CN109713064A - 一种选择性发射极、其制备方法和使用它的太阳能电池及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种选择性发射极、其制备方法和使用它的太阳能电池及其应用，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为40±10Ω/sq；制备选择性发射极可以提高开路电压、短路电流，降低死层效应，从而提高光转化效率；选择性发射极的制备方法价格低廉，产量高，工艺条件简单，易于操作，适用于工业化大规模生产应用；制备的太阳能电池具有较高的光转化效率，并且大大降低了生产成本，可作为能源电池应用于光伏领域。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种选择性发射极、其制备方法和使用它的太阳能电池及其应用。
背景技术
选择性发射极是一种在金属电极区域重掺杂，在非金属区域轻掺杂的扩散技术，这样既可以保证银硅接触又可以增加少子寿命。扩散工序在掺杂磷原子制备发射极的过程中，较轻的掺杂可以减少少子复合，增加少子寿命，但较轻的掺杂导致了金属电极银硅接触不好，增大的接触电阻。激光掺杂选择性发射极(LDSE)是是利用激光光束选择性的照射硅表面，使硅衬底变成熔融状态，掺杂原子可以迅速进入熔融硅中，当激光光束消失后，熔融的硅冷却结晶，掺杂原子就进入硅晶体中，形成重掺杂区。
选择性发射极的制造过程中，首先要进行轻掺杂，轻掺杂使用管式扩散的方法，气体从硅片四周进入，这样容易导致硅片中间方块电阻大，边缘方块电阻小。在LDSE进行重掺杂的时候，使用激光掺杂，激光的光束大小、功率都保持不变，这样使得重掺杂的方阻中心和边缘相等。而轻掺杂的时候中心方阻与边缘方阻不同，这就导致了在硅片中心区域，轻掺杂的方阻与重掺杂的方阻差异远远大于边缘区域，这会导致选择性发射极制备的效果不好。
CN102738258A公开了一种激光掺杂选择性发射极式太阳能电池，包括有电池本体，该电池本体为硅片层，其特点是：硅片层底部分布有正电极层，在硅片层顶部设置有扩散掺杂混合层，且扩散掺杂混合层上分布有背电极；该发明成品硅片扩散方阻较低，均匀性好，可以增加电池的光转化效率，但是其费用较高，不适用于工业化应用。
CN103367124A公开了一种选择性发射极电池的制作方法，包括步骤：1)去除硅片的损伤层，在硅片的表面制备绒面；2)对损伤层去除且绒面制备完成的硅片进行喷涂磷源及激光掺杂；3)对经过喷涂磷源及激光掺杂的硅片进行高温链式扩散，得到正面正电极区以外区域的p-n结；4)去除经过高温链式扩散的硅片表面的PSG及周边的p-n结；5)在经过去除表面PSG及周边p-n结的硅片表面沉积一层起减反射和钝化作用的氮化硅膜；6)在具有氮化硅膜的硅片上印刷背电极，背电场和正电极，并进行烧结，使电极金属化，得到选择性发射极电池；7)测试选择性发射极电池的各项参数，并按工艺标准将其分档；但是其光转化效率仍有待提高。
CN108493267A公开了一种晶硅选择性发射极产业化印刷对位方法，包括以下步骤：步骤一、硅片预处理；步骤二、P-N结的制备；步骤三、SE激光掺杂；步骤四、MARK点的制备：调整激光参数，使得MARK点在镭射制备过程中的激光打标能量均要高于SE激光掺杂的能量；步骤五、硅片再处理；步骤六、背面丝网印刷；步骤七、正面对位丝网印刷；步骤八、烧结测试。本发明对现有的SE技术激光MARK点进行了两种修改方式，其中新的MARK点在镭射过程中的激光打标能量均要高于镭射掺杂线的能量，使镭射区的色度和形貌与非镭射区产生显著差异；同时方形的MARK点以方形激光光斑打出消除了边缘不规则性，便于肉眼确认观察机器印刷后是否偏移量超标及偏移的方向，非常值得推广；但是其光转化效率仍有待提高。
因此，开发一种通过控制受光区轻掺杂和非受光区重掺杂从而提升太阳能电池的光转化效率非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择性发射极、其制备方法和使用它的太阳能电池及其应用，所述选择性发射极可以提升开路电压、短路电流，降低死层效应，从而提高光转化效率；制备方法价格低廉，产量高，工艺条件简单，易于操作，适用于工业化大规模生产应用；制备的太阳能电池具有较高的光转化效率，并且大大降低了生产成本，可作为能源电池应用于光伏领域。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种选择性发射极，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为40±10Ω/sq，例如30Ω/sq、32Ω/sq、35Ω/sq、37Ω/sq、40Ω/sq、42Ω/sq、45Ω/sq、47Ω/sq、50Ω/sq等。
在本发明中，所述重掺杂采用激光掺杂。
在本发明中，所述轻掺杂采用管式扩散。
本发明中受光区为轻掺杂，非受光区为先进行轻掺杂，而后进行重掺杂，轻掺杂与重掺杂的方阻差为定值，选择性发射极可以提高太阳能电池的开路电压、短路电流，降低死层效应，从而提高光电转化效率；其中轻掺杂采用管式扩散，管式扩散价格便宜，产量较高，通常工业应用中的轻掺杂通常采用管式扩散，但是不可避免的会造成均匀性较差；非受光区通过调整使其重掺杂的方阻随着轻掺杂方阻的不同而发生变化，两者的方阻差为40±10Ω时，制备的太阳能电池的光电转化效率较高。
木发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述选择性发射极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将预处理后的硅片进行管式扩散，得到轻掺杂后的硅片；
(2)将步骤(1)得到的轻掺杂后的硅片的非受光区进行激光重掺杂，使得轻掺杂后的方阻与激光重掺杂后的方阻的差为40±10Ω/sq，得到所述选择性发射极。
在本发明中，将步骤(1)得到的硅片直接进行步骤(2)，保留了步骤(1)形成的掺杂玻璃层，掺杂玻璃层里面的磷原子是激光进行重掺杂的来源，后续进行刻蚀清洗后一起去除。
本发明所述的制备方法价格低廉，产量高，工艺条件简单，易于操作，适用于工业化大规模生产应用。
在本发明中，通过激光光感感应可以自动测得轻掺杂后硅片的方阻，测量后将轻掺杂的方阻在5Ω/sq范围内均看作一个定值，如95Ω/sq＜轻掺杂的方阻≤100Ω/sq均按照100Ω/sq，100Ω/sq＜轻掺杂的方阻≤105Ω/sq均按照105Ω/sq，105Ω/sq＜轻掺杂的方阻≤110Ω/sq均按照110Ω/sq，以此类推，而后将得到的轻掺杂后的方阻减去设定的轻掺杂和重掺杂的方阻差，可以得出重掺杂后的方阻，根据重掺杂方阻和激光功率的标准曲线，可以得出激光功率；通过调整非受光区不同位置的激光功率，相对应的可以得到不同区域的重掺杂方阻，从而使得非受光区轻掺杂和受光区重掺杂的方阻差为40±10Ω/sq。
在本发明中，步骤(1)所述预处理后的硅片的制备方法包括：将硅片去除损伤层，而后在硅片表面制备绒面，得到所述预处理后的硅片。
本发明中通过对硅片去除损伤片，增加短路电流和少子寿命，而后利用单晶硅的在碱性溶液中的各向异性腐蚀或是多晶硅在酸性溶液各向同性腐蚀，在硅表面制绒形成许多微纳米级的结构，可以使入射光在硅表面的多次反射和折射，提高了电池的短路电流和转换效率。
在本发明中，步骤(1)所述管式扩散的气体为氧气、氮气和三氯氧磷的组合。
在本发明中，所述三氯氧磷是通过氮气携带进入扩散管的。
在本发明中，所述携带的气体流量为600-2000sccm，例如600sccm、700sccm、800sccm、900sccm、1000sccm、1100sccm、1200sccm、1300sccm、1400sccm、1500sccm、1600sccm、1700sccm、1800sccm、1900sccm、2000sccm等。
在本发明中，步骤(1)所述管式扩散的温度为760-840℃，例如760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃等。若管式扩散的温度低于760℃，管式扩散掺杂量过少，容易导致激光重扩散时无法精确控制重扩散的方阻；若管式扩散的温度高于840℃，则掺杂量过多，导致轻掺杂死层效应明显，制备的选择性发射极电池的光电转换效率偏低。
在本发明中，步骤(1)所述管式扩散的时间为600-1200s，例如600s、700s、800s、900s、1000s、1100s、1200s等。若管式扩散的时间低于600s，扩散时间过短，无法形成PN结，导致选择性发射极电池的光电转换效率偏低；若管式扩散的时间长于1200s，扩散时间过长，PN结结深偏大，会导致后续烧结时无法形成良好的欧姆接触。
在本发明中，步骤(1)所述轻掺杂后的硅片的方阻为120±20Ω/sq，例如100Ω/sq、105Ω/sq、110Ω/sq、115Ω/sq、120Ω/sq、125Ω/sq、130Ω/sq、135Ω/sq、140Ω/sq等。
本发明中，通过控制管式扩散的气体、携带的气体流量、管式扩散的温度以及管式扩散的时间，使得管式扩散后硅片的方阻为120±20Ω/sq。
在本发明中，步骤(2)所述激光重掺杂是在激光扫描下进行的。
在本发明中，所述激光的波长为400-800nm，例如400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm等。
在本发明中，所述激光的光斑直径为60-160μm，例如60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm等。若激光的光斑直径低于60μm，则重掺杂区域过小，导致银栅线印刷偏移到轻掺杂区，容易造成接触电阻过大，影响选择性发射极的光电转换效率；若激光的光斑直径高于160μm，则导致重掺杂区域过大，未与栅线接触的区域少子寿命偏低，影响选择性发射极的光电转换效率。
在本发明中，步骤(2)所述非受光区的个数为80-120个，例如80个、85个、90个、95个、100个、105个、110个、115个、120个。
本发明的目的之三在于提供一种太阳能电池，所述太阳能电池包括硅片层、发射极层和电极，其中发射极层为目的之一所述的选择性发射极。
本发明通过上述制备的选择性发射极制备太阳能电池，制备得到的太阳能电池具有较好的光转化效率。
本发明的目的之四在于提供一种如目的之三所述的太阳能电池作为能源电池在光伏领域中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中制备选择性发射极时通过调整非受光区的重掺杂和轻掺杂的方阻，使其二者的差值为40±10Ω/sq，可以提高选择性发射极的开路电压、短路电流，降低死层效应，从而提高光转化效率；选择性发射极的制备方法价格低廉，产量高，工艺条件简单，易于操作，适用于工业化大规模生产应用；制备的太阳能电池具有较高的光转化效率，并且大大降低了生产成本，可作为能源电池应用于光伏领域。
附图说明
图1是本发明实施例1中重掺杂方阻和激光功率的标准曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种选择性发射极，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为40Ω/sq；其中轻掺杂为管式扩散，重掺杂为激光掺杂。
所述选择性发射极的制备方法如下：
(1)将硅片去除损伤片，制备绒面，得到预处理后的硅片，而后将预处理后的硅片在气体为氧气、氮气和三氯氧磷的组合，温度为800℃条件下进行管式扩散，管式扩散的时间为1000s，得到方阻为120±20Ω/sq的轻掺杂后的硅片，其中在轻掺杂过程中，三氯氧磷是通过氮气携带进入扩散管的，携带的气体流量为1000sccm；
(2)将步骤(1)得到的轻掺杂后的硅片的100个非受光区在激光波长为600nm，光斑直径为100μm的条件下，并通过调整激光功率进行激光重掺杂，使得轻掺杂后的方阻与重掺杂后的方阻差为40Ω/sq，得到所述选择性发射极。
图1为本实施例中重掺杂方阻和激光功率的标准曲线图；根据重掺杂方阻和激光功率作标准曲线，得到回归方程y＝-0.2045x+26.339，由回归方程得到线性相关系数(R2)为0.9992，说明该标准曲线线性良好。
如表1：本实施例管式扩散的方阻为100-140Ω/sq，期间每隔5Ω/sq设置一个均匀的参考区域，根据受光区轻掺杂与非受光区重掺杂的方阻差为40Ω/sq，可以得出重掺杂后需要得到的方阻，以图1的标准曲线为依据，可以得到激光功率，通过调整激光功率，对非受光区进行重掺杂，即可使轻掺杂后的方阻与重掺杂后的方阻差为40Ω/sq。
本实施例轻掺杂不同区域方阻、重掺杂不同区域的方阻以及相对应的不同区域的激光功率的值见表1：
表1
将上述得到的选择性发射极作为发射极层，和硅片层以及电极制备太阳能电池，得到的太阳能电池的光电转换效率20.25％。
实施例2
本实施例提供一种选择性发射极，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为30Ω/sq；其中轻掺杂为管式扩散，重掺杂为激光掺杂。
所述选择性发射极的制备方法如下：
(1)将硅片去除损伤片，制备绒面，得到预处理后的硅片，而后将预处理后的硅片在气体为氧气、氮气和三氯氧磷的组合，温度为760℃条件下进行管式扩散，管式扩散的时间为1200s，得到方阻为120±20Ω/sq的轻掺杂后的硅片，其中在轻掺杂过程中，三氯氧磷是通过氮气携带进入扩散管的，携带的气体流量为2000sccm；
(2)将步骤(1)得到的轻掺杂后的硅片的80个非受光区在激光波长为400nm，光斑直径为60μm的条件下，并通过调整激光功率进行激光重掺杂，使得轻掺杂后的方阻与重掺杂后的方阻差为30Ω/sq，得到所述选择性发射极。
以图1的标准曲线为依据，本实施例轻掺杂不同区域方阻、重掺杂不同区域的方阻值以及相对应的不同区域的激光功率的值见表2：
表2
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为20.22％。
实施例3
本实施例提供一种选择性发射极，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为50Ω/sq；其中轻掺杂为管式扩散，重掺杂为激光掺杂。
所述选择性发射极的制备方法如下：
(1)将硅片去除损伤片，制备绒面，得到预处理后的硅片，而后将预处理后的硅片在气体为氧气、氮气和三氯氧磷的组合，温度为840℃条件下进行管式扩散，管式扩散的时间为600s，得到方阻为120±20Ω/sq的轻掺杂后的硅片，其中在轻掺杂过程中，三氯氧磷是通过氮气携带进入扩散管的，携带的气体流量为600sccm；
(2)将步骤(1)得到的轻掺杂后的硅片的120个非受光区在激光波长为800nm，光斑直径为160μm的条件下，并通过调整激光功率进行激光重掺杂，使得激光轻掺杂后的方阻与重掺杂后的方阻差为50Ω/sq，得到所述选择性发射极。
以图1的标准曲线为依据，本实施例轻掺杂不同区域方阻、重掺杂不同区域的方阻值以及相对应的不同区域的激光功率的值见表3：
表3
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为20.21％。
实施例4
与实施例1的区别仅在于管式扩散的温度为700℃，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为20.05％。
实施例5
与实施例1的区别仅在于管式扩散的温度为900℃，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转化率为19.80％。
实施例6
与实施例1的区别仅在于管式扩散的时间为400s，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转化率为19.95％。
实施例7
与实施例1的区别仅在于管式扩散的时间为1500s，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转化率为19.98％。
实施例8
与实施例1的区别仅在于激光的光斑直径为40μm，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为20.04％。
实施例9
与实施例1的区别仅在于激光的光斑直径为200μm，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为20.15％。
对比例1
与实施例1的区别仅在于轻掺杂的方阻与激光重掺杂的方阻差为10Ω/sq，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为18.92％。
对比例2
与实施例1的区别仅在于轻掺杂的方阻与激光重掺杂的方阻差为70Ω/sq，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为18.97％。
对比例3
与实施例1的区别仅在于非受光区激光重掺杂后的方阻均为80Ω/sq，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为18.78％。
对比例4
与实施例1的区别仅在于非受光区激光重掺杂后的方阻均为60Ω/sq，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为18.50％。
对比例5
与实施例1的区别仅在于不包括对硅片进行预处理，其余原料、工艺条件与制备方法均与实施例1相同。
太阳能电池的制备与实施例1相同，得到的太阳能电池的光电转换效率为8.87％。
将实施例1-9和对比例1-5制备的太阳能电池进行电化学性能测试，测试结果见表4：
其中电压(V)、电流(A)、填充因子(％)均为表4给出的相对应的电压、电流、填充因子；电池面积均为245.67平方厘米。
表4
其中：效率为太阳能电池的光转化效率。
由表4可知，本发明制备的太阳能电池具有较高的光转化效率，由实施例1和实施例4-5的对比可知，当管式扩散的温度过低，则轻掺杂量过少，容易导致激光重扩散时无法精确控制重扩散的方阻，当管式扩散的温度过高，则掺杂量过高，导致轻掺杂死层效应明显，导致制备的太阳能电池的光转化效率偏低；由实施例1和实施例6-7的对比可知，当管式扩散的时间过短，无法形成PN结，导致选择性发射极电池的光电转换效率偏低，当管式扩散的时间过长，PN结结深偏大，会导致后续烧结时无法形成良好的欧姆接触，从而影响太阳能电池的光转化效率；由实施例1和实施例8-9的对比可知，当激光的光斑直径过低，则重掺杂区过小，导致银栅线印刷偏移到轻掺杂区，容易造成接触电阻过大，影响选择性发射极的光电转换效率，当激光的光斑直径过高，则重掺杂区过大，未与栅线接触的区域少子寿命偏低，影响选择性发射极的光电转换效率；由实施例1和对比例1-2的对比可知，当受光区轻掺杂的方阻与非受光区重掺杂的方阻差值不在本发明限定的范围之内，则制备的太阳能电池的光转化效率偏低；由实施例1和对比例3-4的对比可知，当非受光区重掺杂后的方阻为恒定的，则制备的太阳能电池的光转化效率大大降低；由实施例1和对比例5的对比可知，当轻掺杂前不对硅片进行预处理，则会降低硅片的短路电流和少子寿命，从而影响太阳能电池的短路电流和光转化效率；因此，本发明制备的太阳能电池具有较高的光转化效率。申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种选择性发射极，其特征在于，所述选择性发射极的受光区的轻掺杂方阻与非受光区的重掺杂的方阻的差为定值，所述定值为40±10Ω/sq。
2.根据权利要求1所述的选择性发射极，其特征在于，所述重掺杂采用激光掺杂；
优选地，所述轻掺杂采用管式扩散。
3.根据权利要求1所述的选择性发射极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将预处理后的硅片进行管式扩散，得到轻掺杂后的硅片；
(2)将步骤(1)得到的轻掺杂后的硅片的非受光区进行激光重掺杂，使得轻掺杂后的方阻与激光重掺杂后的方阻的差为40±10Ω/sq，得到所述选择性发射极。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述预处理后的硅片的制备方法包括：将硅片去除损伤层，而后在硅片表面制备绒面，得到所述预处理后的硅片。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述管式扩散的气体为氧气、氮气和三氯氧磷的组合；
优选地，所述三氯氧磷是通过氮气携带进入扩散管的；
优选地，所述携带的气体流量为600-2000sccm；
优选地，步骤(1)所述管式扩散的温度为760-840℃；
优选地，步骤(1)所述管式扩散的时间为600-1200s；
优选地，步骤(1)所述轻掺杂后的硅片的方阻为120±20Ω/sq。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述激光重掺杂是在激光扫描下进行的。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光的波长为400-800nm；
优选地，所述激光的光斑直径为60-160μm。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述非受光区的个数为80-120个。
9.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括硅片层、发射极层和电极，其中发射极层为权利要求1或2所述的选择性发射极。
10.一种如权利要求9所述的太阳能电池作为能源电池在光伏领域中的应用。
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