CN109713065B - 一种印刷金属电极的钝化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种印刷金属电极的钝化太阳能电池及制备方法，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括n+掺杂多晶硅层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；所述N型晶体硅基体靠近所述n+掺杂多晶硅层的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层。延长金属接触区域掺杂多晶硅层的带尾，增加掺杂原子在晶体硅中扩散的深度，降低金属接触区域的复合；保持非金属接触区域的掺杂多晶硅层带尾较浅，降低非金属接触区域的复合；工艺简单，第一区域和第二区域的n+掺杂多晶硅层通过一次掺杂即可完成，涉及的工艺过程均已经产业化，适合大规模生产；可以显著降低金属接触复合和电阻损失，提高电池的开路电压和转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种印刷金属电极的钝化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，晶体硅太阳电池产业化中最常用的金属化方法是丝网印刷加烧结，采用丝网印刷加烧结工艺会使金属穿透隧穿氧化层和掺杂多晶硅层，直接与硅衬底接触，导致金属区域下的复合激增，引起较大的复合损失。尤其对于采用银铝浆的浆料，金属穿透氧化层和掺杂多晶硅层的现象会更加严重。
在晶体硅太阳电池中，金属与半导体接触区域的严重的复合，成为制约晶体硅太阳电池效率发展的重要因素。目前商业化的晶体硅太阳电池中，前表面一般采用浅结高方阻设计，对于p型电池，前表面为磷掺杂的发射极结构，经过丝网印刷、烧结之后金属接触区域的暗饱和电流密度(J0,metal)为800～1000fA/cm2；对于n型电池，前表面具有相同方阻的发射极经过丝网印刷、烧结之后，金属接触区域的暗饱和电流密度(J0,metal)为1000～2000fA/cm2。随着市场对高效电池和高功率组件的需求急剧增加，降低金属与半导体接触区域的复合显得尤为重要。
申请号为CN201721045632.5的中国发明专利公开了种背面浆料直接烧穿的背钝化太阳能电池，包括从上往下依次铺设的氮化硅减反射膜、磷扩散层、P型硅基体、钝化层和背面非烧穿型铝浆层，钝化层包括氧化硅膜和氮化硅膜，还包括氮氧化硅膜，所述氮化硅减反射膜上设有若干已经烧穿氮化硅减反射膜的正面银电极，在背面钝化层上设有背电极，背电极与P型硅基体连接，浆料层与P型硅基体接触，在背面钝化层上，印刷一层非烧穿型铝浆层。采用本发明的设计，后续可以在生产工序中方便的增加PERL结构技术、正面SE结构技术、背面硼扩散技术或上述技术的叠加，扩展性强。
上述专利采用银浆烧穿层贯穿氧化硅膜和氮化硅膜与硅基体接触，但是并未考虑到金属与半导体接触区域的严重的复合，严重的影响了晶体硅太阳电池的效率的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种显著降低金属接触复合和电阻损失，提高电池的开路电压和转换效率的印刷金属电极的钝化太阳能电池及其制备方法，本发明采取的技术方案为：
一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括n+掺杂多晶硅层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；
所述N型晶体硅基体靠近所述n+掺杂多晶硅层的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层。
其中，所述掺杂多晶硅带尾层包括交替设置的第一带尾区域和第二带尾区域，所述第一带尾区域厚度大于所述第二带尾区域的厚度，所述n+金属电极对应所述第一带尾区域设置。
其中，所述n+掺杂多晶硅层包括第一多晶硅区域和第二多晶硅区域，所述第一多晶硅区域的厚度小于所述第二多晶硅区域的厚度；所述第一多晶硅区域对应所述第一带尾区域，所述第二多晶硅区域对应所述第二带尾区域。
其中，所述第一多晶硅区域的掺杂浓度大于所述第二多晶硅区域的掺杂浓度。
其中，所述第一多晶硅区域的厚度为50～300nm，电阻值为10～60Ω/sq；
所述第二多晶硅区域的厚度为150～400nm，电阻值为30～200Ω/sq。
其中，所述N型晶体硅基体的背表面与所述n+掺杂多晶硅层之间还包括隧穿氧化层。
其中，所述隧穿氧化层的厚度为0.5～2.5nm；材料为二氧化硅或者二氧化钛。
其中，所述N型晶体硅基体的前表面从内到外依次包括p+掺杂发射极层、前钝化减反射薄膜和p+金属电极。
其中，所述n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，主栅等间距设置4～12根，宽度100～800μm，高度为10～40μm；副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种显著降低金属接触复合和电阻损失，提高电池的开路电压和转换效率的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法，本发明采取的技术方案为：
一种印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对N型晶体硅基体的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒；
(2)对制绒后的N型晶体硅基体进行双面硼扩散，形成双面p+掺杂区域，刻蚀N型晶体硅基体的背表面，去除背面p+掺杂区域；
(3)在N型晶体硅基体蚀面上生长一层隧穿氧化层，再在低压化学气相沉积设备中沉积本征多晶硅，形成本征多晶硅层；
(4)间歇地激光烧蚀本征多晶硅层，间歇地减薄本征多晶硅层的厚度形成第一区域本征多晶硅层，余下未减薄区域为第二区域；
(5)掺杂及晶化本征多晶硅层，形成n+掺杂多晶硅层，并在N型晶体硅基体靠近n+掺杂多晶硅层的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层；
n+掺杂多晶硅层包括第一多晶硅区域和第二多晶硅区域，所述掺杂多晶硅带尾层包括第一带尾区域和第二带尾区域，所述第一带尾区域对应所述第一多晶硅区域形成，所述第二带尾区域对应所述第二多晶硅区域形成；
(6)在前表面和背表面上分别沉积前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜；
(7)在前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜上分别丝网印刷与烧结p+金属电极和n+金属电极；所述n+金属电极对应所述第一带尾区域设置。
其中，所述步骤(5)中所述第一多晶硅区域的掺杂浓度大于所述第二多晶硅区域的掺杂浓度；所述第一带尾区域深度大于所述第二带尾区域的深度。
本发明的技术优点主要体现在：
设置具有高低交替性结构的掺杂的多晶硅层，在金属接触区域和非金属接触区域形成具有不同掺杂浓度、不同厚度的多晶硅薄膜，大大扩展了金属化工艺的窗口。本发明体现的技术优点为：1)延长金属接触区域掺杂多晶硅层的带尾，增加掺杂原子在晶体硅中扩散的深度，降低金属接触区域的复合；2)金属接触区域的掺杂多晶硅层为重掺杂，可以显著降低金属与半导体的接触电阻，降低电阻损失；3)保持非金属接触区域的掺杂多晶硅层带尾较浅，降低非金属接触区域的复合；4)工艺简单，第一多晶硅区域和第二多晶硅区域的n+掺杂多晶硅层通过一次掺杂即可完成，适合大规模生产。综合而言，本发明可以显著降低金属接触复合和电阻损失，提高电池的开路电压和转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤一后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤二中的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤二后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤三后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤四后的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤五后的电池结构截面示意图。
图7为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤六后的电池结构截面示意图。
图8为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法步骤七后的电池结构截面示意图，即印刷金属电极的钝化太阳能电池的结构图。
图9为本发明实施例的印刷金属电极的钝化太阳能电池n+掺杂多晶硅层测得的掺杂曲线图。
图中，N型晶体硅基体1，p+掺杂发射极层2，隧穿氧化层3，本征多晶硅层4，第一区域41，第二区域42，n+掺杂多晶硅层5，第一多晶硅区域51，第二多晶硅区域52，掺杂多晶硅带尾层6，第二带尾区域61，第一带尾区域62，背钝化减反射薄膜7，前钝化减反射薄膜8，n+金属电极9，p+金属电极10；
第一多晶硅区域的掺杂浓度N1，第二多晶硅区域的掺杂浓度N2，第一多晶硅区域的厚度D1，第二多晶硅区域的厚度D2，第一带尾区域的厚度D11，第二带尾区域的厚度D22。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体1，N型晶体硅基体1的背表面从内到外依次包括n+掺杂多晶硅层5、背钝化减反射薄膜7、n+金属电极9；
N型晶体硅基体1靠近n+掺杂多晶硅层5的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层6。
多晶硅掺杂的带尾，即掺杂原子在晶体硅中扩散的深度，对金属接触复合的大小起决定性作用。研究结果显示，带尾越厚，金属接触复合越低；当带尾很小的时候，金属接触区域的复合为400-1000fA/cm2，当带尾为0.3μm，金属接触区域的复合降低为～200fA/cm2。如此，增厚多晶硅层的带尾，增加掺杂原子在晶体硅中扩散的深度，降低金属接触区域的复合，提高太阳能电池的发电率。
其中，掺杂多晶硅带尾层6包括交替设置的第一带尾区域62和第二带尾区域61，第一带尾区域62厚度大于第二带尾区域61的厚度，n+金属电极9对应第一带尾区域62设置。
带尾深度的增加，也会相应增加钝化区域的复合，电池的优化过程中需要调控带尾的深度来平衡金属接触区域和非金属接触区域的复合损失。如此，延长金属接触区域掺杂多晶硅层的带尾，增加掺杂原子在晶体硅中扩散的深度，降低金属接触区域的复合，提高太阳能电池的发电率，保持非金属接触区域的掺杂多晶硅层带尾较浅，降低非金属接触区域的复合，进一步提高太阳能电池的发电率。
其中，n+掺杂多晶硅层5包括第一多晶硅区域51和第二多晶硅区域52，第一多晶硅区域51的厚度小于第二多晶硅区域52的厚度；第一多晶硅区域51对应第一带尾区域62，第二多晶硅区域52对应第二带尾区域61。
其中，第一多晶硅区域51的掺杂浓度大于第二多晶硅区域52的掺杂浓度。如此，在对多晶硅层进行掺杂时可同时形成n+掺杂多晶硅层和掺杂多晶硅带尾层，第一多晶硅区域和第二多晶硅区域的n+掺杂多晶硅层通过一次掺杂即可完成，工艺简单，涉适合大规模生产。
其中，n+掺杂多晶硅层5生长方式为低压化学气相沉积本征的混有微晶硅相的多晶硅。掺杂的方式为离子注入磷原子、磷扩散、常压化学气象沉积磷硅玻璃，掺杂原子激活之后，第一多晶硅区域51的厚度为50～300nm，电阻值为10～60Ω/sq；
第二多晶硅区域52的厚度为150～500nm，电阻值为30～200Ω/sq。
其中，N型晶体硅基体1的背表面与n+掺杂多晶硅层5之间还包括隧穿氧化层3。
隧穿氧化层钝化金属接触结构由一层超薄的隧穿氧化层和掺杂的多晶硅层组成，这种结构运用于晶体硅太阳电池，获得26.1％的电池转换效率。隧穿氧化层钝化金属接触结构既可以用于n-Si衬底也可以用于p-Si衬底，在金属接触区域可以获得低于10fA/cm2的J0值，同时接触性能良好，接触电阻率低于10mΩ·cm2。
其中，隧穿氧化层3的厚度为0.5～2.5nm；材料为二氧化硅或者二氧化钛，二氧化硅的制备方法为热氧化、HNO3氧化、O3氧化、原子层沉积等，二氧化钛的制备方法为原子层沉积法。
其中，N型晶体硅基体1的前表面从内到外依次包括p+掺杂发射极层2、前钝化减反射薄膜8、p+金属电极10。
其中，p+掺杂发射极层2采用硼扩散的方法制备，扩散制备的发射极方阻值为60～200Ω/sq，优选方阻值为80～140Ω/sq。
其中，n+金属电极9和p+金属电极10均为“H”型栅线，主栅等间距设置4～12根，宽度100～800μm，高度为10～40μm；副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。
其中，前表面钝化减反射薄膜为叠层膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中两者的组合；背表面钝化减反射薄膜为单层膜或者叠层膜，为二氧化硅、氮化硅或者两者的组合。
本实施例的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对N型晶体硅基体1的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒，如图1所示；
(2)对制绒后的N型晶体硅基体1进行双面硼扩散，形成双面p+掺杂区域，刻蚀N型晶体硅基体1的背表面，如图2所示；硼源采用三溴化硼，扩散的温度为900～1100℃，硼扩之后p+掺杂区域的方块电阻值为60～200Ω/sq，优选方阻值为80～140Ω/sq。
刻蚀硅片的背表面，去除背面p+掺杂区域，如图3所示；
(3)在N型晶体硅基体1的刻蚀面上生长一层隧穿氧化层3，再在低压化学气相沉积设备中沉积本征多晶硅，形成本征多晶硅层4，如图4所示；
隧穿氧化层3的材料为二氧化硅或者二氧化钛。二氧化硅的制备方法为热氧化、HNO3氧化、O3氧化、原子层沉积等，二氧化钛的制备方法为原子层沉积法。厚度为0.5～2.5nm，优选厚度为1～2nm。本征多晶硅的沉积温度为550～650℃，本征多晶硅层的厚度为150～400nm。
(4)间歇地激光烧蚀本征多晶硅层4，间歇地减薄本征多晶硅层4的厚度形成第一区域41本征多晶硅层，余下未减薄区域为第二区域42，如图5所示；激光的波长为355nm或者532nm，两种激光能量密度范围为0.01～1J/cm2。
(5)掺杂及晶化本征多晶硅层4，形成n+掺杂多晶硅层5，并在N型晶体硅基体1靠近n+掺杂多晶硅层5的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层6；
n+掺杂多晶硅层5包括第一多晶硅区域51和第二多晶硅区域52，第一带尾区域62对应第一多晶硅区域51形成，第二带尾区域61对应第二多晶硅区域52形成，如图6所示；
多晶硅层的掺杂方式为离子注入磷原子、磷扩散、常压化学气象沉积磷硅玻璃，沉积掺杂源之后对掺杂原子进行高温激活，高温过程中微晶硅相会全部转变为多晶硅相，完成晶化。掺杂原子激活之后，第一多晶硅区域多晶硅层的方阻值为10～60Ω/sq，第二多晶硅区域多晶硅层的方阻值为30～200Ω/sq。
(6)在前表面和背表面上分别沉积前钝化减反射薄膜8和背钝化减反射薄膜7；
前钝化减反射薄膜为叠层钝化减反射薄膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中两者的组合；背钝化减反射薄膜为单层或者叠层膜，选取二氧化硅、氮化硅或者两者的组合，如图7所示；
(7)在前钝化减反射薄膜8和背钝化减反射薄膜7上分别丝网印刷与烧结p+金属电极10和n+金属电极9；n+金属电极9对应第一带尾区域62设置，如图8所示。
n+金属电极9和p+金属电极10均为“H”型栅线，主栅等间距设置4～12根，宽度100～800μm，高度为10～40μm；副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。
其中，步骤(5)中第一多晶硅区域51的掺杂浓度大于第二多晶硅区域52的掺杂浓度；第一带尾区域62深度大于第二带尾区域61的深度，如图9所示。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (11)
1.一种印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分别对N型晶体硅基体的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒；
（2）对制绒后的N型晶体硅基体进行双面硼扩散，形成双面p+掺杂区域，刻蚀N型晶体硅基体的背表面，去除背面p+掺杂区域；
（3）在N型晶体硅基体刻蚀面上生长一层隧穿氧化层，再在低压化学气相沉积设备中沉积本征多晶硅，形成本征多晶硅层；
（4）间歇地激光烧蚀本征多晶硅层，间歇地减薄本征多晶硅层的厚度形成第一区域本征多晶硅层，余下未减薄区域为第二区域；
（5）掺杂及晶化本征多晶硅层，形成n+掺杂多晶硅层，并在N型晶体硅基体靠近n+掺杂多晶硅层的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层；
n+掺杂多晶硅层包括第一多晶硅区域和第二多晶硅区域，所述掺杂多晶硅带尾层包括第一带尾区域和第二带尾区域，所述第一带尾区域对应所述第一多晶硅区域形成，所述第二带尾区域对应所述第二多晶硅区域形成；
（6）在前表面和背表面上分别沉积前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜；
（7）在前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜上分别丝网印刷与烧结p+金属电极和n+金属电极；所述n+金属电极对应所述第一带尾区域设置。
2.根据权利要求1所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中所述第一多晶硅区域的掺杂浓度大于所述第二多晶硅区域的掺杂浓度；所述第一带尾区域深度大于所述第二带尾区域的深度。
3.一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括n+掺杂多晶硅层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；所述N型晶体硅基体靠近所述n+掺杂多晶硅层的一侧形成有掺杂多晶硅带尾层，其特征在于，所述印刷金属电极的钝化太阳能电池采用上述权利要求1或2所述的制备方法制成。
4.根据权利要求3所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述掺杂多晶硅带尾层包括交替设置的第一带尾区域和第二带尾区域，所述第一带尾区域厚度大于所述第二带尾区域的厚度，所述n+金属电极对应所述第一带尾区域设置。
5.根据权利要求4所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述n+掺杂多晶硅层包括第一多晶硅区域和第二多晶硅区域，所述第一多晶硅区域的厚度小于所述第二多晶硅区域的厚度；所述第一多晶硅区域对应所述第一带尾区域，所述第二多晶硅区域对应所述第二带尾区域。
6.根据权利要求5所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述第一多晶硅区域的掺杂浓度大于所述第二多晶硅区域的掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述第一多晶硅区域的厚度为50~300nm，方块电阻值为10~60Ω/sq；
所述第二多晶硅区域的厚度为150~400nm，方块电阻值为30~200 Ω/sq。
8.根据权利要求1所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述N型晶体硅基体的背表面与所述n+掺杂多晶硅层之间还包括隧穿氧化层。
9.根据权利要求8所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述隧穿氧化层的厚度为0.5~2.5nm；材料为二氧化硅或者二氧化钛。
10.根据权利要求1所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述N型晶体硅基体的前表面从内到外依次包括p+掺杂发射极层、前钝化减反射薄膜和p+金属电极。
11.根据权利要求10所述的一种印刷金属电极的钝化太阳能电池，其特征在于，所述n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，主栅等间距设置4~12根，宽度100~800μm，高度为10~40μm；副栅等间距设置90~120根，宽度为20~60μm，高度为10~40μm。
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