CN108133974A - 一种多晶掺镓双面太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶掺镓双面太阳电池及其制备方法。此多晶掺镓双面太阳电池，包括：掺杂有镓元素的多晶硅半导体基底，以及在其上的前表面发射极和背面局部背电场，置于发射极表面的正面减反射膜/钝化膜和置于基底背表面的背面钝化膜，置于正面减反射膜/钝化膜表面的导电材料组成的正面电极，置于背面钝化膜表面的导电材料组成的背面电极。一种多晶掺镓太阳电池的制备方法，包括：在掺镓的硅片上完成表面织构化，发射极制备，绝缘处理，正表面钝化减反射膜及背表面钝化膜制备，背面钝化膜局域开膜以及金属化过程。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种多晶掺镓双面太阳电池及其制备方法。
背景技术
目前，随着化石能源的逐渐耗尽，太阳电池作为新的能源替代方案，使用越来越广泛。太阳电池是将太阳的光能转换为电能的装置。太阳电池利用光生伏特原理产生载流子，然后使用电极将载流子引出，从而利于将电能有效利用。
目前使用的p型太阳电池基底，一般为掺杂有硼元素的硅片。但是采用掺杂有硼元素的多晶硅作为基底的太阳电池一起电池效率在太阳光照下会发生一定的衰减。这种衰减称之为光衰(LID)。目前光伏产业中的掺硼多晶硅片制成的双面太阳电池的效率衰减在3～10％之间。这种电池的光致衰减产生的本质原因和掺杂基底中的代替位硼原子和多晶硅中间隙态的氧原子在光注入的情况下会形成硼氧复合体。而硼氧复合体是深能级复合中心，这样会降低少数载流子的寿命，从而降低少数载流子的扩散长度，导致太阳电池的效率降低。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种多晶掺镓双面太阳电池及其制备方法，可以解决上述问题，降低由于硼氧复合体造成的光致衰减。
本发明的技术解决方案是：
一种多晶掺镓双面太阳电池，由正面至背面依次包括：正面电极、正面减反射膜/钝化膜、发射极、多晶掺镓硅基底、背面减反射膜/钝化膜和背面电极。
所述的多晶掺镓硅基底中镓元素的掺杂浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
所述的多晶掺镓硅基底还掺杂有硼元素，硼元素的掺杂浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
所述的正面电极包括正面细栅线，正面细栅线通过局部穿透正面减反射膜/钝化膜或通过在正面减反射膜/钝化膜上的局部开膜区域与发射极形成直接接触。
所述的正面电极还包括正面连接电极，正面细栅线与正面连接电极方向互相垂直并在相交处相连接。
所述的背面电极包括背面细栅线，背面细栅线与多晶掺镓硅基底背面形成接触。
所述的背面细栅线为含铝的电极，背面细栅线和多晶掺镓硅基底之间形成掺杂元素为铝的空穴掺杂层，空穴掺杂层的厚度为1～15um。
所述的空穴掺杂层中还掺杂有硼，硼元素掺杂浓度为5×1016～1×1021个原子/立方厘米。
所述的空穴掺杂层和背面细栅线之间还包括一层铝硅合金层，铝硅合金层厚度为1～5um。
所述的背面电极还包括背面连接电极，背面连接电极与背面细栅线方向互相垂直并在相交处相连接。
所述的正面减反射膜/钝化膜为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成；背面钝化膜为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成；背面减反射膜为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成。
一种多晶掺镓双面太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对多晶掺镓硅基底进行表面织构化及清洗；
2)在多晶掺镓硅基底正面进行制备发射极；
3)对多晶掺镓硅基底进行边缘绝缘处理；
4)对多晶掺镓硅基底正背面分别进行正面减反射膜/钝化膜和背面钝化膜的制备；
5)在背面钝化膜上进行局域开膜；
6)在多晶掺镓硅基底正面、背面进行导电浆料图形化涂布；
7)进行金属化热处理过程分别制备正面电极和背面电极。
相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：
本发明包括掺杂有镓元素的多晶硅半导体基底，以及在其上的发射极和背表面场，置于发射极表面的钝化及减反射介质膜和置于基底背表面的钝化介质膜，置于介质膜表面的导电材料组成的正面电极和背面电极，置于太阳电池正面的导电材料经过高温烧结局部穿透介质膜材料或通过在介质膜上的局部开膜区域和半导体形成直接接触,，置于太阳电池背面的背面电极通过在介质膜上的局部开膜区域和半导体形成直接接触。采用多晶掺镓硅作为太阳电池的基底材料，制备了多晶掺镓双面太阳电池，掺镓能够减少掺杂基底中的代替位硼原子和多晶硅中间隙态的氧原子在光注入的情况下会形成硼氧复合体，这样会增加少数载流子的寿命，从而增加少数载流子的扩散长度，导致太阳电池的效率增加，并且保证电池的长期可靠性。该电池结构可以降低或基本抑制多晶硅太阳电池的光衰，能将多晶硅双面太阳电池的光衰控制在3％以内。这种基底的质量更好，从而有效提高太阳电池的效率。
进一步，在硅基底中也可以有一定量的硼元素，在此情况下也会对光衰有一定抑制效果，但抑制效果会略差于仅掺镓的硅片。
进一步形成的所述的铝电极和单晶硅基底之间的一层掺杂成分为铝的硅基空穴掺杂层。这一层铝的硅基空穴掺杂层和硅基底形成p+/p的势差，从而提高了整个电池的开路电压，也降低了靠近电极附近的复合速率，从而提高了转换效率。
所述的空穴掺杂层中还可进一步掺杂有硼，硼元素掺杂浓度为5×1016～1×1021个原子/立方厘米。硼的掺杂浓度一般高于铝掺杂空穴浓度，因此，p+/p的势差加大，进一步提高了开路电压。
所述的空穴掺杂层和铝电极之间还可包括一层铝硅合金层，铝硅合金层厚度为1～5um。此铝硅合金层的存在，可以使得铝质的导电电极和p型的半导体基底形成更好的接触性能。
本发明的多晶掺镓双面太阳电池的制备方法步骤包括：在掺镓的硅片上完成表面织构化，发射极制备，绝缘处理，正表面钝化减反射膜及背表面钝化膜制备，背面钝化膜局域开膜以及金属化过程。这种双面太阳电池的制备方法，工艺流程较为简单，工艺的控制点容易控制，并且可以大幅节省使用的浆料成本；这种太阳电池在背面有更好的钝化和接触，从而提高电池效率。
附图说明
图1是本发明的太阳电池的实施方式中的一个实例的电池示意图。
图2是本发明的太阳电池的实施例1中的正面的电极示意图。
图3是本发明的太阳电池的实施例1中的反面的电极示意图。
其中，1为多晶掺镓硅基底，2为发射极，3为正面减反射膜/钝化膜，4为背面减反射膜/钝化膜，5为背面电极，6为正面电极，7为背面细栅线，8为正面连接电极，9为正面细栅线，10为背面连接电极,。
具体实施方式
下面举例具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例只用于对本发明做进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种多晶掺镓双面太阳电池，包括：掺杂有镓元素的多晶掺镓硅基底1，以及在其上的发射极2，置于发射极2表面的钝化减反射膜3，置于钝化减反射膜3表面的导电材料组成的正面电极6，置于基底背面钝化膜4，置于背面减反射膜钝化膜4，背面减反射钝化膜上的背面导电电极5；上述正面导电材料局部或全部穿透钝化减反射膜3和发射极2形成直接接触；背面导电材料在背面钝化膜4局域开膜区域与多晶掺镓硅基底1形成接触，而在非开膜区域则不与多晶掺镓硅基底1形成接触。多晶掺镓掺镓硅基底1中镓元素掺杂的浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
优选地，多晶掺镓硅基底1还可含有硼，其中硼元素掺杂的浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
其中，多晶掺镓硅基底1正表面的正面减反射膜/钝化膜，由一层或一层以上膜叠加组成，其中膜的成分包括氮化硅，氧化硅，氮氧化硅之一或之二，或者全部包含。背表面的正面减反射膜/钝化膜，由一层或一层以上膜叠加组成；其中膜的成分包括氧化铝，氮化硅，氧化硅，氮氧化硅的一种或者多种，或者全部包含。
如图2所示，正面电极6包括含有银元素的若干条平行的细栅线9，正面导电材料通过金属化热处理过程后局部穿透介质膜材料和发射极形成直接接触，形成正面电极；
正面电极可以没有垂直贯穿并连接细栅线9的连接电极8，也可包括垂直贯穿并连接细栅线9的连接电极8。
背面、正面减反射膜/钝化膜上的局域开膜区，正面减反射膜/钝化膜被去除，所形成的开膜局域图形，可以是直线、线段、点阵形式，也可以是其中的一种或几种混合形式。
如图3所示，背面电极5为图形化局域分布，包括主要导电成分为铝元素的若干条平行细栅线7，覆盖于并连接背面介质膜上的局部开膜区域；铝导电材料在局部开膜区域与硅基底形成背面接触，而在非开膜区域则不与硅基底形成直接接触。背面电极5的平行细栅线7之间可以进一步设置有连接线10，连接线可以直接与硅基底形成直接接触，也可不形成直接接触。背面钝化膜局域开膜区域的图形，可以是直线、线段、点阵形式，也可以是其中的一种或几种混合形式。
背面接触由以下部分组成：主要导电成分为铝的导电电极，硅基底，以及置于铝导电电极和硅基底之间的一层主要掺杂成分为铝的硅基空穴掺杂层，空穴掺杂层空穴掺杂浓度为5×1016～1×1021个原子/立方厘米；所述空穴掺杂层的厚度为1～15um。空穴掺杂层和铝电极之间，可进一步包括一层铝硅合金层，厚度为1～5um。
背面接触也可不包括空穴掺杂层或铝硅合金层。
背面电极5还包括若干根垂直于并连接所有细栅线的连接电极10。
背面连接电极10可以全部由主要导电成分为银的导电电极垂直贯穿并连接所有的背面细栅线7。背面连接电极10也可全部由主要导电成分为铝的导电电极垂直贯穿并连接所有的背面细栅线7。
背面连接电极10也可由主要导电成分为银的导电电极和主要导电成分为铝的导电电极组合组成；每一条背面连接电极上的所述银导电电极不连续地分布在背面连接电极区域，并与此条背面连接电极上的所述铝电极部分直接连接形成完整的贯通并连接所有细栅线的连接电极；此条背面连接电极上的所述铝电极各区域可以直接相互连接，也可不直接连接。
每一条背面连接电极区域上的银部电极区域和铝电极区域的连接形式可以是：银电极区域和铝电极区域交替连接；铝电极区域包围银电极区域；铝电极区域贯穿银电极区域；铝电极区域并列于银电极区域等。
本发明一种太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对掺镓硅基底进行表面织构化及清洗；
2)进行发射极制备；
3)进行边缘绝缘处理；绝缘处理方法为湿法刻蚀方法，所述湿法刻蚀方法包括使用含HNO3、HF的混合酸性溶液进行的化学腐蚀或使用包含氢氧化钾、氢氧化钠、四甲基氢氧化铵等碱性溶液进行的化学腐蚀方法。
4)进行正面的钝化减反射膜制备及背面钝化膜制备；
5)在背面钝化膜上进行局域开膜；钝化膜的局域开膜处理，可以使用化学腐蚀浆料形成局域接触图形，也可使用激光开膜方法形成局域接触图形。
6)在正背面图形化形成包含导电成分的电极浆料层；
7)进行金属化热处理过程。
此外，制备过程中，还可进一步包含有退火过程。进一步地，局域开膜方法包括化学腐蚀法、激光开膜法，或掩膜协同化学腐蚀法。涂布过程中包含有一步或数个印刷过程，以及一个或数个烘干过程，其中几步的导电浆料可以相同，也可以不相同。
实施例1
第一步，对多晶掺镓硅片进行表面织构化；此掺镓硅片对边距为156.75mm，直径为220mm，硅片基底中不含硼，含镓的浓度为9×1016个原子/立方厘米。对此多晶掺镓硅片在链式清洗机中使用HF/HNO3溶液完成表面的织构化，在表面形成金字塔结构。其中溶液温度7℃，持续时间1-5min。并经过KOH清洗，HF酸洗，水洗，烘干等步骤，去除表面金属离子。
第二步，进行发射极制备。在管式加热扩散炉管完成pn结的制备，使用N2携带POCl3源。扩散峰值温度850℃，扩散时间110分钟。
第三步，进行绝缘处理。在链式清洗机完成绝缘处理，使用HF酸和硝酸的混合溶液，去除背面绕扩形成的n型掺杂区以及边缘会造成漏电的n型掺杂区。另外在此工艺步骤中还包含有HF酸洗去除正面的磷硅玻璃。
第四步，进行正面钝化减反射膜的制备、以及背面钝化膜的制备。使用管式增强型等离子气相沉积进行氮化硅的沉积，双层氮化硅作为钝化和减反射膜。其中底层氮化硅厚度20nm，折射率2.20，上层氮化硅厚度40nm，折射率1.95。背面钝化膜使用原子层沉积氧化铝，以及氧化铝上层覆盖有氮化硅。其中氧化铝厚度为10nm，氮化硅厚度为70nm，氮化硅折射率为2.2。
第五步，对背面的使用激光进行局域开膜，使用激光波长532nm，光斑为90um直径圆形，密集排列成直线线条状，线间距为1.6mm，呈平行的线条状分布于整个背表面。
第六步，在电池的正面和背面按照需要涂覆导电材料。
本实施例中我们采用丝网印刷方式进行导电浆料图形化涂布。正面使用穿透氮化硅的银浆作为细栅线浆料，细栅线根数100根(如图2中的9)，正面细栅的方向和第五步激光开槽的直线方向一致；连接电极使用非烧穿氮化硅型的导电浆料，连接电极根数4根(如图2中的8)，连接电极和细栅线方向互相垂直并在相交处相连接。
背面使用丝网印刷方法先印刷铝浆，在第五步激光开孔的位置覆盖有线条状分布的铝浆(如图3中的7)，铝浆线条线宽150mm，铝浆线条完全覆盖激光开孔的位置；然后在背面使用丝网印刷方法形成和正面连接电极相同形状和根数的银连接电极(如图3中的10)。
第七步，进行金属化热处理过程。在此过程中，使用链式烧结炉，烧结峰值温度850℃，此温度为实测硅片表面的温度。
实施例2
第一步，对多晶掺镓硅片进行表面织构化；此掺镓硅片对边距为156mm，直径为210mm，硅片基底中不含硼，含镓的浓度为3×1014个原子/立方厘米。对此多晶掺镓硅片在链式清洗机中使用HF/HNO3溶液完成表面的织构化，在表面形成金字塔结构。其中溶液温度7℃，持续时间1-5min。并经过KOH清洗，HF酸洗，水洗，烘干等步骤，去除表面金属离子。
第二步，进行发射极制备。在管式加热扩散炉管完成pn结的制备，使用N2携带POCl3源。扩散峰值温度830℃，扩散时间90分钟。
第三步，进行绝缘处理。在链式清洗机完成绝缘处理，使用HF酸和硝酸的混合溶液，去除背面绕扩形成的n型掺杂区以及边缘会造成漏电的n型掺杂区。另外在此工艺步骤中还包含有HF酸洗去除正面的磷硅玻璃。
第四步，进行正面钝化减反射膜的制备、以及背面钝化膜的制备。使用管式增强型等离子气相沉积进行氮化硅的沉积，双层氮化硅作为钝化和减反射膜。其中底层氮化硅厚度20nm，折射率2.20，上层氮化硅厚度40nm，折射率1.95。背面钝化膜使用原子层沉积氧化铝，以及氧化铝上层覆盖有氮化硅。其中氧化铝厚度为10nm，氮化硅厚度为70nm，氮化硅折射率为2.2。
第五步，对背面的使用激光进行局域开膜，使用激光波长1064nm，光斑为80um直径圆形，密集排列成直线线条状，线间距为1.6mm，呈平行的线条状分布于整个背表面。
第六步，在电池的正面和背面按照需要涂覆导电材料。本实施例中我们采用丝网印刷方式进行导电浆料图形化涂布。正面使用穿透氮化硅的银浆作为细栅线浆料，细栅线根数100根(如图2中的9)，正面细栅的方向和第五步激光开槽的直线方向一致；连接电极使用非烧穿氮化硅型的导电浆料，连接电极根数4根(如图2中的8)，连接电极和细栅线方向互相垂直并在相交处相连接。
背面使用丝网印刷方法先印刷铝浆，在第五步激光开孔的位置覆盖有线条状分布的铝浆(如图3中的7)，铝浆线条线宽150mm，铝浆线条完全覆盖激光开孔的位置；然后在背面使用丝网印刷方法形成和正面连接电极相同形状和根数的银连接电极(如图3中的10)。
第七步，进行金属化热处理过程。在此过程中，使用链式烧结炉，烧结峰值温度850℃，此温度为实测硅片表面的温度。
采用本发明制备的多晶掺镓硅片作为硅基体，制备成太阳能电池具有较好的效率，以及相对较低的光衰比例。如下表所示为电池的光衰数据：
光衰测试测试条件：光强1suns，环境温度65℃，时间24h。
表1
表1中数据显示电池的光衰控制在了3％以下，使用本发明的较好的抑制了光衰。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，倘若对本发明进行的各种改动和变形属于本发明权利要求及等同技术范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (12)
1.一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，由正面至背面依次包括：正面电极(6)、正面减反射膜/钝化膜(3)、发射极(2)、多晶掺镓硅基底(1)、背面减反射膜/钝化膜(4)和背面电极(5)。
2.根据权利要求1所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的多晶掺镓硅基底(1)中镓元素的掺杂浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
3.根据权利要求1所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的多晶掺镓硅基底(1)还掺杂有硼元素，硼元素的掺杂浓度为1×1013～1×1017个原子/立方厘米。
4.根据权利要求1所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，其特征在于，所述的正面电极包括正面细栅线(9)，正面细栅线(9)通过局部穿透正面减反射膜/钝化膜(3)或通过在正面减反射膜/钝化膜(3)上的局部开膜区域与发射极(2)形成直接接触。
5.根据权利要求4所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的正面电极(6)还包括正面连接电极(8)，正面细栅线(9)与正面连接电极(8)方向互相垂直并在相交处相连接。
6.根据权利要求1所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的背面电极(5)包括背面细栅线(7)，背面细栅线(7)与多晶掺镓硅基底(1)背面形成接触。
7.根据权利要求6所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的背面细栅线(7)为含铝的电极，背面细栅线(7)和多晶掺镓硅基底(1)之间形成掺杂元素为铝的空穴掺杂层，空穴掺杂层的厚度为1～15um。
8.根据权利要求7所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的空穴掺杂层中还掺杂有硼，硼元素掺杂浓度为5×1016～1×1021个原子/立方厘米。
9.根据权利要求7所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的空穴掺杂层和背面细栅线(7)之间还包括一层铝硅合金层，铝硅合金层厚度为1～5um。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的背面电极(5)还包括背面连接电极(10)，背面连接电极(10)与背面细栅线(7)方向互相垂直并在相交处相连接。
11.根据权利要求1所述的一种多晶掺镓双面太阳电池，其特征在于，所述的正面减反射膜/钝化膜(3)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成；背面钝化膜(4)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成；背面减反射膜(5)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成。
12.一种权利要求1至11任意一项所述的多晶掺镓双面太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对多晶掺镓硅基底(1)进行表面织构化及清洗；
2)在多晶掺镓硅基底(1)正面进行制备发射极(2)；
3)对多晶掺镓硅基底(1)进行边缘绝缘处理；
4)对多晶掺镓硅基底(1)正背面分别进行正面减反射膜/钝化膜(3)和背面钝化膜(4)的制备；
5)在背面钝化膜(4)上进行局域开膜；
6)在多晶掺镓硅基底(1)正面、背面进行导电浆料图形化涂布；
7)进行金属化热处理过程分别制备正面电极(6)和背面电极。
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