CN109686814A - 一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，该方法包括：将p型硅片通过热氧化进行掩膜、激光消融形成背面图案、丝网印刷硼浆料、高温炉中POCl3沉积PSG、激光掺杂形成选择性发射极，然后在硅片正面沉积SiNx，硅片背面先沉积Al2O3层，再沉积SiNx层，最后丝网印刷烧结正、背面银浆。与现有技术相比，本发明能够实现效率大于22.5％的PERL双面电池技术产业化，不仅提高电池效率，同时因具有双面发电功能，因此也提高了组件的发电能力，简化工艺，从而方便大规模量产。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，涉及一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法。
背景技术
对于产业化p型常规太阳电池而言，尽管各种不同技术的应用在一定程度上提升了电池效率，例如，选择性发射级(selective emitter)结构、两次印刷技术(doubleprinting)以及发射极高方阻等，但背面的载流子复合速率仍然是限制电池效率的主要因素。而PERC电池(Passivated Emitter and Rear Cell)，即钝化发射极背场点接触电池，通过在背表面钝化，同时采用激光进行局部开口和局域背场制备，可以将电池的效率提高0.6％-1.0％。PERC电池与常规电池不同之处在于背面，PERC电池采用了钝化膜来钝化背面，取代了传统的全铝背场，从而大幅度降低了背面的复合速率，开路电压提升幅度达到10-15mV。Al2O3、SiO2及SiNx等介质膜都可以用来作为背面的钝化膜，目前产业化应用较多的是Al2O3/SiNx叠层膜。
2015年，德国ISFH研究所T.Dullweber博士在欧洲光伏大会提出PERC双面电池(PERC+)的概念，主要是背面采用铝栅线，形成双面电池结构。相比于PERC电池，PERC+的背面局域铝背场厚度增加2-3μm，降低了局域背场的复合，提高开路电压；铝浆用量下降80-90％，可以降低电池成本；双面受光，提高组件发电量。PERC+背面采用栅线结构，增加了串联电阻，降低填充因子；PERC+电池背面pitch(背面电池栅线间距最小单元)更宽，增加了载流子横向传输电阻。
PERL电池(Passivated emitter and Rear locally diffused)是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称，其电池效率较高。PERL双面电池不仅能够保证电池正面效率，同时也可以增强双面率。通过使用选择性发射极，降低发射极的复合，改善前电极的接触电阻率。背面采用局域重掺杂，降低背面的局域复合和接触电阻率，是目前最有潜力实现22.5％的电池效率，其技术路线基于选择性发射极，背面局部重掺杂的电池结构，且电池成本可控的高效晶体硅电池技术路线。
然而，现有PERL双面电池的制作工艺复杂，成本较高，难以实现大规模量产。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，该方法包括以下步骤：
1)将p型硅片置于HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕；
2)将清洗后的硅片置于碱性溶液中进行制绒，之后进行背面抛光；
3)将背面抛光后的硅片进行氧化，使SiO2的厚度为10-15nm；
4)将硅片背面进行纳秒激光开膜；
5)在硅片背面进行丝网局域印刷硼浆料，之后在800-1200℃下退火；
6)利用POCl3在硅片正面沉积PSG，并采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在硅片正面先沉积一层高折射率SiNx膜，之后再沉积一层低折射率SiNx膜；
8)在硅片背面先沉积一层Al2O3，再沉积一层SiNx，或直接在硅片背面沉积一层SiOx，之后在400-450℃下退火；
9)在硅片正面进行丝网印刷银浆料，在硅片背面印刷银铝浆料，烧结后即可。
进一步地，步骤1)中，所述的HF/HNO3混合溶液中，HF与HNO3体积比为1:1-5。
进一步地，步骤2)中，所述的碱性溶液为KOH溶液或NaOH溶液。碱性溶液中，溶质的质量百分含量为2-10％。
进一步地，步骤2)中，所述的背面抛光过程在HF/HNO3混合溶液中进行。
进一步地，步骤3)中，所述的氧化为高温热氧化，该高温热氧化的温度为650-870℃。
进一步地，步骤3)中，还可以在抛光后的硅片背面PECVD沉积SiO2介质层。
进一步地，步骤5)中，所述的退火过程在氮气或氧气中进行。若在氧气中进行退火，可以有效地去除表面的死层，降低局域掺杂区域的表面复合。
进一步地，步骤5)中，采用丝网印刷在激光开膜区域进行，局域印刷硼浆料，通过不同的退火时间和温度调节局域掺杂的方阻和表面浓度。
进一步地，步骤6)采用皮秒激光将PSG高温形成选择性发射极，降低前电极金属与硅片的接触电阻率。
进一步地，步骤7)中，所述的高折射率SiNx膜的厚度为9-11nm，折射率为2.5-2.9；所述的低折射率SiNx膜的厚度为60-80nm，折射率为2-2.1。
进一步地，步骤8)中，硅片背面的Al2O3层的厚度为5-20nm，SiNx层的厚度为70-100nm，SiOx层的厚度为70-100nm。
进一步地，步骤9)中，所述的烧结温度为850-910℃。
进一步地，步骤2)中，所述的背面抛光过程在单抛机中进行；步骤3)中，所述的氧化过程在干氧化炉中进行；步骤6)中，所述的正面沉积过程在高温炉中进行；步骤7)中，利用管式PECVD设备或板式PECVD设备在硅片正面沉积SiNx膜；步骤8)中，利用ALD设备或PECVD设备在硅片背面沉积一层Al2O3，之后再利用PECVD设备沉积一层SiNx。Al2O3层不仅能够降低表面复合速率，同时提高了背面的反射性能。
其中，管式PECVD设备即使用像扩散炉管一样的石英管作为沉积腔室，使用电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。板式PECVD设备即将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上，再放入一个金属的沉积腔室中，沉积腔室中有平板型的电极，与样品支架形成一个放电回路，沉积腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离子体，分解SiH4中的Si和H，以及NH3中的N，形成SiNx沉积到硅表面。
PERL双面电池在技术上的难点有两个：一、低复合、低接触电阻率的选择性发射极的制备：主要是金属接触区域的重掺杂，如果掺杂的方阻非常低，会引起金属区域复合的增加，因此本发明采用皮秒激光器，通过调节激光扫描线速度、激光光斑能量、光斑直径，精确的将PSG在高温过程掺杂进入硅片中；二、背面局域重掺杂：PERL双面电池前后表面，需要分别制备形成选择性发射极和局域硼掺杂。澳大利亚新南威尔士大学Martin Green研究团队采用4-5次掩膜的方式，虽然能够在一定程度上缓解上述问题，但同时会增加工艺成本，难以产业化。本发明先通过热氧化加上激光开膜，制备背面金属接触局域重掺杂，后通过一次掩膜扩散形成PSG，然后激光掺杂形成选择性发射极，简化了制备工艺。
本发明先通过热氧化加上激光开膜，制备背面金属接触局域重掺杂，后通过一次掩膜扩散沉积磷硅玻璃，然后激光局域高温形成选择性发射极，解决PERL双面电池的多次掩膜问题。工艺步骤主要包括将p型硅片通过热氧化进行掩膜，激光消融形成背面图案，丝网印刷硼浆料，高温炉中POCl3沉积PSG，激光掺杂形成选择性发射极，硅片正面沉积厚度80nm的SiNx、硅片抛光面的背面沉积5-20nm的Al2O3层，然后在管式PECVD设备或板式PECVD设备中沉积70-100nm的SiNx层，丝网印刷烧结正、背面银浆的步骤。
本发明旨在通过简化高效背钝化电池制备工艺，以降低电池生产成本，最终实现规模量产效应，可应用于规模化生产的高效PERL双面电池工艺路线，利用现有设备就能生产，工艺本身成本和技术难度低于N型双面电池，在现有的PERL电池工艺方面实现简单有效、成本可控，采用前表面发射极采用激光掺杂制备选择性发射极，提高电池的开路电压。采用热氧化形成的氧化层，通过激光开膜，能够有效地控制丝网印刷硼浆料的掺杂区域，无需增加背面局域掺杂的激光设备，节约了设备购置成本。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)通过采用热氧化掩膜，激光开膜后丝网印刷硼浆料，形成局域掺杂区域，不仅能降低背面银栅线与硅片的接触电阻率，同时，ALD沉积5-20nm的Al2O3层，可以降低局域掺杂区域的复合；正面制备选择性发射极，因激光工艺相对成熟，且直接在PSG表面进行制备，极大简化背钝化高效电池的工艺流程，有效降低电池生产成本；
2)能够实现效率大于22.5％的PERL双面电池技术产业化，不仅提高电池效率，同时因具有双面发电功能，因此也提高了组件的发电能力，简化工艺从而方便大规模量产。
附图说明
图1为实施例1中电池制作方法的工艺流程图；
图2为实施例1中制作得到的电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示，一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法包括以下步骤：
1)将p型硅片在HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕；
2)清洗后的硅片在KOH溶液中进行制绒，并采用HF/HNO3混合溶液在单抛设备中进行背抛；
3)将抛光后的硅片在干氧化炉中进行氧化，SiO2的厚度10-15nm；
4)将上述硅片背面(抛光面)进行纳秒激光开膜；
5)丝网局域印刷硼浆料，在N2气中进行1000℃退火；
6)将上述硅片在高温炉中POCl3正面沉积PSG(磷硅玻璃)，采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在管式PECVD设备或板式PECVD设备中将硅片正面沉积厚度10nm的折射率为2.7的SiNx膜，后继续沉积厚度70nm的折射率为2.03的SiNx膜；
8)采用ALD设备在硅片抛光面的背面沉积5-20nm的Al2O3层，然后在管式PECVD设备或板式PECVD设备中沉积70-100nm的SiNx层，后在设备内进行425℃退火；
9)丝网印刷正面银浆料，背面印刷银铝浆料，烧结。
制作得到的电池如图2所示。
实施例2：
一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，该方法包括以下步骤：
1)将p型硅片置于HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕，HF/HNO3混合溶液中，HF与HNO3体积比为1:1；
2)将清洗后的硅片置于碱性溶液中进行制绒，之后在HF/HNO3混合溶液中进行背面抛光，其中，碱性溶液为KOH溶液；
3)将背面抛光后的硅片在870℃下进行高温热氧化，使SiO2的厚度为10nm；
4)将硅片背面进行纳秒激光开膜；
5)在硅片背面进行丝网局域印刷硼浆料，之后在氮气中、1200℃下退火；
6)利用POCl3在硅片正面沉积PSG，并采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在硅片正面先沉积一层高折射率SiNx膜，之后再沉积一层低折射率SiNx膜，其中，高折射率SiNx膜的厚度为9nm，折射率为2.9；低折射率SiNx膜的厚度为60nm，折射率为2.1；
8)在硅片背面先沉积一层厚度为50nm的Al2O3，再沉积一层厚度为100nm的SiNx，之后在400℃下退火；
9)在硅片正面进行丝网印刷银浆料，在硅片背面印刷银铝浆料，在910℃下烧结后即可。
步骤2)中，背面抛光过程在单抛机中进行；步骤3)中，氧化过程在干氧化炉中进行；步骤6)中，正面沉积过程在高温炉中进行；步骤7)中，利用管式PECVD设备在硅片正面沉积SiNx膜；步骤8)中，利用ALD设备在硅片背面沉积一层Al2O3，之后再利用PECVD设备沉积一层SiNx。
实施例1及实施例2中制作得到的电池的测试数据如下：
| Voc(V) | Isc(A) | FF(％) | Eta(％) | |
| 实施例1 | 0.6598 | 10.113 | 80.32 | 21.938 |
| 实施例2 | 0.6595 | 10.120 | 80.24 | 21.918 |
实施例3：
一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，该方法包括以下步骤：
1)将p型硅片置于HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕，HF/HNO3混合溶液中，HF与HNO3体积比为1:5；
2)将清洗后的硅片置于碱性溶液中进行制绒，之后在HF/HNO3混合溶液中进行背面抛光，其中，碱性溶液为NaOH溶液；
3)将背面抛光后的硅片在650℃下进行高温热氧化，使SiO2的厚度为15nm；
4)将硅片背面进行纳秒激光开膜；
5)在硅片背面进行丝网局域印刷硼浆料，之后在氧气中、800℃下退火；
6)利用POCl3在硅片正面沉积PSG，并采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在硅片正面先沉积一层高折射率SiNx膜，之后再沉积一层低折射率SiNx膜，其中，高折射率SiNx膜的厚度为11nm，折射率为2.5；低折射率SiNx膜的厚度为80nm，折射率为2；
8)在硅片背面先沉积一层厚度为20nm的Al2O3，再沉积一层厚度为70nm的SiNx，之后在450℃下退火；
9)在硅片正面进行丝网印刷银浆料，在硅片背面印刷银铝浆料，在850℃下烧结后即可。
步骤2)中，背面抛光过程在单抛机中进行；步骤3)中，氧化过程在干氧化炉中进行；步骤6)中，正面沉积过程在高温炉中进行；步骤7)中，利用板式PECVD设备在硅片正面沉积SiNx膜；步骤8)中，利用PECVD设备在硅片背面沉积一层Al2O3，之后再利用PECVD设备沉积一层SiNx。
实施例4：
一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，该方法包括以下步骤：
1)将p型硅片置于HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕，HF/HNO3混合溶液中，HF与HNO3体积比为1:3；
2)将清洗后的硅片置于碱性溶液中进行制绒，之后在HF/HNO3混合溶液中进行背面抛光，其中，碱性溶液为KOH溶液；
3)将背面抛光后的硅片在720℃下进行高温热氧化，使SiO2的厚度为12nm；
4)将硅片背面进行纳秒激光开膜；
5)在硅片背面进行丝网局域印刷硼浆料，之后在氮气中、1000℃下退火；
6)利用POCl3在硅片正面沉积PSG，并采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在硅片正面先沉积一层高折射率SiNx膜，之后再沉积一层低折射率SiNx膜，其中，高折射率SiNx膜的厚度为10nm，折射率为2.7；低折射率SiNx膜的厚度为70nm，折射率为2.05；
8)在硅片背面先沉积一层厚度为12nm的Al2O3，再沉积一层厚度为85nm的SiNx之后在425℃下退火；
9)在硅片正面进行丝网印刷银浆料，在硅片背面印刷银铝浆料，在880℃下烧结后即可。
步骤2)中，背面抛光过程在单抛机中进行；步骤3)中，氧化过程在干氧化炉中进行；步骤6)中，正面沉积过程在高温炉中进行；步骤7)中，利用板式PECVD设备在硅片正面沉积SiNx膜；步骤8)中，利用ALD设备在硅片背面沉积一层Al2O3，之后再利用PECVD设备沉积一层SiNx。
实施例5：
本实施例中，步骤8)为：直接在硅片背面沉积一层厚度为70nm的SiOx，之后在450℃下退火，其余同实施例2。
实施例6：
本实施例中，步骤8)为：直接在硅片背面沉积一层厚度为100nm的SiOx，之后在400℃下退火，其余同实施例2。
实施例7：
本实施例中，步骤8)为：直接在硅片背面沉积一层厚度为85nm的SiOx，之后在420℃下退火，其余同实施例2。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将p型硅片置于HF/HNO3混合溶液中清洗，去除表面损伤层、切割线痕；
2)将清洗后的硅片置于碱性溶液中进行制绒，之后进行背面抛光；
3)将背面抛光后的硅片进行氧化，使SiO2的厚度为10-15nm；
4)将硅片背面进行纳秒激光开膜；
5)在硅片背面进行丝网局域印刷硼浆料，之后在800-1200℃下退火；
6)利用POCl3在硅片正面沉积PSG，并采用皮秒激光掺杂形成选择性发射极；
7)在硅片正面先沉积一层高折射率SiNx膜，之后再沉积一层低折射率SiNx膜；
8)在硅片背面先沉积一层Al2O3，再沉积一层SiNx，或直接在硅片背面沉积一层SiOx，之后在400-450℃下退火；
9)在硅片正面进行丝网印刷银浆料，在硅片背面印刷银铝浆料，烧结后即可。
2.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤1)中，所述的HF/HNO3混合溶液中，HF与HNO3体积比为1:1-5。
3.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤2)中，所述的碱性溶液为KOH溶液或NaOH溶液。
4.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤2)中，所述的背面抛光过程在HF/HNO3混合溶液中进行。
5.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤3)中，所述的氧化为高温热氧化，该高温热氧化的温度为650-870℃。
6.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤5)中，所述的退火过程在氮气或氧气中进行。
7.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤7)中，所述的高折射率SiNx膜的厚度为9-11nm，折射率为2.5-2.9；所述的低折射率SiNx膜的厚度为60-80nm，折射率为2-2.1。
8.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤8)中，硅片背面的Al2O3层的厚度为5-20nm，SiNx层的厚度为70-100nm，SiOx层的厚度为70-100nm。
9.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤9)中，所述的烧结温度为850-910℃。
10.根据权利要求1所述的一种背钝化高效p型PERL双面电池的制作方法，其特征在于，步骤2)中，所述的背面抛光过程在单抛机中进行；步骤3)中，所述的氧化过程在干氧化炉中进行；步骤6)中，所述的正面沉积过程在高温炉中进行；步骤7)中，利用管式PECVD设备或板式PECVD设备在硅片正面沉积SiNx膜；步骤8)中，利用ALD设备或PECVD设备在硅片背面沉积一层Al2O3，之后再利用PECVD设备沉积一层SiNx。
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