CN108336154A - 晶体硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种晶体硅太阳能电池及其制备方法，其中所述晶体硅太阳能电池包括：N型硅衬底；隧穿氧化层，形成于所述N型硅衬底的背表面；以及多晶硅层，形成于所述隧穿氧化层上，其包括交替分布的N+多晶硅区和P+多晶硅区，相邻的所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间具有间隔；其中，所述隧穿氧化层、N+多晶硅区及P+多晶硅区形成所述N型硅衬底背表面的钝化接触结构。本公开晶体硅太阳能电池及其制备方法，有效降低了电池背表面的复合速率，提高了电池的开路电压，相对于常规背结背接触太阳能电池，省掉了前表面的掺杂过程，简化了电池制备工艺，并且降低了光的吸收损失，有利于电池性能的提高和成本的降低。

Description

晶体硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本公开涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种晶体硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池作为一种可以直接将太阳能转化为电能的设备，越来越得到人们的关注。提高太阳能电池的转换效率，同时降低电池的生产成本是业界不断追求的目标和提高自身竞争能力之关键所在。
在高效太阳能电池方面，国外众多科研机构和企业展开了大量的研究，开发了众多新型结构的高效太阳能电池，如刻槽埋栅、选择性发射极、晶体硅异质结(HIT)、背结背接触结构(IBC)等结构，目前成功的高效电池结构有HIT与IBC等，这些结构均实现了25％及以上的转换效率。
如何进一步提高电池的转换效率并且降低成本，就成为光伏界众多研究人员面前的一个难题，也是业界追求的核心目标。
通过对晶体硅太阳能电池的工作原理及效率损失分析可知，限制效率提升的一个最大因素就是载流子的复合。有研究表明，当背面的复合速率从10cm/s分别上升到103cm/s和105cm/s时，200微米厚且扩散长度为1000微米的太阳能电池转换效率分别下降2％和4％。因而对于IBC电池，如何降低金属接触区域的复合是当前需要解决的问题。
因此，为了提高背结背接触太阳能电池的效率，亟需一种具有较好的抑制载流子复合效果的晶体硅太阳能电池。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于所述技术问题，本公开提供了一种晶体硅太阳能电池及其制备方法，通过钝化接触，有效降低了电池背表面的复合速率，提高电池的开路电压，同时相对于常规背结背接触太阳能电池，本公开省掉了前表面的掺杂过程，简化了电池制备工艺，并且降低了光的吸收损失，有利于电池性能的提高和成本的降低。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种晶体硅太阳能电池，包括：N型硅衬底；隧穿氧化层，形成于所述N型硅衬底的背表面；以及多晶硅层，成于所述隧穿氧化层上，其包括交替分布的N+多晶硅区和P+多晶硅区，相邻的所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间具有间隔；其中，所述隧穿氧化层、N+多晶硅区及P+多晶硅区形成所述N型硅衬底背表面的钝化接触结构。
在一些实施例中，所述的晶体硅太阳能电池，还包括：N+区电极，从所述N+多晶硅区中引出；以及P+区电极，从所述P+多晶硅区中引出。
在一些实施例中，所述的晶体硅太阳能电池，还包括钝化层，形成于所述N型硅衬底的前表面。
在一些实施例中，所述钝化层的材质为氧化铝、氧化硅及氧化氮的至少其中之一，厚度介于1nm～20nm之间。
在一些实施例中，所述的晶体硅太阳能电池，还包括减反射层，形成于所述钝化层上。
在一些实施例中，所述减反射层的材质为氮化硅或ITO，厚度介于65nm～90nm之间。
在一些实施例中，所述隧穿氧化层的材质为氧化物、氮化物及导电聚合物的至少其中之一。
在一些实施例中，所述隧穿氧化层的材质为氧化硅或氧化铝，厚度介于1nm～3nm之间；所述N+多晶硅区和P+多晶硅区的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，厚度介于10nm～200nm之间；所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔的宽度介于5μm～100μm之间。
在一些实施例中，所述的晶体硅太阳能电池，还包括氮化硅保护层，形成于所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔区域内，及形成于无电极接触的多晶硅层表面，其厚度在60～200nm之间。
根据本公开的另一个方面，提供了一种制备所述的晶体硅太阳能电池的方法，包括：在所述N型硅衬底的背表面形成隧穿氧化层；在所述隧穿氧化层上形成相互交替分布的N+多晶硅区及P+多晶硅区；以及在相邻的所述N+多晶硅区及P+多晶硅区之间形成间隔。
(三)有益效果
从所述技术方案可以看出，本公开晶体硅太阳能电池及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)在硅衬底的背表面形成隧穿氧化层，即背表面隧穿氧化层，并结合N+多晶硅区和P+多晶硅区，形成背表面的钝化接触结构，在实现背表面有效钝化的同时，完成对电子和空穴的选择性收集，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
(2)在N型硅衬底的受光面(前表面)形成有钝化层，即前表面钝化层，该钝化层除了钝化硅衬底表面悬挂键之外，还包含一定浓度的电荷，在衬底表面产生一电场，进一步提高了钝化效果。
(3)电极从多晶硅区引出，避免了电极与硅衬底直接接触，有利于提高电池的填充因子和开路电压，进而提高该硅晶体太阳能电池的转化效率，还可进一步保证该硅晶体太阳能电池具有较好的温度稳定性。
(4)N+多晶硅区与P+多晶硅区的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，掺杂浓度高且载流子的迁移率较大，形成较强的内建电场，有效降低了载流子的传输电阻。
(5)相对于常规背结背接触太阳能电池及其制备方法，本公开省掉了前表面的掺杂过程，简化电池制备工艺，并且降低了光的吸收损失，有利于电池性能的提高和成本的降低。
附图说明
通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1依据本公开实施例晶体硅太阳能电池结构示意图。
图2依据本公开实施例晶体硅太阳能电池制备方法流程图。
＜符号说明＞
100、前表面减反射层；101、前表面钝化层；102、N型硅衬底；103、背表面隧穿氧化层；104、N+多晶硅区；105、P+多晶硅区；106、氮化硅层；107、N+区电极；108、P+区电极。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开主要是针对常规背结背接触晶体硅太阳能电池所存在的缺陷而提供的一种N型硅衬底背结背接触式晶体硅太阳能电池，通过钝化接触，有效降低了电池背表面的复合速率，提高了电池的开路电压，同时相较于常规背结背接触太阳能电池，省掉了前表面的掺杂过程，简化电池制备工艺，并且降低了光的吸收损失，有利于电池性能的提高和成本的降低。
在本公开的一具体实施例中，如图1所示，本公开所述的晶体硅太阳能电池包括依次叠置的前表面减反射层100、前表面钝化层101、N型硅衬底102、背表面隧穿氧化层103、背表面N+多晶硅区104、背表面P+多晶硅区105、背表面的氮化硅保护层106、N+区电极107以及P+区电极108。其中，所述氮化硅保护层覆盖了背表面无电极接触的所有区域。
其中，所述前表面钝化层101设置在所述N型硅衬底与前表面减反射层之间，包括氧化硅层、和/或氧化铝层、和/或氧化氮，钝化层的厚度优选在1nm～20nm之间，以尽可能降低光的吸收损失。所述氧化铝或氧化硅具有较高的光学带隙，还具有一定浓度的电荷，前表面钝化层的设置可以饱和硅衬底前表面的悬挂键，而且钝化层中的电荷在硅衬底表面形成一电场，促进光生电子与空穴的分离，进而获得良好的表面钝化。
所述前表面减反射层100设置在所述前表面钝化层之上，材质为氮化硅或ITO，厚度在65nm～90nm之间，具体厚度可依据前表面钝化层的折射率和厚度而变化。
所述遂穿氧化层103设置在所述硅衬底102背表面，遂穿氧化层的设置一方面可以有效钝化硅衬底背表面悬挂键缺陷，进而降低载流子的复合几率，提高电池的效率；另一方面，可以通过遂穿效应实现载流子的输运，从而降低硅衬底上的表面复合同时又不影响载流子的输运，提高电池的填充因子，从而提高电池的效率。
具体的，所述的遂穿氧化层可以是本领域中可以提供钝化以及遂穿效应的任何化合物形成的结构层，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的氧化物形成本公开的遂穿氧化层，比如氧化物、氮化物和/或导电聚合物形成的遂穿氧化层。更具体而言，为保证该遂穿氧化层具有较好的钝化以及遂穿效应，进一步提高该晶体硅太阳能电池的效率，所述遂穿氧化层优选包括氧化硅层或氧化铝层，厚度介于1nm到3nm之间，能够允许载流子在氧化层两侧进行输运，优选介于1.0nm～1.7nm之间。
所述背表面N+多晶硅区104、背表面P+多晶硅区105相互交替分布在所述遂穿氧化层103上面。所述背表面N+多晶硅区(也可称作N+多晶硅薄膜)与P+多晶硅区105(也可称作P+多晶硅薄膜)的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，厚度介于10nm～200nm之间，多晶硅层中掺杂浓度高且载流子的迁移率较大，形成较强的内建电场，并有效降低了载流子的传输电阻；N+(P+)多晶硅与隧穿氧化层结合，形成钝化接触结构，避免金属电极与硅衬底直接接触，而且实现了对电子(空穴)的选择性收集，有利于提高电池的填充因子和开路电压，进而提高该硅晶体太阳能电池的转化效率，还可以进一步保证该硅晶体太阳能电池具有较好的温度稳定性等。
所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间存在间隔，从而避免了N+多晶硅区和P+多晶硅区直接接触，造成漏电通道。为了能够较好地提高背结背接触硅晶体太阳能电池的转化效率，所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔宽度在5μm～100μm之间，依据具体电池制备工艺而定。
为了保证所述N+多晶硅区和P+多晶硅区的间隔区域获得良好的钝化效果，在间隔区域隧穿氧化层上面覆盖一层氮化硅保护层106，该氮化硅覆盖了硅衬底背表面除电极接触之外的所有区域(如图1所示，N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔区域；各多晶硅区表面、各电极与对应的多晶硅区未接触的区域)，对N+多晶硅和P+多晶硅形成保护(钝化)。所述氮化硅保护层的厚度优选介于60nm～200nm之间，以进一步提升该硅晶体太阳能电池的转化效率。
由此，本公开晶体硅太阳能电池中，在硅衬底的受光面设置有前表面钝化层，钝化层除了钝化硅衬底表面悬挂键之外，还包含一定浓度的电荷，在衬底表面产生一电场，进一步提高钝化效果。在硅衬底的背表面设置隧穿氧化层，并结合N+多晶硅薄膜和P+多晶硅薄膜，形成背表面的钝化接触结构，在实现背表面有效钝化的同时，完成对电子和空穴的选择性收集，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
在本公开的另一具体实施例中，如图2所示，还提供了一种背结背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括：S1、在N型硅衬底的受光面形成前表面钝化层；S2、在所述钝化层上形成减反射层；S3、在N型硅衬底的背表面形成隧穿氧化层；S4、在所述隧穿氧化层表面形成相互交替分布的N+多晶硅区及P+多晶硅区，并在所述N+多晶硅区及P+多晶硅区之间保留一定宽度的间隔；S5、在所述N+多晶硅区及P+多晶硅区的表面上形成金属电极(N+区电极及P+区电极)；S6、在所述硅衬底的背表面上没有金属电极的区域形成氮化硅保护层。
采用所述制备方法形成的背结背接触晶体硅太阳能电池，在硅衬底的受光面设置前表面钝化层，该钝化层的原料包括氧化铝、氧化硅等氧化物或氮化硅等氮化物，前表面钝化层可以有效的钝化晶体硅表面悬挂键，降低表面复合速率，并且钝化层中的固定电荷使得晶体硅表面产生一电场，驱离与钝化层中电荷极性相同的光生载流子，这两种效果叠加有效降低了晶体硅衬底表面复合速率，有利于提高电池的开路电压。同时，上述制备方法避免了在晶体硅衬底受光面进行掺杂，避免产生俄歇复合与SRH复合，不存在“死区”，不仅降低了光的吸收损失，提高了电池的短路电流密度，还简化了电池生产工序，有利于降低成本。
在硅衬底的背表面设置隧穿氧化层，原料包括氧化硅、氧化铝等宽带隙绝缘介质，在隧穿氧化层表面设置交替分布的N+多晶硅区域P+多晶硅区，N+多晶硅薄膜与隧穿氧化层结合形成N型钝化接触结构，实现对电子的选择性收集，而P+多晶硅薄膜与隧穿氧化层结合形成P型钝化接触结构，实现对空穴的选择性收集，这样在晶体硅衬底背表面形成了发射极和背场，金属电极设置与多晶硅层上面，避免电极与晶体硅衬底直接接触，避免了接触区域产生的高复合，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
所述前表面钝化层的形成方法可以采用本领域中常用的方法，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，例如可以采用热氧氧化、ALD法、PECVD法等生长方法。
所述前表面减反射层的形成方法可以采用本领域中常用的方法，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，例如可以采用LPCVD法、APCVD法或PECVD法等生长氮化硅薄膜，采用蒸发法或磁控溅射法生长MgF2薄膜等。
所述遂穿氧化层可以是本领域中任何起到遂穿以及钝化作用的材料形成的结构层，例如为氧化硅层或氧化铝层。具体的，遂穿氧化层的形成方法可以根据实际情况选择。例如以氧化硅层为例，其生长可以采用湿法化学生长，如浓硝酸溶液浸泡或含臭氧的去离子水浸泡，也可以采用干法生长，如紫外臭氧氧化或热氧氧化等。
所述背表面多晶硅薄膜的形成方法可以采用本领域中常用的方法设置，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，例如可以采用LPCVD法、APCVD法或PECVD、Cat-CVD法等生长非晶硅/多晶硅，可以原位掺杂或通过扩散、离子注入等方法实现掺杂。以PECVD方法为例：先生长一层N+非晶硅层，然后经高温退火得到N+多晶硅层。或先生长一层本征非晶硅层，经高温退火后得到本征多晶硅层，然后再通过离子注入等方式，获得N+多晶硅层。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法形成本公开的掺杂多晶硅层。为了尽量缓解高温处理对之前形成的遂穿氧化层的影响，所述生长N+非晶硅层为低温生长过程，且后续的退火为高温快速热退火。
所述的背面金属电极可以采用丝印或蒸镀的方式完成，当然，也可以采用其他的方法形成，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方法，此处不再赘述。
另外，所述制备方法在N型硅衬底的受光面设置前表面钝化层的步骤之前，还可进一步包括形成所述N型硅衬底。具体的，形成所述硅衬底的过程包括：对所述硅衬底受光面进行制绒，对制绒后的所述硅衬底基体进行RCA清洗，去除晶体硅表面的有机沾污物及金属颗粒等，得到所述硅衬底。
以下详细介绍本公开背结背接触晶体硅太阳能电池的制备过程实例。
首先，对N型硅衬底受光面进行常规的制绒，制绒后N型硅衬底受光面出现绒面结构，背表面依然保持抛光结构。接着，对制绒后的衬底进行标准的RCA清洗，去除晶体硅表面的有机沾污及金属颗粒等。
完成清洗后，进行双面的遂穿氧化层生长。采用热氧氧化法生长氧化硅层，形成的遂穿氧化层的厚度为1.5nm。
完成遂穿氧化层的生长后，在硅衬底的背表面进行N+多晶硅和P+多晶硅的制备。其制备方法包括：首先，采用LPCVD法先在背表面隧穿氧化层上生长一层本征非晶硅层，其厚度在50-100nm之间，然后经高温退火得到本征多晶硅层。然后采用离子注入法分别在N区和P区进行P离子和B离子掺杂，掺杂浓度为1×1020cm-3，在N区与P区之间存在的本征多晶硅由RIE去掉，形成间隔，间隔宽度在50μm，这样就完成了电池背场的制备。
随后，通过HF的浸泡，去除硅衬底受光面的遂穿氧化层，并在硅衬底的受光面制备氧化铝薄膜。氧化铝薄膜的制备方式采用PECVD法，其厚度为8nm。
接着采用PECVD法在受光面氧化铝薄膜上生长氮化硅薄膜，厚度约75nm。
接着，采用热蒸发法在本征非晶硅层表面生长过渡金属氧化物层氧化钨层。
再接着，采用PECVD法在硅衬底背表面生长氮化硅保护层，厚度约120nm。
最后，在硅衬底背表面N+多晶硅区及P+多晶硅区上面开孔，采用蒸发的方法制备金属电极，实现金属电极与多晶硅层的接触，最终形成如图1所示的晶体硅太阳能电池结构。
上述方法步骤中，在硅衬底的受光面使用氧化铝薄膜对前表面进行钝化，饱和晶体硅表面悬挂键，降低表面复合速率，并且氧化铝中的负电荷使得晶体硅表面产生一电场，排斥衬底表面的光生电子，促进光生载流子对的分离，这样有效降低了光生载流子在硅衬底前表面的复合。有利于提高电池的开路电压。同时，所述制备方法避免在晶体硅衬底受光面进行掺杂，不存在“死区”，不仅降低了光的吸收损失，提高电池的短路电流密度，还简化了电池生产工序，有利于降低成本。
在受光面氧化铝钝化层上生长75nm氮化硅减反射层，可有效降低前表面光的反射率，提高电池的短路电流密度。
在晶体硅衬底的背表面通过热氧氧化形成1.5nm遂穿氧化硅。通过LPCVD生长本征非晶硅，并通过退火形成本征多晶硅，接着分别在N区和P区对本征多晶硅进行离子注入，并激活，获得N+多晶硅区与P+多晶硅区，这样在硅衬底背表面分别形成了交替分布的N型和P型钝化接触结构，分别实现对电子/空穴的选择性收集，大大降低了多子与少子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子。在N区与P区之间，通过RIE形成50μm间隔，避免N区与P区接触，造成漏电通道，有利于提高电池的填充因子。
在背表面金属电极接触区域以外生长一层氮化硅薄膜，可以保护间隔区域、N+多晶硅区与P+多晶硅区，避免沾污与氧化。
综上，本公开的背结背接触晶体硅太阳能电池中，在硅衬底的受光面取消了前表面场掺杂工序，直接生长前表面钝化层和减反射层，对晶体硅受光面进行有效钝化，并增透减反。降低光的吸收损失，提高电池的开路电压和短路电流密度，进而提高电池的转换效率；在硅衬底的背表面设置隧穿氧化层及交替分布的N+多晶硅区与P+多晶硅区，获得N型钝化接触结构及P型钝化接触结构，实现对电子和空穴的选择性收集，大幅降低载流子的复合损失，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开晶体硅太阳能电池有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，所述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体硅太阳能电池，包括：
N型硅衬底；
隧穿氧化层，形成于所述N型硅衬底的背表面；以及
多晶硅层，形成于所述隧穿氧化层上，其包括交替分布的N+多晶硅区和P+多晶硅区，相邻的所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间具有间隔；
其中，所述隧穿氧化层、N+多晶硅区及P+多晶硅区形成所述N型硅衬底背表面的钝化接触结构。
2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，还包括：
N+区电极，从所述N+多晶硅区中引出；以及
P+区电极，从所述P+多晶硅区中引出。
3.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，还包括钝化层，形成于所述N型硅衬底的前表面。
4.根据权利要求3所述的晶体硅太阳能电池，其中，所述钝化层的材质为氧化铝、氧化硅及氧化氮的至少其中之一，厚度介于1nm～20nm之间。
5.根据权利要求3所述的晶体硅太阳能电池，还包括减反射层，形成于所述钝化层上。
6.根据权利要求5所述的晶体硅太阳能电池，其中，所述减反射层的材质为氮化硅或ITO，厚度介于65nm～90nm之间。
7.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其中，所述隧穿氧化层的材质为氧化物、氮化物及导电聚合物的至少其中之一。
8.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其中，所述隧穿氧化层的材质为氧化硅或氧化铝，厚度介于1nm～3nm之间；所述N+多晶硅区和P+多晶硅区的掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3之间，厚度介于10nm～200nm之间；所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔的宽度介于5μm～100μm之间。
9.根据权利要求2所述的晶体硅太阳能电池，还包括氮化硅保护层，形成于所述N+多晶硅区和P+多晶硅区之间的间隔区域内，及形成于无电极接触的多晶硅层表面，其厚度介于60～200nm之间。
10.一种制备如权利要求1至9中任一项所述的晶体硅太阳能电池的方法，包括：
在所述N型硅衬底的背表面形成隧穿氧化层；
在所述隧穿氧化层上形成相互交替分布的N+多晶硅区及P+多晶硅区；
以及在相邻的所述N+多晶硅区及P+多晶硅区之间形成间隔。
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