CN108110065A - 一种背接触太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背接触太阳能电池，包括P型晶体硅基体，背表面从内到外依次包括隧穿氧化层、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域和激光开槽区域、钝化膜和金属电极；金属电极包括与背表面n+掺杂多晶硅区域欧姆接触的银电极和与背表面激光开槽区域欧姆接触的铝电极；前表面从内到外依次为p+掺杂区域和前表面钝化减反膜。其有益效果是：P型晶体硅基体背表面的发射极区域采用n+掺杂多晶硅钝化层，背表面由铝浆电极形成p+区域并采用氧化铝膜钝化，实现了背表面的钝化接触和场钝化效应，降低了电池背表面的复合速率，提升了开路电压和短路电流；并且用铝浆形成背面p+区域，相对传统工艺，减少了一步扩散掺杂步骤，精简了工艺流程，节约了电池成本。
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太阳能电池及其制备方法。
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。
背接触结构的太阳能电池是目前太阳能工业化批量生产的晶硅太阳能电池中能量转化效率最高的一种电池，它的高转化效率、低组件封装成本，一直深受人们青睐。但是，常见的背接触电池的背表面为N型硅衬底、p+和n+型掺杂层，其上一般采用SiNx或SiO2/SiNx作为钝化层，然后使用烧穿型银浆穿透钝化层与硅形成欧姆接触。其中背面金属电极约占背表面面积的5％-8％，这就意味着超过5％面积的硅表面没有被钝化层覆盖，而且这些区域都存在严重的金属复合。另外，背接触电池制备过程中的多步扩散和银浆印刷，是导致该高效电池成本比较高的一个重要因素。因此，一种既能让金属电极和硅基体形成良好的接触，保持钝化膜的完整性，又能降低背接触电池的制造成本的新型电池，是太阳能电池领域的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种背接触太阳能电池。
本发明的一种背接触太阳能电池，其技术方案为：
一种背接触太阳能电池，其特征在于：包括P型晶体硅基体，所述P型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域和背表面激光开槽区域、背表面钝化膜和背表面金属电极；所述背表面金属电极包括与背表面n+掺杂多晶硅区域欧姆接触的第一背面银电极和与背表面激光开槽区域欧姆接触的第二背面电极；所述P型晶体硅基体的前表面从内到外依次为p+掺杂区域和前表面钝化减反膜。
本发明提供的一种背接触太阳能电池，还包括如下附属技术方案：
其中，所述P型晶体硅基体的前表面是由硼掺杂区域和前表面钝化减反膜形成的前表面场；或，所述P型晶体硅基体的前表面是由氧化层、p+掺杂多晶硅层和前表面钝化减反膜形成的钝化接触前表面场。
其中，所述前表面钝化减反膜为SiNx，其厚度为40～80nm；所述氧化层为SiO2和/或Al2O3；或者，所述背表面钝化膜包括Al2O3介质膜和SiNx介质膜，所述Al2O3介质膜的厚度为2～10nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～80nm。；。
其中，所述第一背面电极是银电极，所述第二背面电极是铝电极。
本发明还提供了一种背接触太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择P型晶体硅基体，并对P型晶体硅基体作制绒处理；
(2)、将步骤(1)处理后的P型晶体硅基体的背表面和前表面进行掺杂处理；其中，P型晶体硅基体背表面掺杂处理方式为：在P型晶体硅基体的背表面生长隧穿氧化层，并在隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或者本征非晶硅层，然后在本征多晶硅层或本征非晶硅层上注入磷离子；P型晶体硅基体前表面掺杂处理方式为：采用硼扩散或采用离子注入的方式注入硼离子。
(3)、将步骤(2)处理后的P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P型晶体硅基体前表面形成掺杂的p+区域，在P型晶体硅基体背表面形成n+掺杂的发射极。
(4)、在步骤(3)处理后的P型晶体硅基体的前表面形成前表面钝化减反膜，在P型晶体硅基体的背表面形成背表面钝化膜；
(5)、在步骤(4)处理后的P型晶体硅基体的背表面进行激光开槽，并在激光开槽区域印刷铝电极以与p+区域形成欧姆接触，在背表面n+掺杂区域印刷银电极以n+掺杂区域形成欧姆接触，这样完成背接触太阳能电池的制作。
本发明提供的一种背接触太阳能电池的制备方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤(1)中，对P型晶体硅基体的前表面和背表面作制绒处理；P型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm，厚度为50～300μm。
其中，在步骤(2)中，背表面隧穿氧化层为SiO2，其厚度为1-3nm，SiO2的生长方法为高温热氧化法、硝酸氧化法、臭氧氧化法或CVD沉积法；在背表面隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或本征非晶硅层的方法是：将P型晶体硅基体放入LPCVD设备中，在背表面隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或本征非晶硅层；在本征多晶硅层或本征非晶硅层上采用离子注入法注入磷原子，其注入剂量为1×1015cm-2～8×1015cm-2；P型晶体硅基体前表面的掺杂处理方式为：前表面进行离子注入，注入元素包括磷，磷离子注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2。
其中，步骤(3)中，退火处理的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min，环境气源为N2和O2。
其中，在步骤(4)中，所述前表面钝化减反膜的制备方法是：在P型晶体硅基体的前表面利用PECVD设备先沉积一层厚度为5～30nm的SiOx介质膜，然后在SiOx介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜；所述后表面钝化膜的制备方法是：在P型晶体硅基体的背表面利用ALD设备先沉积一层厚度为2～20nm的Al2O3介质膜，然后在Al2O3介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜。
其中，在步骤(5)中，金属电极的制备方法是：通过丝网印刷的方法在步骤(4)处理后的P型晶体硅基体的背表面n+掺杂区域上印刷银浆，在激光开槽区印刷铝浆，然后进行烧结处理。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明提供的一种背接触太阳能电池，P型晶体硅基体背表面的发射极区域采用n+掺杂多晶硅钝化层，同时背表面由铝浆电极形成的p+区域采用氧化铝膜钝化，实现了背表面的钝化接触和场钝化效应，大大降低了电池背表面的复合速率，提升了开路电压和短路电流；另一方面用铝浆形成的背面p+区域，相对于传统工艺，减少了一步扩散掺杂步骤，精简了工艺流程，节约了电池成本。并且，本发明提供的背接触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<20fAcm-2，印刷电极制成背结接触电池后，其短波段的内量子效率达98％以上。
附图说明
图1为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触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为本发明实施例中背接触太阳能电池的制备方法步骤八后的电池结构截面示意图。
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1至图8所示，本实施例提供的一种背接触太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择P型晶体硅基体10，并对P型晶体硅基体10的前表面和背表面作制绒处理；P型晶体硅基体10的电阻率为0.5～15Ω·cm，优选1～5Ω·cm；P型晶体硅基体10的厚度为50～300μm，优选120～200μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示。
(2)、在步骤(1)处理后的P型晶体硅基体10背表面生长一层隧穿氧化层20，本实施例中隧穿氧化层20是SiO2层。生长隧穿氧化层20的方法有高温热氧化法、硝酸氧化法、臭氧氧化法或CVD沉积法(化学气相沉积法)等。本实施例采用湿式臭氧氧化法，将P型晶体硅基体10放入去离子水中，然后在去离子水中通入臭氧，使得臭氧浓度达到20-50ppm，反应温度为30-50℃，反应时间为5-20min，生长的隧穿氧化层20的厚度为1-3nm。完成本步骤后的电池结构如图2所示。
(3)、将步骤(2)处理后的P型晶体硅基体10放入LPCVD设备中，在其背表面生长本征多晶硅层或本征非晶硅层11，本征多晶硅层或本征非晶硅层的厚度为100-200nm。完成本步骤后的电池结构如图3所示。
(4)、在步骤(3)处理后的P型晶体硅基体10的本征多晶硅层或者本征非晶硅层11上，采用离子注入法注入磷原子，其磷原子的注入剂量为1×1015cm-2～8×1015cm-2，然后放入退火炉中进行高温退火。退火处理的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min，环境气源为N2和O2。退火处理后，本征多晶硅层或本征非晶硅层11转化为n+掺杂多晶硅区域12。完成本步骤后的电池结构如图4所示。
(5)、对步骤(4)处理后的P型晶体硅基体10进行激光开槽，开槽的线条状开口图案宽为50～400μm，优选100～300μm。开槽后完成本步骤后的电池结构图如图5所示。
(6)、将步骤(5)处理后的P型晶体硅基体10采用离子注入法注入硼原子，其硼原子的注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2，然后放入退火炉中进行高温退火。退火处理的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min，环境气源为N2和O2。退火处理后，形成p+前表面14。或，将步骤(5)处理后的P型晶体硅基体10放入工业用扩散炉中对制绒面进行硼扩散形成正表面的p+掺杂区域，硼源采用三溴化硼，扩散温度为900-1000℃，时间为60-180分钟，硼扩散后的方阻值为40-200Ω/sqr。完成本步骤后的电池结构如图6所示。
(7)、在步骤(6)处理后的P型晶体硅基体10的前表面生长钝化膜21和钝化减反膜22，钝化膜21可以是SiO2、Al2O3介质膜中一种或多种，钝化减反膜是SiNx膜，其厚度为40～80nm；在P型晶体硅基体10的背表面生长钝化膜23和24，钝化膜23是Al2O3，钝化膜24是SiNx介质膜；利用ALD设备先沉积一层厚度为2-10nm的Al2O3介质膜，然后在Al2O3介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜24。完成本步骤后的电池结构如图7所示。
(8)、在P型晶体硅基体10的背表面n+掺杂区域使用银浆印刷金属电极30并进行烘干，开槽区域用铝浆印刷金属电极31并进行烘干。银浆及铝浆均采用现有P型电池工艺中常用的型号。完成本步骤后的电池结构如图8所示。
(9)、将步骤(8)处理后的P型晶体硅基体10传送入带式烧结炉进行烧结，烧结峰值温度为850-950℃，即完成一种背接触太阳能电池的制备。
优选地，所述P型晶体硅基体的前表面可以是在硼掺杂区域和钝化减反膜形成的前表面场，亦可以是由氧化层、p+掺杂的多晶硅层和钝化减反膜形成的钝化接触前表面场。
参见图8所示，本实施例提供的一种背接触太阳能电池，包括P型晶体硅基体10，所述P型晶体硅基体10的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层20、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域12和背表面激光开槽区域、背表面钝化膜和背表面金属电极；所述背表面金属电极包括与背表面n+掺杂多晶硅区域12欧姆接触的第一背面电极30和与背表面激光开槽区域欧姆接触的第二背面电极31；所述P型晶体硅基体的前表面从内到外依次为p+掺杂区域14和前表面钝化减反膜。
优选地，第一背面电极30是背面银电极，第二背面电极31是背面铝电极。前表面的钝化膜21可以是SiO2、Al2O3介质膜中一种或多种，钝化减反膜是SiNx膜，其厚度为40～80nm；在P型晶体硅基体10的背表面生长钝化膜23和24，钝化膜23是Al2O3，利用ALD设备先沉积一层厚度为2～10nm的Al2O3介质膜23，然后在Al2O3介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜24。
上述结构的背接触太阳能电池在完成前后表面的钝化覆盖后，经测试，其隐开路电压(Implied Voc)可达700mV以上，暗饱和电流密度J0<20fA﹒cm-2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达98％以上。
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 (10)
1.一种背接触太阳能电池，其特征在于：包括P型晶体硅基体，所述P型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域和背表面激光开槽区域、背表面钝化膜和背表面金属电极；所述背表面金属电极包括与背表面n+掺杂多晶硅区域欧姆接触的第一背面电极和与背表面激光开槽区域欧姆接触的第二背面电极；所述P型晶体硅基体的前表面从内到外依次为p+掺杂区域和前表面钝化减反膜。
2.根据权利要求1所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述P型晶体硅基体的前表面是由硼掺杂区域和前表面钝化减反膜形成的前表面场；或，所述P型晶体硅基体的前表面是由氧化层、p+掺杂多晶硅层和前表面钝化减反膜形成的钝化接触前表面场。
3.根据权利要求1或2所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述前表面钝化减反膜为SiNx，其厚度为40～80nm；所述氧化层为SiO2和/或Al2O3；或者，所述背表面钝化膜包括Al2O3介质膜和SiNx介质膜，所述Al2O3介质膜的厚度为2～10nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～80nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述第一背面电极是银电极，所述第二背面电极是铝电极。
5.一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、选择P型晶体硅基体，并对P型晶体硅基体作制绒处理；
(2)、将步骤(1)处理后的P型晶体硅基体的背表面和前表面进行掺杂处理；其中，P型晶体硅基体背表面掺杂处理方式为：在P型晶体硅基体的背表面生长隧穿氧化层，并在隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或者本征非晶硅层，然后在本征多晶硅层或本征非晶硅层上注入磷离子；P型晶体硅基体前表面掺杂处理方式为：采用硼扩散或采用离子注入的方式注入硼离子。
(3)、将步骤(2)处理后的P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P型晶体硅基体前表面形成掺杂的p+区域，在P型晶体硅基体背表面形成n+掺杂的发射极。
(4)、在步骤(3)处理后的P型晶体硅基体的前表面形成前表面钝化减反膜，在P型晶体硅基体的背表面形成背表面钝化膜；
(5)、在步骤(4)处理后的P型晶体硅基体的背表面进行激光开槽，并在激光开槽区域印刷铝电极以与p+区域形成欧姆接触，在背表面n+掺杂区域印刷银电极以与n+掺杂区域形成欧姆接触，完成背接触太阳能电池的制作。
6.根据权利要求5所述的一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，对P型晶体硅基体的前表面和背表面作制绒处理；P型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm，厚度为50～300μm。
7.根据权利要求5或6所述的一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，背表面隧穿氧化层为SiO2，其厚度为1-3nm，SiO2的生长方法为高温热氧化法、硝酸氧化法、臭氧氧化法或CVD沉积法；在背表面隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或本征非晶硅层的方法是：将P型晶体硅基体放入LPCVD设备中，在背表面隧穿氧化层上生长本征多晶硅层或本征非晶硅层；在本征多晶硅层或本征非晶硅层上采用离子注入法注入磷原子，其注入剂量为1×1015cm-2～8×1015cm-2；P型晶体硅基体前表面的掺杂处理方式为：前表面进行离子注入，注入元素包括磷，磷离子注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2。
8.根据权利要求5所述的一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，退火处理的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min，环境气源为N2和O2。
9.根据权利要求5或6或8所述的一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述前表面钝化减反膜的制备方法是：在P型晶体硅基体的前表面利用PECVD设备先沉积一层厚度为5～30nm的SiOx介质膜，然后在SiOx介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜；所述后表面钝化膜的制备方法是：在P型晶体硅基体的背表面利用ALD设备先沉积一层厚度为2～20nm的Al2O3介质膜，然后在Al2O3介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的一种背接触太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤(5)中，金属电极的制备方法是：通过丝网印刷的方法在步骤(4)处理后的P型晶体硅基体的背表面n+掺杂区域上印刷银浆，在激光开槽区印刷铝浆，然后进行烧结处理。
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