CN109244194B - 一种低成本p型全背电极晶硅太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳电池技术领域，尤其是一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法；包括以下步骤：以P型单晶硅片作为硅衬底，首先进行抛光或者制绒处理，在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜，磷扩散在电池背面沉积SiNx薄膜，采用激光烧蚀电池背面背表面场区域的氮化硅；制绒处理，去除背面结区的掩膜氮化硅及磷硅玻璃，双面沉积氧化铝薄膜，分别在电池正、背面沉积氮化硅薄膜，激光烧蚀背面背场区域部分氧化铝/氮化硅薄膜形成局域铝背场，背场区域采用背银+铝浆结构；本发明的全背电极太阳电池的制备方法效率高，银浆用量少，且无硼扩散等昂贵工艺，电池生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，尤其是一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法。
背景技术
全背电极晶硅太阳电池(Interdigitated Back Contact solar cells, IBC)因其正面无栅线遮挡效率远高于常规结构的电池。早在2012年，美国Sunpower公司生产的IBC电池效率就达到了24%，近年来，其效率更是增加到了25%以上。IBC电池由于电极都在背面，光生载流子需要运动至背面才能被收集，因此对衬底的少子寿命要求比较高，量产或研发IBC电池的公司或机构往往选用少子寿命高的N型单晶硅片作为衬底，但N型硅片的价格高于P型硅片。N型IBC电池的另外一个缺点是，背面的背场、发射结区域都需要掺杂，且掺杂类型不同，这就导致其工艺流程复杂，生产成本高。
随着P型单晶硅片的少子寿命的提升，P型单晶硅片也可以满足IBC电池的需求。本发明提出的低成本P型全背电极晶硅太阳电池，背面只有发射结区域需要掺杂，背场区域采用铝浆与硅烧结形成局域铝背场，以形成欧姆接触，减少了工艺步骤，同时也降低了银浆耗量。另外，在背面发射结区域采用钝化接触结构，减少金属区复合，可以大幅提升电池效率。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高效低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，该制备方法通过隧穿氧化、多晶硅沉积、氮化硅掩膜、激光图形化、局域铝背场等工艺，将接触钝化工艺应用于全背电极太阳电池，电池效率高，银浆用量少，且无硼扩散等昂贵工艺，电池生产成本低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
（1）以P型单晶硅片作为硅衬底，首先进行抛光或者制绒处理，所用的溶液为KOH溶液，KOH溶液的温度为70-90℃；
（2）然后在2-5%的HF溶液中进行清洗，清洗干净硅片表面；
（3）在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜，隧穿氧化硅厚度<2nm，多晶硅薄膜厚度>100nm；
（4）进行磷扩散工艺，时间0.5h-2h，将本征多晶硅薄膜变成n型多晶硅薄膜，方阻控制在50-100ohm/sq的范围内；
（5）在电池背面沉积SiNx薄膜，厚度控制在40-80nm；（6）采用激光烧蚀电池背面背表面场区域的氮化硅；
（7）在1-5%的HF溶液中浸泡1-5分钟去除背表面场区域的磷硅玻璃及激光产生的氧化层，然后在10-30%的KOH溶液中浸泡1-5分钟去除该区域的多晶硅薄膜，最后在1-5%的HF溶液中浸泡1-2分钟去除该区域的隧穿氧化层，去除背面背场区域的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层时，电池正表面的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层也得以去除；
（8）在KOH溶液中进行制绒处理，KOH溶液的温度为80℃；
（9）在10-20%的HF溶液中浸泡15-45分钟以去除背面结区的掩膜氮化硅及磷硅玻璃；
（10）双面沉积氧化铝薄膜，厚度控制在3-12nm；
（11）分别在电池正、背面沉积氮化硅薄膜；
（12）激光烧蚀背面背场区域部分氧化铝/氮化硅薄膜形成局域铝背场；
（13）背面丝网印刷、烧结，结区采用银浆，背场区域采用背银+铝浆结构，铝浆用于形成局域铝背场，背银用于焊接，烧结温度控制在700-800度之间。
进一步的，所述步骤（1）中的KOH溶液按照质量比为KOH:制绒添加剂:H2O=20:3:160的例配制。
进一步的，所述步骤（1）和步骤（8）中的KOH溶液用四甲基氢氧化铵溶液代替，质量比为TMAH:H2O=10:90。
进一步的，所述步骤（11）中正面氮化硅的厚度控制在70-85nm，背面氮化硅的厚度控制在70-150nm。
进一步的，所述步骤（11）中正背面氮化硅的折射率控制为1.9-2.1。
进一步的，所述步骤（3）中在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜采用LPCVD设备。
进一步的，所述步骤（5）中在电池背面沉积SiNx薄膜采用PECVD设备。
进一步的，所述步骤（10）中双面沉积氧化铝薄膜采用管式ALD设备。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
1、本发明采用P型单晶硅片为衬底，背场区域采用铝浆与硅烧结形成局域铝背场，以形成欧姆接触，无需扩散，减少工艺步骤。另外，在背面发射结区域采用钝化接触结构，减少金属区复合。巧妙地采用管式ALD设备双面沉积氧化铝，同时对电池正表面、背场区域形成完美钝化。
2、本发明的电池是一种全背电极晶硅太阳电池，正面无金属栅线，零遮光，因此效率远高于常规电池。另外，本发明的电池在背面的发射结区域采用了接触钝化结构；背面的背场区域采用铝浆形成局域铝背场来实现电学接触及金属区钝化，节省银浆用量；电池正表面、背面背场均采用氧化铝钝化，氧化铝的场钝化可使得这两个区域不需要扩散来形成场钝化。本发明的全背电极太阳电池效率高，银浆用量少，且无硼扩散等昂贵工艺，电池生产成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-衬底，2-隧穿氧化层，3-多晶硅薄膜层，4-氧化铝薄膜层，5-氮化硅薄膜层，6-铝浆，7-银浆。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池，具体结构如下：
（1）电池采用P型单晶硅片作为衬底1，如图1中区域1所示，硅片电阻率为1-5ohm•cm，硅片正面为金字塔状绒面，背面为抛光过的平面；
（2）电池背面的发射结区域长有隧穿氧化层2，如图1中区域2所示，氧化层厚度1-2nm，可形成隧穿接触；
（3）在背面发射结区的氧化层上长有重掺的n型多晶硅薄膜层3，如图1中区域3所示，其作用是选择性输运，从而结合隧穿氧化层形成接触钝化结构；
（4）电池正背表面都长有氧化铝薄膜4，如图1中区域4所示，氧化铝薄膜5为3-12nm，氧化铝中富含氢，可钝化硅表面的悬挂键，形成良好的化学钝化，另外，氧化铝/硅界面含有大量负电荷，可对p型硅表面形成完美的场钝化；
（5）电池正背面氧化铝薄膜的上方均长有氮化硅薄膜层5，如图1中区域5所示，氮化硅可以阻隔水汽等，从而对氧化铝起到保护作用，另外，正面氮化硅还可以起到减反作用，正面氮化硅的厚度为70-85nm，背面氮化硅的厚度为70-150nm，正背面氮化硅的折射率都在1.9-2.1之间；
（6）电池背面的背场区域采用铝浆实现电学接触，如图1中区域6所示，铝浆烧结后和硅能形成p型重掺杂的局域铝背场，从而形成良好的欧姆接触以及金属区域的场钝化，铝浆的印刷宽度为50-300微米，印刷高度为5-30微米；
（7）电池背面的发射结区域采用银浆实现电学接触，如图1中区域7所示，银的功函数低，和n+发射结能形成良好的欧姆接触，另外银浆的导电性好，且银和硅的合金温度高，普通的烧结过程中难以形成银硅合金，因此银浆的烧穿深度小，不容易破坏发射结区的接触钝化结构。
经模拟，本发明公开的低成本P型全背电极晶硅太阳电池效率可达到23.5-24%，远高于目前的主流PERC电池。相比于PERC电池，该全背电极晶硅太阳电池的开路电压可提升20-25mV，短路电流密度可提升1.5-2mA/cm2。两者的详细电性能参数如下：
| Voc (V) | Jsc (mA/cm2) | FF (%) | Eta (%) | |
| 主流PERC电池 | 0.6687 | 39.86 | 81.1 | 21.62 |
| 本发明涉及P型IBC电池 | 0.6902 | 41.78 | 81.8 | 23.6 |
上述低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，步骤如下：
（1）以P型单晶硅片作为硅衬底，首先进行抛光（或者制绒处理），所用的溶液通常为KOH溶液，所述KOH溶液一般按照KOH：制绒添加剂：H2O=20:3:160的比例配制，温度为70-90℃，制绒添加剂购自时创、三峰等公司。此外也可以用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液代替，配比一般为TMAH:H2O=10:90；
（2）然后在2-5%的HF溶液中进行清洗，清洗干净硅片表面；
（3）采用LPCVD设备，在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜，隧穿氧化硅厚度<2nm，多晶硅薄膜厚度>100nm；
（4）进行传统的磷扩散工艺，时间0.5h-2h，将本征多晶硅薄膜变成n型多晶硅薄膜，方阻控制在50-100ohm/sq的范围内；
（5）采用PECVD设备，在电池背面沉积SiNx薄膜，厚度控制在40-80nm，作用是作为掩膜层来实现多晶硅薄膜的图形化刻蚀；
（6）采用激光烧蚀电池背面背表面场区域的氮化硅；
（7）首先在1-5%的HF溶液中浸泡1-5分钟去除背表面场区域的磷硅玻璃及激光产生的氧化层，然后在10-30%的KOH溶液中浸泡1-5分钟去除该区域的多晶硅薄膜，最后在1-5%的HF溶液中浸泡1-2分钟去除该区域的隧穿氧化层，去除背面背场区域的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层时，电池正表面的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层也得以去除；
（8）在KOH溶液中进行制绒处理，从而在电池正面形成金字塔结构，达到陷光的效果。所述KOH溶液一般按照KOH：制绒添加剂：H2O=8:1.5:160的比例配制，温度为80℃制绒添加剂购自时创、三峰等公司。此外也可以用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液代替，配比一般为TMAH:H2O=10:90；
（9）在10-20%的HF溶液中浸泡15-45分钟以去除背面结区的掩膜氮化硅及磷硅玻璃；
（10）采用管式ALD设备双面沉积氧化铝薄膜，厚度控制在3-12nm；
（11）分别在电池正、背面沉积氮化硅薄膜，正面氮化硅的厚度控制在70-85nm，背面氮化硅的厚度控制在70-150nm，正背面氮化硅的折射率都控制在1.9-2.1之间；
（12）激光烧蚀背面背场区域部分氧化铝/氮化硅薄膜以便于形成局域铝背场；
（13）背面丝网印刷、烧结，结区采用银浆，背场区域采用类似于PERC电池的背银+铝浆结构，铝浆用于形成局域铝背场，背银用于焊接，烧结温度控制在700-800℃之间。
所属领域的普通技术人员应该能够理解的是：1、本发明采用P型单晶硅片为衬底，背场区域采用铝浆与硅烧结形成局域铝背场，以形成欧姆接触，无需扩散，减少工艺步骤。另外，在背面发射结区域采用钝化接触结构，减少金属区复合。巧妙地采用管式ALD设备双面沉积氧化铝，同时对电池正表面、背场区域形成完美钝化。
2、本发明的电池是一种全背电极晶硅太阳电池，正面无金属栅线，零遮光，因此效率远高于常规电池。另外，本发明的电池在背面的发射结区域采用了接触钝化结构；背面的背场区域采用铝浆形成局域铝背场来实现电学接触及金属区钝化，节省银浆用量；电池正表面、背面背场均采用氧化铝钝化，氧化铝的场钝化可使得这两个区域不需要扩散来形成场钝化。本发明的全背电极太阳电池效率高，银浆用量少，且无硼扩散等昂贵工艺，电池生产成本低。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
（1）以P型单晶硅片作为硅衬底，首先进行抛光或者制绒处理，所用的溶液为KOH溶液，KOH溶液的温度为70-90℃；
（2）然后在2-5%的HF溶液中进行清洗，清洗干净硅片表面；
（3）在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜，隧穿氧化硅厚度<2nm，多晶硅薄膜厚度>100nm；
（4）进行磷扩散工艺，时间0.5h-2h，将本征多晶硅薄膜变成n型多晶硅薄膜，方阻控制在50-100ohm/sq的范围内；
（5）在电池背面沉积SiNx薄膜，厚度控制在40-80nm；（6）采用激光烧蚀电池背面背表面场区域的氮化硅；
（7）在1-5%的HF溶液中浸泡1-5分钟去除背表面场区域的磷硅玻璃及激光产生的氧化层，然后在10-30%的KOH溶液中浸泡1-5分钟去除该区域的多晶硅薄膜，最后在1-5%的HF溶液中浸泡1-2分钟去除该区域的隧穿氧化层，去除背面背场区域的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层时，电池正表面的磷硅玻璃/多晶硅/隧穿氧化层也得以去除；
（8）在KOH溶液中进行制绒处理，KOH溶液的温度为80℃；
（9）在10-20%的HF溶液中浸泡15-45分钟以去除背面结区的掩膜氮化硅及磷硅玻璃；
（10）双面沉积氧化铝薄膜，厚度控制在3-12nm；
（11）分别在电池正、背面沉积氮化硅薄膜；
（12）激光烧蚀背面背场区域部分氧化铝/氮化硅薄膜形成局域铝背场；
（13）背面丝网印刷、烧结，结区采用银浆，背场区域采用背银+铝浆结构，铝浆用于形成局域铝背场，背银用于焊接，烧结温度控制在700-800度之间。
2.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的KOH溶液按照质量比为KOH:制绒添加剂:H2O=20:3:160的例配制。
3.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（8）中的KOH溶液用四甲基氢氧化铵溶液代替，质量比为TMAH:H2O=10:90。
4.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（11）中正面氮化硅的厚度控制在70-85nm，背面氮化硅的厚度控制在70-150nm。
5.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（11）中正背面氮化硅的折射率控制为1.9-2.1。
6.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中在电池两面生长隧穿氧化硅薄膜和本征的多晶硅薄膜采用LPCVD设备。
7.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中在电池背面沉积SiNx薄膜采用PECVD设备。
8.根据权利要求1所述的一种低成本P型全背电极晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（10）中双面沉积氧化铝薄膜采用管式ALD设备。
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