CN109509796A - 一种用于p型单晶perc电池的背面钝化膜及背面镀膜工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单晶PERC电池的制备技术领域，具体涉及一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜及背面镀膜方法。该背面钝化膜包括PERC电池背面由内向外依次沉积的氧化铝层、SiNx层和SiOXNY层。本发明专利在原有的Al2O3/SiNx镀膜层基础上，在最外层增加了SiOXNY层。试验例测试结果表明，在P型单晶PERC电池上使用原来的背钝化膜Al2O3/SiNx，厚度为4nm/100nm时，电池对光的总吸收率为74.1％；当使用本发明实施例1提供的背面钝化膜Al2O3/SiNx/SiOXNY，电池对光的总吸收率为92.8％；同时，该钝化膜层可起到保护作用，提高了短路电流，提升电池效率。
Description
技术领域
本发明属于单晶PERC电池的制备技术领域，具体涉及一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜及背面镀膜工艺。
背景技术
目前，高效电池技术成为一个主流趋势。有研究表明，常规单晶电池主要效率区间为19.8-20％，对应的组件功率为280W，光学损失占效率总损失的50％以上。在这种背景下，PERC电池应运而生。PERC技术，即钝化发射极背面接触，通过在太阳能电池背面形成钝化层，可大幅降低背表面电学复合速率，形成良好的内部光学背反射机制，提升电池的开路电压Voc、短路电流Isc，从而提升电池的转换效率。
PERC太阳能电池具有工艺简单，成本较低，且与现有电池生产线兼容性高的优点是新开发出来的一种高效太阳能电池，得到了业界的广泛关注，有望成为未来高效太阳能电池的主流方向。
目前量产化的P型单晶PERC电池背面钝化的主流工艺是：用ALD方法先沉积一层＜10nm厚的Al2O3，然后再用PECVD的方法沉积一层厚度70-120nm厚的SiNx层。但是，SiNx膜层是一种较高折射率的镀膜材料，折射率一般为1.9-2.1。氮化硅用在电池片正表面是一种表现优良的减反射材料，但如果用在电池片背面，则会由于较高折射率而造成一部分吸收光的损失，从而影响电池Isc的提升。
基于以上原因，为了提高电池的转换效率，科研工作者进行了各种改进的尝试。比如中国专利CN106972066A公开了一种基于ALD工艺在的PERC电池制备方法，该方法包括1)制绒；2)扩散；3)背面抛光、刻蚀和去磷硅玻璃；4)背面ALD制备氧化铝；5)正面PECVD沉积SiNx减反射膜；6)背面PECVD沉积背面钝化膜层；7)背面激光局部开口；8)丝网印刷、烧结。该方法的关键点在于步骤6)背面PECVD沉积背面钝化膜层过程中，在硅片表面先沉积SiONx膜后再沉积SiNx膜，通过改善单晶体薄膜表面形态和绕镀色差，提升电池的转换效率。但按上述工艺制得的电池的转化效率提升有限，而且仍然无法克服电池高温烧结(700度以上)后电池效率降低的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本申请的发明目的在于提供一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜层，该钝化膜层可以提高电池片背面钝化、增加内反射效果，进而提高电池的转化效率；本发明的另一个发明目的在于提供上述背面钝化膜层的镀膜工艺。
为了实现上述发明目的，本发明的其中一个技术方案是：一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜，其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的氧化铝层、SiNx层和SiOXNY层。
优选地，所述氧化铝层的厚度＜10nm。
优选地，所述SiNx层的厚度为40-75nm；折射率为1.9-2.4。
优选地，所述SiOXNY层的厚度为50-150nm；折射率为1.4-1.9。
进一步优选地，所述SiOXNY层的厚度为85-130nm。
优选地，所述SiOXNY层中的X,Y分别取值范围是:x＝1-2；Y＝2-4。
本发明的另一个技术方案是一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层。
优选地，所述沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷和氨气在400-500℃条件下沉积50-300s，
2)由硅烷和氨气在400-500℃条件下沉积100-400s，
3)由硅烷、氨气和笑气在400-500℃条件下沉积50-300s。
进一步优选地，步骤1)中硅烷和氨气的体积比为1:(2-8)。
进一步优选地，步骤2)中硅烷和氨气的体积比为1:(5-12)。
进一步优选地，步骤3)中硅烷、氨气、笑气的体积比为1:(1-5):(7-15)。
本发明的其中一个技术方案提供了一种含有上述背面钝化膜的单晶PERC电池的制备工艺包括如下步骤：
制绒、扩散、刻蚀、正面热氧化、背面ALD制备氧化铝层、背面PEVCD沉积SiNx层和SiOXNY层、正面PEVCD沉积SiNx层、激光开槽、丝网印刷。
优选地，所述正面热氧化的方法为干氧氧化、湿氧氧化或TCA氧化。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明专利在原有的Al2O3/SiNx镀膜层基础上，在最外层增加了SiOXNY层。其主要优点是：SiOXNY相对于SiNx，是一种较低折射率材料，使用在P型PERC电池背面时，可以增加电池基体内吸收光的内反射，与SiNx形成的叠层可以增加吸收光内反射的次数，进一步提高晶硅电池Isc。试验例测试结果表明，在P型单晶PERC电池上使用原来的背钝化膜Al2O3/SiNx，厚度为4nm/100nm时，电池对光的总吸收率为74.1％；当使用本发明实施例1提供的背面钝化膜Al2O3/SiNx/SiOXNY，电池对光的总吸收率为92.8％。
(2)本发明提供的钝化膜层还可以对电池起到保护保用，当烧结温度＞700℃时，传统钝化膜中工艺制得的电池中，铝浆中的玻璃体会腐蚀氮化硅层，烧结后电池效率明显降低，而采用本发明的钝化膜层，由于外层的SiOXNY层可以消弱上述腐蚀作用，从而保证了氮化硅层的减反射和钝化效果，有效地阻止了短路电流和电池效率的降低，保证了高温烧结后电池的效率。
(3)本发明提供的在P型PERC电池背面镀膜的方法简单、可控，利用现有的生产条件，无需额外增加新的设备；而且易于产量化大规模生产。
附图说明
图1为采用实施例1提供的镀膜工艺制得的电池片的外量子效率测试图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiNx层和SiOXNY层；
其中，Al2O3层厚度为4nm；SiNx层厚度为55nm,折射率为2.4；SiOXNY层厚度为98nm，折射率为1.7，其中，SiOXNY中的X为2，Y为2。
所述P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层4nm厚的Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层，
其中，背面PEVCD方法沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷1000mL和氨气4400mL在490℃条件下沉积170s，
2)由硅烷800mL和氨气6200mL在490℃条件下沉积275s，
3)由硅烷600mL、氨气2000mL和笑气5000mL在490℃条件下沉积150s。
包含有该钝化膜层的背面钝化膜的单晶PERC电池的制备工艺包括如下步骤：制绒、扩散、刻蚀、正面热氧化、背面ALD制备氧化铝层、背面PEVCD沉积SiNx层和SiOXNY层、正面PEVCD沉积SiNx层、激光开槽、丝网印刷得到P型单晶PERC电池。
通过PV Lighthouse软件模拟得出，本实施例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为92.8％。
在其它条件不变的情况下，传统钝化膜层Al2O3/SiNx在厚度为4nm/100nm时，电池对太阳光的总吸收率最高，仅为74.1％。
采用根据最新版检测规范IEC-60904-8和NREL测量程序设计的太阳能电池外量子效率测试仪对本实施例制得的电池进行外量子效率测试(EQE)，检测结果如图1所示；其中，仪器的测试指标为：光谱范围：300-1100nm；系统照射面积:1mmx1mm；单色光光强：530nm处2mW/cm2；数据重复性：≤1％。
太阳能电池量子效率，以被称为太阳能电池光电转换效率IPCE(Iccident-Photon-to-electron Conversion Eficiency)。通常被提到的两种太阳能电池量子效率是指外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)和内量子效率(Internal QuantumEfficiency,IQE。
外量子效率(EQE)是指太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的一定数量的光子数目之比。
由图1结果可以看出，本实施例1提供的背面钝化膜制得的电池相对于传统的背面镀膜(图1中1)，在中长波段(500-1100nm)的量子效率更高，说明本发明中的背面钝化膜(图1中2)更有利于增加对吸收光的内反射，从而提高了电池的短路电流Isc。
实施例2
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiNx层和SiOXNY层；
其中，Al2O3层厚度为4nm；SiNx层厚度为55nm,折射率为2.4；SiOXNY层厚度为130nm，折射率为1.5，其中，SiOXNY中的X为1，Y为2。
所述P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层4nm厚的Al2O3膜，然后再
用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层，
其中，背面PEVCD方法沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷1000mL和氨气4400mL在490℃条件下沉积170s，
2)由硅烷800mL和氨气6200mL在490℃条件下沉积275s，
3)由硅烷600mL、氨气600mL和笑气4000mL在490℃条件下沉积150s。
采用同实施例1的电池制备方法及软件模拟测试方法，本实施例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为91.5％。
实施例3
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiNx层和SiOXNY层；
其中，Al2O3层厚度为4nm；SiNx层厚度为90nm,折射率为2.0；SiOXNy层厚度为98nm，折射率为1.7，其中，SiOXNY中的X为2，Y为2。
所述P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层4nm厚的Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层，
其中，背面PEVCD方法沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷700mL和氨气6000mL在490℃条件下沉积170s，
2)由硅烷1000mL和氨气4000mL在490℃条件下沉积275s，
3)由硅烷600mL、氨气500mL和笑气3000mL在490℃条件下沉积150s。
采用同实施例1的电池制备方法及软件模拟测试方法，本实施例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为87％。
实施例4
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiNx层和SiOXNY层；
其中，Al2O3层厚度为4nm；SiNx层厚度为90nm,折射率为2.0；SiOXNY层厚度为55nm，折射率为1.9，其中，SiOXNY中的X为1，Y为2。
所述P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层4nm厚的Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层，
其中，背面PEVCD方法沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷1000mL和氨气4400mL在490℃条件下沉积170s，
2)由硅烷800mL和氨气6200mL在490℃条件下沉积275s，
3)由硅烷600mL、氨气4000mL和笑气1500mL在490℃条件下沉积150s。
采用同实施例1的电池制备方法及软件模拟测试方法，本实施例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为86.8％。
实施例5
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiNx层和SiOXNY层；
其中，Al2O3层厚度为4nm；SiNx层厚度为55nm,折射率为2.4；SiOXNY层厚度为98nm，折射率为1.7，其中，SiOXNY中的X为2，Y为4。
所述P型单晶PERC电池的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层4nm厚的Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOxNY层，
其中，背面PEVCD方法沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷1000mL和氨气4400mL在490℃条件下沉积170s，
2)由硅烷800mL和氨气6200mL在490℃条件下沉积275s，
3)由硅烷600mL、氨气1000mL和笑气3000mL在490℃条件下沉积150s。
采用同实施例1的电池制备方法及软件模拟测试方法，本实施例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为89.2％。
对比例1
一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜,其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的Al2O3层、SiOXNY层和SiNx层；
在490℃条件下，先由硅烷、氨气和笑气沉积SiONx层，后由硅烷和氨气沉积SiNx层，其中，SiONx层的沉积厚度为60nm，折射率为1.8，SiNx层的沉积厚度为100nm，折射率为2.0；其中，SiOXNY中的X为2，Y为2。
具体的沉积工艺为：
1)由硅烷600mL、氨气2000mL和笑气4000mL在490℃条件下沉积150s；
2)由硅烷1000mL和氨气4400mL在490℃条件下沉积170s，
3)由硅烷800mL和氨气3000mL在490℃条件下沉积275s。
采用同实施例1的电池制备方法及软件模拟测试方法，该对比例中的钝化膜制得的电池对太阳光的总吸收率为81.3％。
进了进一步研究本发明提供的背面钝化膜对电池性能的影响，将30片规格相同(如规格为180μm厚、156.75mm×156.75mm)的单晶P型硅片(分为6组，每组5片)采用电池的制备工艺经制绒、扩散、刻蚀、正面热氧化、背面ALD制备氧化铝层、背面PEVCD沉积SiNx层和SiOXNY层、正面PEVCD沉积SiNx层、激光开槽、丝网印刷后于850℃进行烧结，实现金属化；其中背面PEVCD沉积SiNx层和SiOXNY层按实施例1-5和对比例1公开的钝化膜层结构和镀膜工艺进行。
分别测试烧结后电池的短路电流和电池效率，各组取平均值，统计结果如下表1所示。其中Isc/A为短路电流；Ncell为电池转化效率。
表1本发明提供的钝化膜制得的电池的短路电流及电池转化效率测试结果
| Isc/A | Ncell | |
| 实施例1 | 9.873 | 21.86％ |
| 实施例2 | 9.861 | 21.85％ |
| 实施例3 | 9.854 | 21.84％ |
| 实施例4 | 9.850 | 21.83％ |
| 实施例5 | 9.856 | 21.84％ |
| 对比例1 | 9.820 | 21.71％ |
由表1数据可以看出，本发明实施例1-5提供的钝化膜层制得的电池在高温(850℃)烧结后电池的短路电流和电池转化效率均高于对比例，这是由于本发明的背膜层中的SiOXNY层可以对内部膜层起到保护作用，当烧结温度＞700℃时，铝浆中的玻璃体会腐蚀氮化硅层，SiOXNY层可以消弱这种腐蚀作用,从而保证了氮化硅层的减反射和钝化效果，提高了短路电流，提升了电池效率。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于P型单晶PERC电池的背面钝化膜，其包括PERC电池背面由内向外依次沉积的氧化铝层、SiNx层和SiOXNY层。
2.根据权利要求1所述的背面钝化膜，所述SiNx层的厚度为40-75nm。
3.根据权利要求1所述的背面钝化膜，所述SiOXNY层的厚度为50-150nm。
4.根据权利要求3所述的背面钝化膜，所述SiOXNY层的厚度为85-130nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的背面钝化膜，所述SiOXNY层中的X,Y分别取值范围是：X＝1-2；Y＝2-4。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的背面钝化膜的镀膜工艺，其包括如下步骤：
首先采用ALD沉积法在单晶P型硅片背面镀一层Al2O3膜，然后再用PECVD的方法在硅片背面Al2O3膜上面沉积SiNx层和SiOXNY层。
7.根据权利要求6所述的镀膜工艺，所述沉积SiNx层和SiOXNY层包括如下步骤：
1)由硅烷和氨气在400-500℃条件下沉积50-300s，
2)由硅烷和氨气在400-500℃条件下沉积100-400s，
3)由硅烷、氨气和笑气在400-500℃条件下沉积50-300s。
8.根据权利要求7所述的镀膜工艺，步骤1)中硅烷和氨气的体积比为1:(2-8)。
9.根据权利要求7所述的镀膜工艺，步骤3)中硅烷、氨气、笑气的体积比为1:(1-5):(7-15)。
10.一种含有权利要求1-5中任一项所述的背面钝化膜的单晶PERC电池的制备工艺包括如下步骤：
制绒、扩散、刻蚀、正面热氧化、背面ALD制备氧化铝层、背面PEVCD沉积SiNx层和SiOXNY层、正面PEVCD沉积SiNx层、激光开槽、丝网印刷。
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