CN107068777A - 一种局部铝背场太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局部铝背场太阳能电池，包括晶体硅片，所述晶体硅片的背面设有钝化层和背电极，所述晶体硅片的前面设有发射极、减反射层和前电极，其特征是：所述晶体硅片的背面的钝化层上设有激光开孔或开槽，所述激光开孔或开槽上设有覆盖所述开孔或开槽的第一层局部背面铝浆，其中所述第一层局部背面铝浆与所述前电极和背电极共同烧结形成，所述第一层局部背面铝浆上设有经高温处理的第二层背面铝浆。该局部铝背场太阳能电池通过优化铝浆印刷以及烧结的工艺使得局部铝背场电池的空洞率大为减小，从而解决了电致发光时出现的黑点黑线问题，提高了电池的光电转化效率。还公开了上述局部铝背场太阳能电池的制备方法。

Description

一种局部铝背场太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种局部铝背场太阳能电池及其制备方法。
背景技术
光伏技术是一门利用大面积的p-n结二极管将太阳能转化为电能的技术。这个p-n结二极管叫做太阳能电池。制作太阳能电池的半导体材料都具有一定的禁带宽度，当太阳能电池受到太阳辐射时，能量超过禁带宽度的光子在太阳电池中产生电子空穴对，p-n结将电子空穴对分离，p-n结的非对称性决定了不同类型的光生载流子的流动方向，通过外部电路连接可以向外输出功率。这跟普通的电化学电池原理类似。
工业化生产p型晶硅太阳能电池通常采用全铝背场结构，即背面整面印刷铝浆，烧结后形成铝背场。这种结构的缺点是没有背面钝化和背面反射率低，从而影响了电池的电压和电流性能。局部铝背场电池克服了以上缺点，这种电池采用具有钝化效果的薄膜钝化电池背表面同时增加背表面反射率。钝化膜有效钝化硅材料表面存在的大量悬垂键和缺陷(如位错，晶界以及点缺陷等)，从而降低光生载流子硅表面复合速率，提高少数载流子的有效寿命，从而促进太阳能电池光电转化效率的提升。钝化膜同时具有增加背面反射的效果，从而增加硅体材料对太阳光的吸收，提高光生载流子的浓度从而增加光电流密度。
钝化膜的种类和制备方法包括：PECVD非晶硅薄膜、PECVD SiCx薄膜、热氧、湿氧或者旋涂形成的氧化硅薄膜、SiO2/SiNx叠层薄膜、CVD、MOCVD、PECVD、APCVD或者ALD制备的Al2O3薄膜、Al2O3/SiNx叠层薄膜等等。
为了能将电流导出，通常需要在背面钝化膜上开孔或者开线，再印刷铝浆烧结后形成局部铝背场。孔或者线的总面积一般占背面的1-15％，面积过小会增加背面的接触电阻，过大则增加了背面的复合速率，两种情况都会影响电池的光电转化效率。开孔或者开线一般采用激光或者化学腐蚀的办法。印刷铝浆一般采用全背场图形，即铝浆覆盖除背电极以外的全部背面区域。
在太阳能电池烧结过程中，正反面同时形成良好的金属-半导体接触，正面 银浆用于接触发射极，背面铝浆在烧结过程中和硅形成液相铝硅合金并在降温过程中在激光开孔的位置形成掺铝的外延硅即局部铝背场以及铝硅合金。由于液相铝硅合金在降温的过程中有部分的硅扩散到印刷铝金属层中而不是回到原位，导致在激光开孔的位置有一定的几率形成空洞，这些空洞里面没有填充铝硅合金并且局部铝背场偏薄导致这些位置表面复合速率较高，从而在电致发光的图形上显现为黑点或者黑线并且对电池的电性能产生负面影响。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种局部铝背场太阳能电池，该局部铝背场太阳能电池通过优化铝浆印刷以及烧结的工艺使得局部铝背场电池的空洞率大为减小，从而解决了电致发光时出现的黑点黑线问题，提高了电池的光电转化效率。
本发明的目的还在于提供上述局部铝背场太阳能电池的制备方法，该制备方法与现有工艺兼容性高，成本低，效果佳。
本发明的上述第一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种局部铝背场太阳能电池，包括晶体硅片，所述晶体硅片的背面设有钝化层和背电极，所述晶体硅片的前面设有发射极、减反射层和前电极，所述晶体硅片的背面的钝化层上设有激光开孔或开槽，所述激光开孔或开槽上设有覆盖所述开孔或开槽的第一层局部背面铝浆，其中所述第一层局部背面铝浆与所述前电极和背电极共同烧结形成，所述第一层局部背面铝浆上设有经高温处理的第二层背面铝浆。
本发明中的局部铝背场太阳能电池，其前端工艺与常规局部铝背场电池无异，创新点在于金属印刷烧结的改变。
其中前端工艺包含但不限于制绒、扩散、去PSG，钝化膜沉积这几个工艺步骤，背面钝化膜可以为Al2O3/SiNx，SiO2/SiNx，SiO2/Al2O3/SiNx等，进一步优选Al2O3/SiNx作为背面钝化层，钝化层膜厚为60～200nm。
常规的局部铝背场电池是印刷完正面和反面的金属浆料后在烧结炉里共烧形成正面银硅的欧姆接触和背面局部铝背场。
而本发明在金属化时先制备(采用印刷等工艺，举例但不限定)背电极，接着制备(采用如印刷等工艺，举例但不限定)第一层局部背面铝浆，再印刷正面金属栅线(即前电极)，接着完成正反面浆料(背电极浆料、第一层局部背面铝浆和前电极浆料)的共烧，最后印刷第二层背面铝浆，高温烘干使其固化并粘附 到硅片表面。
相比于常规的金属化工艺增加了印刷第二层背面铝浆和高温烘干的步骤并且第一层局部背面铝浆的图形也需要调整，第一层局部背面铝浆的图形需要能够覆盖激光开孔的位置，在尺寸上略大于激光开孔的图型。
本发明所述第二层背面铝浆与所述背电极和所述第一层局部背面铝浆直接或间接电连接。
本发明所述第一层局部背面铝浆完全覆盖所述激光开孔或开槽，所述第一层局部背面铝浆的图形与所述激光开孔或开槽的图形相适配，且所述第一层局部背面铝浆的厚度一般优选为2～40μm。
本发明中的激光开孔或开槽的图形可以为本领域常规的平行线段，虚线线段，点阵等设计，开孔或开槽的面积优选占电池背面总面积的1～8％。
本发明所述的第一层局部背面铝浆其尺寸只需要比激光开口的尺寸略大即可，具体取决于印刷机和网版的达到的精度能力，其尺寸拓展不宜超过2mm以便获得较低的空洞率。
作为本发明的一种优选方式，激光开孔采用点阵的图形，点的直径为20～300μm，点与点之间的间距为50～900μm，第一层局部背面铝浆的直径优选为40～350μm，能够完全覆盖激光点。
本发明所述第二层背面铝浆需要全部覆盖所述第一层局部背面铝浆，且全部或部分覆盖所述晶体硅片的背面，所述第二层背面铝浆的面积占所述晶体硅片背面总面积的4～100％，所述第二层背面铝浆的厚度为2～40μm。
本发明所述的第二层背面铝浆需要覆盖或者连接到第一层局部背面铝浆以方便收集电流，第二层铝浆可以覆盖全部或者部分覆盖硅片背面。
本发明所述共同烧结的温度为600～900℃。局部铝背场电池的烧结曲线与普通晶体硅电池类似。
本发明所述高温处理的温度为200～800℃。经过高温处理后铝浆中的有机载体挥发，玻璃料蚀刻背面钝化层的表层从而使得第二层背面铝浆与背面钝化层形成良好的粘附力。
本发明所述的前电极金属浆料和背电极金属浆料一般包含银粉、玻璃粉、有机载体和助剂，有机载体由有机溶剂和增稠剂混合而成，银粉由球形银粉和片状 银粉混合而成，这些都可以通过购买市售成品实现或者购买市售原料配制获得。
本发明所述的背面铝浆一般包含铝粉、玻璃粉、有机载体、抗翘曲添加剂和助剂，这些也都可以通过购买市售成品实现或者购买市售原料配制获得。
本发明所述晶体硅片优选为p型单晶硅片，所述p型单晶硅片沉积钝化层之前先经包括轻掺杂、制绒、清洗、扩散、去背结和去磷硅玻璃中的一种或几种工序处理。
本发明的上述第二个目的是通过以下技术方案来实现的：上述局部铝背场太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：选取晶体硅片，经包括背面钝化层设置、前面发射极和减反射层设置以及背面激光开孔或开槽的前处理后再设置背面铝浆步骤，其中背面铝浆采用两层印刷，首先在所述激光开孔或开槽上设置覆盖所述激光开孔或开槽的第一层局部背面铝浆，接着在所述晶体硅片的前表面设置前电极，然后将第一层局部背面铝浆、背电极和前电极进行共烧结，最后在第一层局部背面铝浆上设置第二层背面铝浆，经高温处理形成局部铝背场太阳能电池。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：由于第一层铝浆的尺寸仅仅比激光开孔的位置略大，在烧结降温过程中铝硅合金中的硅向铝浆层扩散的范围受限，减少了硅向铝浆层扩散的数量从而降低了空洞形成的概率，进而解决了电致发光时出现的黑点黑线问题，提高了电池的光电转化效率。
附图说明
图1是局部铝背场电池的结构示意图；
图2是实施例1中局部铝背场太阳能电池激光开槽图形的示意图；
图3是实施例2中局部铝背场太阳能电池激光开孔图形的示意图；
图4是实施例1中局部铝背场太阳能电池印刷第一层铝浆并烧结后的示意图；
图5是实施例1局部铝背场太阳能电池印刷第二层后铝浆的示意图；
其中：1、晶体硅片，2、钝化层，3、背电极，4、发射极，5、减反射层，6、前电极，71、开槽，711、开槽宽度，712、开槽间距，72、开孔，721、开孔直径，722、开孔间距，8、第一层局部背面铝浆，9、第二层背面铝浆，11、空洞，12、铝硅合金，13、局部铝背场。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例提供的局部铝背场太阳能电池，包括晶体硅片1，晶体硅片的背面设有钝化层2和背电极3，晶体硅片的前面设有发射极4、减反射层5和前电极6，晶体硅片的背面的钝化层2上设有激光开槽71，激光开槽71上设有覆盖开槽71的第一层局部背面铝浆8，其中第一层局部背面铝浆8与前电极6和背电极3共同烧结形成，第一层局部背面铝浆8上设有经高温处理的第二层背面铝浆9。
第二层背面铝浆9与背电极3和第一层局部背面铝浆8直接或间接电连接。
第一层局部背面铝浆8完全覆盖激光开槽71，第一层局部背面铝浆8的图形与激光开槽的图形相适配，且第一层局部背面铝浆8的厚度为2～40μm。
第二层背面铝浆9全部覆盖第一层局部背面铝浆8，且全部覆盖晶体硅片的背面(背电极3部位除外)，第二层背面铝浆9的面积占晶体硅片背面总面积的4～100％，第二层背面铝浆9的厚度为2～40μm。
共同烧结的温度为800℃。
高温处理的温度为400℃。
晶体硅片1为p型单晶硅片，p型单晶硅片沉积钝化层之前先经包括轻掺杂(形成发射极4，即n+掺杂区、制绒、清洗、扩散、去背结和去磷硅玻璃几种工序处理。
上述局部铝背场太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取电阻率在0.1～10Ω·cm的轻掺杂的p型单晶硅片，将其置于制绒槽中，在重量百分含量为0.5～5％的氢氧化钠去离子水溶液中，在温度为75～90℃的条件下进行表面织构化形成绒面结构；
(2)对硅片表面进行清洗，采用化学溶液进行清洗，化学溶液为氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸及其他添加剂的一种或多种混合水溶液，清洗时间为0.5～60分钟，温度为5～90℃；
(3)将以上制绒片进行清洗后，置于700～1000℃的炉管中进行磷(P)扩散制备n型发射极4，扩散时间为70～150min，扩散后发射极方块电阻为50～100Ohm/sq；
(4)将上述扩散后硅片置于湿法刻蚀机或者碱抛光机中去除背结和磷硅玻 璃；
(5)背面沉积5～30nm氧化铝，再在氧化铝上沉积60～200nm氮化硅形成叠层钝化膜(钝化层2)用于钝化背表面并增加背面光反射；
(6)PECVD生长SiNx作为正面钝化膜和减反射层(减反射层5)，膜厚为75～88nm，折射率1.9～2.3之间；
(7)利用激光或者化学腐蚀的方法在背面钝化层上开槽71，如图2所示，开槽的宽度711为40μm，开槽间距712为1000μm，开槽时也可采用虚线方式；
(8)背面电极印刷：在硅片背面印刷背电极银浆用于组件焊接；
(9)背面第一层局部背面铝浆印刷，如图4，印刷第一层局部背面铝浆覆盖激光开槽区域，第一层局部背面铝浆图形与激光图形类似，为平行线段，铝线宽度为100μm，线间距为1000μm；
(10)正面电极印刷：在硅片磷扩散面(发射极面)上采用丝网印刷方法印刷正面金属电极所采用的金属为银(Ag)；
(11)高温快速烧结：将印刷完的硅片置于烧结炉中烧结，优化烧结温度为800℃，经烧结后正面金属银穿过SiNx钝化减反膜与发射极形成欧姆接触，第一层局部背面铝浆和开槽区域的硅基体反应形成铝硅合金12和局部铝背场13。
由于本实施例铝线宽度很窄，限制了铝硅合金在冷却时硅向第一层铝浆中的扩散，使得空洞11的比例大大降低。
(12)印刷第二层背面铝浆，如图5所示，第二层背面铝浆须要与背电极直接或者间接将电流导出同时第二层背面铝浆须要与第一层背面铝浆直接或者间接连接将电流全部收集，这里第二层背面铝浆采用整面印刷的方式只有背电极的地方不印刷；
(13)400℃，3分钟高温处理，使得第二层背面铝浆固化，形成局部铝背场太阳能电池。
实施例2
与实施例1不同的是：这里第二层背面铝浆采用镂空印刷的图形，铝浆面积占电池总面积为30％。
实施例3
与实施例1不同的是：这里激光采用开孔的方式，如图3，开孔直径721为200μm,孔间距722为700μm，第一层铝浆也是和激光孔一样排列，直径比开孔直径略大，为300μm，第二层铝浆采用整面印刷的方式，只有背电极的地方不印刷。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种局部铝背场太阳能电池，包括晶体硅片，所述晶体硅片的背面设有钝化层和背电极，所述晶体硅片的前面设有发射极、减反射层和前电极，其特征是：所述晶体硅片的背面的钝化层上设有激光开孔或开槽，所述激光开孔或开槽上设有覆盖所述开孔或开槽的第一层局部背面铝浆，其中所述第一层局部背面铝浆与所述前电极和背电极共同烧结形成，所述第一层局部背面铝浆上设有经高温处理的第二层背面铝浆。
2.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述第二层背面铝浆与所述背电极和所述第一层局部背面铝浆直接或间接电连接。
3.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述第一层局部背面铝浆完全覆盖所述激光开孔或开槽，所述第一层局部背面铝浆的图形与所述激光开孔或开槽的图形相适配，且所述第一层局部背面铝浆的厚度为2～40μm。
4.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述第二层背面铝浆全部覆盖所述第一层局部背面铝浆，且全部或部分覆盖所述晶体硅片的背面，所述第二层背面铝浆的面积占所述晶体硅片背面总面积的4～100％，所述第二层背面铝浆的厚度为2～40μm。
5.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述共同烧结的温度为600～900℃。
6.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述高温处理的温度为200～800℃。
7.根据权利要求1所述的局部铝背场太阳能电池，其特征是：所述晶体硅片为p型单晶硅片，所述p型单晶硅片沉积钝化层之前先经包括轻掺杂、制绒、清洗、扩散、去背结和去磷硅玻璃中的一种或几种工序处理。
8.权利要求1-7任一项所述局部铝背场太阳能电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：选取晶体硅片，经包括背面钝化层设置、前面发射极和减反射层设置以及背面激光开孔或开槽的前处理后再设置背面铝浆步骤，其中背面铝浆采用两层印刷，首先在所述激光开孔或开槽上设置覆盖所述激光开孔或开槽的第一层局部背面铝浆，接着在所述晶体硅片的前表面设置前电极，然后将第一层局部背面铝浆、背电极和前电极进行共同烧结，最后在第一层局部背面铝浆上设置第二层背面铝浆，经高温处理形成局部铝背场太阳能电池。
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