掺杂层形成欧姆接触，透明导电膜将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；局部背场通过第一背面钝化膜及第二背面钝化膜上开设的背面开窗部分与P型硅基体形成欧姆接触，同时与背面正电极熔接在一起，构成空穴收集器；

11)在电池正表面制作透明导电薄膜，用于辅助进行正面的电子收集，完成制作过程。

相对于现有技术，本发明具有以下效益：

本发明将P型晶体硅PERC和MWT技术相结合，并进一步采用局部金属电极和透明导电薄膜代替常规MWT电池的正面电极进行电荷收集与传导，背面采用PERC技术钝化，形成一种P型晶体硅背接触电池。该新型电池采用局部金属电极和透明导电薄膜代替正面细栅线，使电池具有更优的发电能力。不但可以减少电池正面的光遮挡面积，还可以通过背面的钝化膜防止电极卷绕后漏电，可显著提升P型晶体硅电池的转换效率。使两种高效晶硅电池技术很好的结合在一起，其效果明显好于单独使用其某一项技术。

本发明的制作方法，先在硅片上开通孔，进行表面织构化处理，再进行掺杂处理，对通孔及周边区域制作掩膜，并刻蚀背结、去磷硅玻璃和掩膜，再按照常规工艺制作正面减反射膜、正面钝化膜；在P型硅片的背面沉积第一背面钝化膜、第二背面钝化膜；在背面钝化膜上开窗后，制作过孔电极，背面正电极、局部背场、正面负极局部金属电极，再次进行热处理。然后制作透明导电薄膜层，该操作过程，由内到外依次制备电池的各个结构，操作过程简单，制得的电池性能良好。

附图说明

图1是沿背面正电极截面方向的剖面图；

图2是电池正表面电极图形；

图3是电池背表面电极图形。

其中，1为透明导电薄膜，2为减反射膜，3为正面钝化膜，4为N型膜，5为P型晶硅基体，6为第一背面钝化膜，7为第二背面钝化膜，8为背面正电极，9为局部金属电极，10为过孔电极，11为局部背场。

具体实施方式

如图1至3所示，本发明提供的一种P型晶体硅电池结构，P型晶硅电池从正面至背面包括：正面透明导电薄膜1、正面局部金属电极9、减反射膜2、钝化膜3、N型掺杂层4、P型晶硅基体5、背面钝化膜6和7、局部背场11及背面正电极8。电池正面的局部金属电极9强化收集电子，透明导电薄膜1将收集的电子横向传导，并通过过孔电极10导入背面的负极区域；背面的钝化膜6和7很好的隔离了电池背面的正负极，避免漏电；电池背面正极分布于非过孔电极区域，将电池背面收集的空穴导入背面正电极。

本发明提供的一种P型晶体硅电池的制作方法，在硅片上激光开孔，之后依次经过制绒、扩散、掩膜、清洗、镀膜、背面钝化膜激光开孔、印刷、烧结工序处理，制成可进行光电转换的背面钝化P型晶硅电池。具体步骤如下：

(1)在P型硅片上采用激光形成若干相同大小的通孔，通孔在厚度方向贯通整个硅片，通孔按等行距等列距阵列排布，单个通孔的直径为100～500um，数量为4×4～10×10个。所述P型硅片为掺镓、铝、硼等一种或多种元素的单晶或多晶硅片。

(2)将晶体硅片进行表面织构化处理，可以采用化学药液腐蚀、等离子刻蚀、金属催化、激光刻蚀等方法。

(3)进行磷掺杂处理，在硅片的正面及通孔壁表层上形成N型层4，

掺杂的方法可以采用常压扩散、低压扩散、离子注入、杂质浆料涂敷等，掺杂剂为POCl₃、PH₃或其他含磷浆料等。掺杂的方法可以采用激光掺杂、低压扩散、常压扩散、离子注入、杂质浆料涂敷加热处理等方式。掺杂后的方阻为40～100Ω/□。

(4)在通孔及周边区域制作掩膜，以保护孔壁及正面孔周边区域的掺杂层。采用的方法为喷墨、印刷等。掩膜为石蜡等耐腐蚀性化学物质。

(5)刻蚀去掉硅片正面的磷硅玻璃、背结及掩膜，刻蚀的方法可采用湿法刻蚀或干法刻蚀。

(6)将刻蚀后的硅片在退火炉中进行退火处理，在硅片的表面生长一层致密的热氧化硅，同时掺杂层的杂质原子进行再分布。

(7)在硅片的正面沉积5～50nm的钝化膜3和50～100nm的减反射膜2；

在硅片的背面沉积5～150nm的钝化膜6和7。钝化膜可以是氧化铝、氧化硅、非晶硅等薄膜的一种或多种薄膜叠层，减反射膜可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化钛、碳化硅等薄膜的一种或多种薄膜叠层。

(8)采用激光刻蚀或化学腐蚀法，在背面的钝化膜上按特定图形进行开膜，开膜图形为矩形矩阵状的多个平行线段或点的集合，使得电池局部背场可以和硅基形成良好的欧姆接触。

(9)按如下步骤制作电池金属电极：①采用真空协助丝网印刷的方法制作过孔电极，过孔浆料填满整个通孔，过孔浆料为无烧穿性能或低烧穿性能的银浆，之后烘干；②在背面制作若干相互平行且等间距排布的栅线状背面正电极8，制作方法可采用丝网印刷、喷印、电镀、溅射等，栅线的个数为3～15根，栅线的宽度为0.5～5mm，可能使用的浆料主要为银浆或银/铝浆，在生产中过孔电极和背面电正极可使用同一种银浆，以简化生产工艺，之后烘干；③在背面制作局部背场11，局部背场11与背面正电极8连接在一起，制作方法可采用丝网印刷、喷印、电镀、溅射等，可能使用的浆料主要为铝浆或银/铝浆，之后烘干；④在正面制作局部金属电极9，正面局部金属电极9为阵列图形，包括类一维图形、二维图形或类一维图形与二维图形的组合，所述类一维图形包括线段、虚线段、弧线、栅线状；所述二维图形包括：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形、扇形等。所述类一维图形的线宽为20～200um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸均为20～200um，相邻两个图形中心距为0.5～2mm。制作方法可采用丝网印刷、喷印、电镀、溅射等，可能使用的浆料主要为具有烧穿性能的银浆或掺磷银浆。

(10)在300～900℃下进行热处理，正面局部金属电极9穿透减反射膜3及钝化膜4，与N型硅层4形成良好的欧姆接触，透明导电膜将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；背面局部背场11通过背面开窗部分与P型硅基体5形成良好的欧姆接触，同时与背面正电极8熔接在一起，构成空穴收集器。

(11)在电池正表面制作透明导电薄膜，辅助进行正面的电子收集，其材料可以是ITO、ZAO、GZO、IWO、FTO及石墨烯等一种或多种薄膜的叠层，其厚度为50-500nm，制作方法可采用PVD、CVD、旋涂、印刷等。

实施例1：

(1)在P型单晶硅片上采用激光形成5×5个等距排布的通孔，单个通孔的直径为500um。

(2)将制作通孔后的P型单晶硅片于80℃左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构。

(3)在800～900℃下以POCl3为掺杂剂进行低压扩散，在硅片的正面及通孔壁表层上形成N型层，掺杂后的方阻为75Ω/□。

(4)采用喷墨的方法在通孔及其周边区域喷印石蜡。

(5)采用湿法刻蚀去掉硅片正面的磷硅玻璃、背结及石蜡。

(6)将刻蚀后的硅片在退火炉中于650℃下进行退火处理，在硅片的表面生长一层致密的热氧化硅。

(7)在硅片的背面采用PECVD的方法先后沉积25nm的氧化铝和60nm的氮化硅；在硅片的正面沉积80nm的氮化硅。

(8)采用激光在背面的钝化膜上按特定图形进行开膜。

(9)按如下步骤制作电池电极：①采用真空协助丝网印刷的方法制作过孔银电极，之后烘干；②采用丝网印刷的方法在背面制作栅线状背面正电极，栅线的个数为5根，且相互平行等间距排布，单个栅线的宽度为2.5mm，之后烘干；③采用丝网印刷的方法在背面印刷局部背场，之后烘干；④采用丝网印刷的方法在正面制作方形矩阵排列的局部金属电极，点状局部金属电极直径为100μm，点间距为3mm。

(10)在300～900℃下进行热处理，使正面负极局部金属电极穿透减反射膜及钝化膜，与N型硅层形成良好的欧姆接触，透明导电膜将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；背面正极局部背场通过背面开窗部分与P型硅基体形成良好的欧姆接触，同时与背面正电极熔接在一起，构成空穴收集器。

(11)在电池正表面采用PVD法制作ITO透明导电薄膜，厚度为100nm。

实施例2：

(1)在P型多晶硅片上采用激光形成6×6个等距排布的通孔，单个通孔的直径为400um。

(2)将制作通孔后的P型多晶硅片于干法等离子制绒设备中，获得多状微纳结构，之后在BOE溶液中进行表面修饰。

(3)以PH3作为杂质，采用离子注入的方法进行掺杂，在硅片的正面及通孔壁表层上形成N型层，掺杂后的方阻为80Ω/□。

(4)采用喷墨的方法在通孔及其周边区域喷印石蜡。

(5)采用湿法刻蚀去掉硅片正面的磷硅玻璃、背结及石蜡。

(6)在硅片的背面采用ALD的方法先后沉积20nm的氧化铝和60nm的氮化硅；在硅片的正面采用ALD的方法先后沉积20nm的氧化硅和70nm的氮化硅。

(7)采用激光在背面的钝化膜上按特定图形进行开膜。

(8)按如下步骤制作电池电极：①采用真空协助丝网印刷的方法制作过孔银电极，之后烘干；②采用丝网印刷的方法在背面制作栅线状背面正电极，栅线的个数为6根，且相互平行等间距排布，单个栅线的宽度为2mm，之后烘干；③采用丝网印刷的方法在背面印刷局部背场，之后烘干；④采用丝网印刷的方法在正面制作方形矩阵排列的局部金属电极，线状局部金属电极宽度为100μm，长度为300μm，同一行两个线段中心间距为2mm，同一列两个中心线段间距为2mm。

(9)在300～900℃下进行热处理，使正面负极局部金属电极穿透减反射膜及钝化膜，与N型硅层形成良好的欧姆接触，透明导电膜将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；背面正极局部背场通过背面开窗部分与P型硅基体形成良好的欧姆接触，同时与背面正电极熔接在一起，构成空穴收集器。

(10)在电池正表面采用CVD法制作石墨烯透明导电薄膜，厚度为80nm。

本发明创造性的将P型晶体硅PERC和MWT技术相结合，并进一步采用局部金属电极和透明导电薄膜代替常规MWT电池的正面电极进行电荷收集与传导，背面采用PERC技术钝化，形成一种P型晶体硅背接触电池。该新型电池不但可以减少电池正面的光遮挡面积，还可以通过背面的钝化膜防止电极卷绕后漏电，可显著提升P型晶体硅电池的转换效率。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种P型晶体硅电池结构，其特征在于，由正面至背面依次包括：透明导电薄膜(1)、局部金属电极(9)、正面减反射膜(2)、正面钝化膜(3)、N型掺杂层(4)、P型晶硅基体(5)、第一背面钝化膜(6)、第二背面钝化膜(7)、局部背场(11)和背面正电极(8)；电池正面的透明导电薄膜(1)与局部金属电极(9)接触将收集的电子横向传导，并通过穿透电池片的过孔电极(10)导入电池背面的负极区域；电池背面的背面正极(8)和局部背场(11)分布于过孔电极(10)以外的区域，局部背场(11)与背面正电极(8)部分重叠。

2.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的局部金属电极(9)穿透正面减反射膜(2)及正面钝化膜(3)，与N型掺杂层(4)形成欧姆接触，透明导电膜(1)将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；局部背场(11)通过第一背面钝化膜(6)及第二背面钝化膜(7)上开设的背面开窗部分与P型硅基体(5)形成欧姆接触，同时与背面正电极(8)熔接，构成空穴收集器。

3.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的背面正电极(8)为栅线状，栅线的个数为3～15根，单个栅线的宽度为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的透明导电薄膜的材料为ITO、ZAO、GZO、IWO、FTO及石墨烯中的一种或多种薄膜的叠层，其厚度为50～500nm。

5.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的局部金属电极(9)为阵列图形，阵列图形包括类一维图形和/或二维图形，所述的类一维图形包括线段、虚线段、弧线、栅线状；所述二维图形包括：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形、扇形；所述类一维图形的线宽为20～200um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸均为20～200um，相邻两个图形中心距为0.5～2mm。

6.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的过孔电极(10)设置在P型硅片上的通孔中，通孔在厚度方向贯通整个P型硅片，通孔内壁为N型掺杂层(4)和钝化膜；通孔按等行距等列距阵列排布，单个通孔的直径为100～500um，每行或每列数量为4～10个。

7.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的局部金属电极(9)和背面正电极(8)的材质为银、铝、铜、镍中的一种或多种金属合金。

8.根据权利要求1所述的P型晶体硅电池结构，其特征在于，所述的电池片为整片P型单/多晶电池，或分片后的P型单/多电池。

9.一种P型晶体硅电池结构的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)在P型硅片上采用激光形成若干相同大小的通孔，通孔在厚度方向贯通整个硅片，通孔按等行距等列距阵列排布；

2)将P型硅片进行表面织构化处理；

3)进行磷掺杂处理，在P型硅片的正面及通孔壁表层上形成N型层(4)，掺杂后的方阻为40～100Ω/□；

4)在通孔及周边区域制作掩膜；

5)刻蚀去掉P型硅片正面的磷硅玻璃、背结及掩膜；

6)将刻蚀后的硅片在退火炉中进行退火处理，在硅片的表面生长一层致密的热氧化硅，同时掺杂层的杂质原子进行再分布；

7)在硅片的正面沉积正面钝化膜(3)和正面减反射膜(2)；在硅片的背面沉积第一背面钝化膜(6)、第二背面钝化膜(7)；

8)采用激光刻蚀或化学腐蚀法，在背面的第一背面钝化膜(6)、第二背面钝化膜(7)上按特定图形进行开膜，形成开窗部分，开膜图形为矩形矩阵状的多个平行线段或点的集合；

9)按如下步骤制作电池金属电极：①制作过孔电极(10)，过孔浆料填满整个通孔，之后烘干；②在背面制作若干等间距排布的背面正电极(8)，之后烘干；③在背面制作局部背场(11)，局部背场(11)与背面正电极(8)连接在一起，且确保局部背场(11)通过第一背面钝化膜(6)及第二背面钝化膜(7)上开设的背面开窗部分与P型硅基体(5)形成欧姆接触，之后烘干；④在正面制作局部金属电极(9)，局部金属电极制作的方法有两种：第一种，在硅片的正面按阵列图形涂覆具有较强烧穿性能的金属浆料；第二种，采用激光或化学腐蚀的方法在硅片正面按阵列图形去除正面的钝化膜及减反射膜，随后在开膜处通过电镀制作局部金属电极；

10)在300～900℃下进行热处理，正面局部金属电极(9)穿透正面减反射膜(2)及正面钝化膜(3)，与N型掺杂层(4)形成欧姆接触，透明导电膜(1)将局部金属电极和过孔电极连接为一个整体，构成电子收集器；局部背场(11)通过第一背面钝化膜(6)及第二背面钝化膜(7)上开设的背面开窗部分与P型硅基体(5)形成欧姆接触，同时与背面正电极(8)熔接在一起，构成空穴收集器；

11)在电池正表面制作透明导电薄膜，用于辅助进行正面的电子收集，完成制作过程。