CN107482079A - 选择性发射结及隧穿氧化高效n型电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，包括在去除硅片损伤层后进行制绒，在正面形成硼掺杂P+发射结，用激光处理形成局域重掺杂区，在硅片背面生长超薄的隧穿氧化层及掺磷硅薄膜，在P+发射结的表面沉积三氧化二铝层，在硅片正面生长氢化氮化硅钝化减反射层，最后在硅片的正面印刷Ag/Al浆料，背面通过金属化形成Ag或Al的金属化欧姆接触结构，用烘干炉进行低温退火，改善电极接触性能。与现有技术相比，本发明采用正面选择性发射极和背面一层超薄的(<4nm)的隧穿氧化层和磷掺杂硅薄膜，能够极大地减少正面和背面的金属‑半导体表面复合，其最明显的优势在于兼容传统电池制作工艺的基础上能够极大地提升电性能参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶硅电池的制作方法，尤其是涉及一种前表面的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法。
背景技术
随着太阳能光伏市场的发展，人们对高效的晶体硅电池的需求越来越急迫。N型晶体硅电池相对P型晶体硅电池而言，由于N型晶体硅对金属杂质不敏感，或者说具有很好的忍耐性能，因此N型晶体硅中少数载流子具有较大的扩散长度。此外，由于N型晶体硅采用磷掺杂，因此不存在因光照而导致的B-O络合体的形成，因而不存在P型晶体硅电池中的光致衰退现象。N型晶体硅电池逐渐成为众多研究机构和光伏企业关注的对象。
现有的较成熟的晶体硅太阳能电池制备技术，普遍采用均匀性发射结掺杂，丝网印刷电极工艺。为了减小银、硅接触电阻，必须提高太阳能电池发射结表面掺杂浓度；而与此同时为了降低太阳能表面发射结的复合，提升太阳能电池的短波响应，必须降低太阳能电池的发射结掺杂浓度。选择性发射结太阳能电池有效地解决了这对矛盾，但现有设备成本较高，或重复性较差，电池制备方法均不是十分理想。
中国专利CN102544198A公开了一种选择性发射结晶体硅太阳能电池的制备方法，包括单步高浓度掺杂扩散，然后采用印刷工艺在电极区域印刷抗腐蚀浆料，非电极区域经过化学腐蚀实现轻掺杂的发射结，再除去抗腐蚀阻挡层，最后采用常规太阳能制备方法制得选择性发射结晶体硅太阳能电池，但是该专利申请仍然采用的是N型晶体硅电池背部点接触，因此电学性能没有很大的提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼容传统电池制作工艺的基础上能够极大地提升电性能参数的前表面选择性发射结及背面隧穿氧化钝化接触高效电池的制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，采用以下步骤：
(1)利用碱溶液去除硅片的损伤层，并对硅片进行制绒；
(2)在硅片的正面进行硼掺杂，形成硼掺杂P+发射结；
(3)对硼掺杂P+发射结表面进行激光掺杂，形成激光重掺杂P++发射结；
(4)去除硅片正面的硼硅玻璃层，对硅片进行边绝缘和背面抛光；
(5)在硅片的背面生长一层隧穿氧化层，然后进行磷掺杂，形成掺磷硅薄膜；
(6)在硅片的正面沉积三氧化二铝层；
(7)在硅片的正面生长氢化氮化硅钝化减反射层；
(8)在硅片的正面与背面印刷金属电极或金属浆料，确保电极与硅片间形成良好的接触，即完成电池的制备。
步骤(1)所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，温度为40℃-85℃，pH值为8-11，浓度为1-3wt％，制绒后在硅片双面形成1μm-8μm的金字塔绒面。步骤(2)所述的硼掺杂的浓度为1×1019cm-3-1×1021cm-3，结深控制在0.4μm-2μm；
硼掺杂在硼源高温扩散炉管中进行，温度为800℃-1000℃，扩散时间为10min-100min，然后通入氧气和氮气混合气体推结。
步骤(3)所述的激光掺杂利用纳秒激光器或皮秒激光器，激光掺杂宽度为50μm-300μm；激光掺杂形式采用连续或非连续掺杂图形，激光掺杂后掺杂区域方块电阻在20Ω-60Ω。
步骤(4)利用HF溶液去除硼硅玻璃层，采用HF与HNO3的混酸溶液对硅片进行边绝缘和背面抛光。
步骤(5)所述的遂穿氧化层厚度在1nm-4nm以下，采用HNO3湿法氧化、臭氧干法或热氧化方式形成，
所述的HNO3湿法氧化采用体积浓度为60％-70％的浓硝酸氧化硅片的表面，控制温度为20℃-120℃，反应时间不超过10min，完成浓硝酸氧化；
所述的臭氧干法采用体积浓度为50％-90％的臭氧氧化硅片的表面，控制温度为20℃-100℃，反应时间不超过10min，完成臭氧氧化；
所述的热氧化指在氧气氛围下对硅片表面进行加热，控制温度为500℃-800℃，时间不超过30min，完成热氧化。
步骤(5)所述的掺磷硅薄膜的厚度为10nm-4μm，磷掺杂采用化学气相沉积法形成本征硅薄膜，后续进行磷注入或POCl3扩散掺杂；或者直接原位形成磷掺杂硅薄膜，然后在850℃-1000℃条件下进行高温退火推结。
步骤(6)所述的三氧化二铝层的厚度为3nm-30nm，所述沉积的方式采取原子层沉积技术或等离子体增强化学气相沉积法。
步骤(7)所述的氢化氮化硅钝化减反射层的厚度为65nm-95nm，所述生长的方式采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射法。
步骤(8)采用丝网印刷方法在硅片正面印刷Ag/Al浆料，背面采用蒸镀Al或Ag，并进行烧结，后续通过300℃-500℃进行退火。
本发明与常规电池技术不同之处在于前表面采取了激光掺杂形成的局域重掺杂的发射极，而在背面采取了隧穿氧化钝化层及掺杂的多晶硅层这种复合结构的制备，这种方法的关键之处在前表面局域的重掺杂的选择性发射极，背表面超薄的隧穿氧化层的制备控制方面及制备前与硅基底间的界面状态的处理，这样使得在电学性能中的开路电压Voc、短路电流Jsc及填充因子FF都得到相应的提升，从而大大提升电池的转换效率。
与现有技术相比，本发明取代N型晶体硅电池背部点接触的机制，采用正面的选择性发射极及背面一层超薄的(<4nm)的隧穿氧化SiO2和一层磷掺杂硅薄膜。电池正面通过制备选择性发射结，能有效降低电池正面复合，与常规相比，电池Voc有10mV-20mV的提升空间。在电池背面，为了有效降低硅片与金属半导体接触界面的复合，采用的表面遂穿结果，能够大幅度改善电池背面复合速度，将电池背面复合速度降低到40fA·cm-2水平以下。电池结构(与IBC、HIT高效电池相比较)简单，且能容易转移到现有大规模生产中，实现规模化批量生产。
附图说明
图1为本发明制得的晶硅电池的结构示意图。
图中，1-N型硅片、2-硼掺杂P+发射结、3-激光重掺杂P++发射结、4-三氧化二铝层钝化层、5-氮化硅钝化减反射层、6-金属电极、7-隧穿氧化钝化层、8-掺磷硅薄膜、9-接触金属化区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，该方法采用以下步骤，所制得的晶硅电池的结构示意图如图1所示：
(1)在碱溶液中，去除硅片1的损伤层，并对硅片1进行制绒，碱溶液温度为45℃，pH值8为，浓度为1.5％，制绒后在硅片1双面形成1μm的金字塔绒面。
(2)在硼源高温扩散炉管中进行硼掺杂，温度为800℃，扩散时间为10min，然后通入氧气和氮气混合气体推结，形成硼掺杂P+发射结2，硼掺杂的浓度为1×1019cm-3，结深控制在0.4μm；
(3)对硼掺杂P+发射结2表面进行激光掺杂，形成激光重掺杂P++发射结3；激光掺杂利用纳秒激光器，激光掺杂宽度为50μm；
激光掺杂形式采用连续图形，激光掺杂后掺杂区域方块电阻在20Ω。
(4)利用HF溶液去除硼硅玻璃层，采用HF与HNO3混酸溶液对硅片进行边绝缘和背面抛光；
(5)在硅片的背面生长一层隧穿氧化层7，然后进行磷掺杂，形成掺磷硅薄膜8；遂穿氧化层厚度为1nm，采用HNO3湿法氧化。
掺磷硅薄膜的厚度为10nm，磷掺杂的方式为采用化学气相沉积法形成本征硅薄膜，后续进行磷注入或POCl3扩散掺杂。
(6)采取原子层沉积技术在硅片的正面沉积三氧化二铝层4，厚度为3nm。
(7)采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片的正面生长氢化氮化硅钝化减反射层5，厚度为70nm。
(8)采用丝网印刷方法在硅片正面印刷金属电极6，背面采用蒸镀Ag，形成接触金属化区域9，并进行烧结，后续通过300℃进行退火，完成电池的制作。
实施例2
选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，该方法采用以下步骤，所制得的晶硅电池的结构示意图如图1所示：
(1)在碱溶液中，去除硅片1的损伤层，并对硅片1进行制绒，碱溶液温度为65℃，pH值9为，浓度为2.5％，制绒后在硅片1双面形成8μm的金字塔绒面。
(2)在硼源高温扩散炉管中进行硼掺杂，温度为1000℃，扩散时间为100min，然后通入氧气和氮气混合气体推结，形成硼掺杂P+发射结2，硼掺杂的浓度为1×1021cm-3，结深控制在2μm。
(3)对硼掺杂P+发射结2表面进行激光掺杂，形成激光重掺杂P++发射结3；激光掺杂利用皮秒激光器，激光掺杂宽度为300μm。
激光掺杂形式采用连续图形，激光掺杂后掺杂区域方块电阻在40Ω。
(4)利用HF溶液去除硼硅玻璃层，采用HF与HNO3混酸溶液对硅片进行边绝缘和背面抛光。
(5)在硅片的背面生长一层隧穿氧化层7，然后进行磷掺杂，形成掺磷硅薄膜8；遂穿氧化层厚度为4nm，采用热氧化方式形成。
掺磷硅薄膜的厚度为4μm，磷掺杂的方式采用直接原位形成磷掺杂硅薄膜，然后在850℃-1000℃条件下进行高温退火推结。
(6)采取等离子体增强化学气相沉积法在硅片的正面沉积三氧化二铝层4，厚度为30nm。
(7)采用磁控溅射法在硅片的正面生长氢化氮化硅钝化减反射层5，厚度为95nm。
(8)采用丝网印刷方法在硅片正面印刷金属电极6，背面采用蒸镀Ag，形成接触金属化区域9，并进行烧结，后续通过500℃进行退火，完成电池的制作。
实施例3
选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，该方法采用以下步骤，所制得的晶硅电池的结构示意图如图1所示：
(1)在碱溶液中，去除硅片1的损伤层，并对硅片1进行制绒，碱溶液温度为85℃，pH值11为，浓度为3％，制绒后在硅片1双面形成5μm的金字塔绒面。
(2)在硼源高温扩散炉管中进行硼掺杂，温度为900℃，扩散时间为60min，然后通入氧气和氮气混合气体推结，形成硼掺杂P+发射结2，硼掺杂的浓度为1×1020cm-3，结深控制在1μm。
(3)对硼掺杂P+发射结2表面进行激光掺杂，形成激光重掺杂P++发射结3；激光掺杂利用皮秒激光器，激光掺杂宽度为200μm。
激光掺杂形式采用连续图形，激光掺杂后掺杂区域方块电阻在60Ω。
(4)利用HF溶液去除硼硅玻璃层，采用HF与HNO3混酸溶液(对硅片进行边绝缘和背面抛光。
(5)在硅片的背面生长一层隧穿氧化层7，然后进行磷掺杂，形成掺磷硅薄膜8；遂穿氧化层厚度为3nm，采用臭氧干法。
掺磷硅薄膜的厚度为80nm，磷掺杂的方式采用化学气相沉积法形成本征硅薄膜，后续进行磷注入或POCl3扩散掺杂。
(6)采取原子层沉积技术在硅片的正面沉积三氧化二铝层4，厚度为20nm。
(7)采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片的正面生长氢化氮化硅钝化减反射层5，厚度为80nm。
(8)采用丝网印刷方法在硅片正面印刷金属电极6，背面采用蒸镀Ag，形成接触金属化区域9，并进行烧结，后续通过400℃进行退火，完成电池的制作。
用以上工艺所制造成的最高电池的参数为Jsc＝41.0mA/cm2,Voc＝660mV,FF＝81.05％,Eff＝21.93％。与现有的太阳电池相比，开路电压Voc、短路电流Jsc及填充因子FF都得到相应的提升，从而大大提升电池的转换效率。
Claims (10)
1.选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)利用碱溶液去除硅片的损伤层，并对硅片进行制绒；
(2)在硅片的正面进行硼掺杂，形成硼掺杂P+发射结；
(3)对硼掺杂P+发射结表面进行激光掺杂，形成激光重掺杂P++发射结；
(4)去除硅片正面的硼硅玻璃层，对硅片进行边绝缘和背面抛光；
(5)在硅片的背面生长一层隧穿氧化层，然后进行磷掺杂，形成掺磷硅薄膜；
(6)在硅片的正面沉积三氧化二铝层；
(7)在硅片的正面生长氢化氮化硅钝化减反射层；
(8)在硅片的正面与背面印刷金属电极或金属浆料，确保电极与硅片间形成良好的接触，即完成电池的制备。
2.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的碱溶液温度为40℃-85℃，pH值为8-11，浓度为1-3wt％，制绒后在硅片双面形成1μm-8μm的金字塔绒面。
3.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的硼掺杂的浓度为1×1019cm-3-1×1021cm-3，结深控制在0.4μm-2μm；
硼掺杂在硼源高温扩散炉管中进行，温度为800℃-1000℃，扩散时间为10min-100min，然后通入氧气和氮气混合气体推结。
4.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的激光掺杂利用纳秒激光器或皮秒激光器，激光掺杂宽度为50μm-300μm；
激光掺杂形式采用连续或非连续掺杂图形，激光掺杂后掺杂区域方块电阻在20Ω-60Ω。
5.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(4)利用HF溶液去除硼硅玻璃层，采用HF与HNO3的混酸溶液对硅片进行边绝缘和背面抛光。
6.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的遂穿氧化层厚度在1nm-4nm，采用HNO3湿法氧化、臭氧干法或热氧化方式形成，
所述的HNO3湿法氧化采用体积浓度为60％-70％的浓硝酸氧化硅片的表面，控制温度为20℃-120℃，反应时间不超过10min，完成浓硝酸氧化；
所述的臭氧干法采用体积浓度为50％-90％的臭氧氧化硅片的表面，控制温度为20℃-100℃，反应时间不超过10min，完成臭氧氧化；
所述的热氧化为氧气氛围中对硅片表面进行加热，控制温度为500℃-800℃，时间不超过30min，完成热氧化。
7.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的掺磷硅薄膜的厚度为10nm-4μm，磷掺杂采用化学气相沉积法形成本征硅薄膜，后续进行磷注入或POCl3扩散掺杂；或者直接原位形成磷掺杂硅薄膜，然后在850℃-1000℃条件下进行高温退火推结。
8.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的三氧化二铝层的厚度为3nm-30nm，所述沉积的方式采取原子层沉积技术或等离子体增强化学气相沉积法。
9.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(7)所述的氢化氮化硅钝化减反射层的厚度为65nm-95nm，所述生长的方式采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射法。
10.根据权利要求1所述的选择性发射结及隧穿氧化高效N型电池制备方法，其特征在于，步骤(8)采用丝网印刷方法在硅片正面印刷Ag/Al浆料，背面采用蒸镀Al或Ag，并进行烧结，后续通过300℃-500℃进行退火。
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