CN109755330B - 用于钝化接触结构的预扩散片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于钝化接触结构的预扩散片，包括钝化接触基体和结合于钝化接触基体表面内的掺杂预扩散层，掺杂预扩散层的部分掺杂物质扩散进入钝化接触基体表面内不同深度，具有掺杂预扩散层的钝化接触结构的方阻>90Ω/sq。经过预扩散，钝化接触基体表面形成了一定的表面掺杂，能带在表面已经产生程度的弯曲，提升了载流子的选择性和传输能力，降低接触电阻，也降低了对隧穿非晶硅、隧穿氧化硅或其他钝化隧穿层的厚度要求，同时也降低了对掺杂非晶硅的掺杂浓度依赖，降低了对新材料的功函数的过渡依赖，提升电池良品率。

Description

用于钝化接触结构的预扩散片及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种钝化接触界面结构，具体涉及可用于太阳电池的钝化接触结构的预扩散片，同时涉及其制备方法。
背景技术
钝化接触也叫载流子选择性收集，是近年来硅太阳电池的热点研究方向。钝化接触结构能够在硅表面形成显著的能带弯曲，使一种载流子通过而另一种载流子无法通过，形成很好的载流子收集，同时又能抑制载流子在界面的复合。因此，钝化接触结构可以实现高效钝化和载流子收集，消除硅与金属的直接接触，因而能够提高钝化效果，使太阳电池获得很高的开路电压。
目前，钝化接触结构大致可以分为三类：隧穿氧钝化结构(TOPCon)、硅异质结(SHJ)和非掺杂异质结(DASH)。这三种结构和制备方法具体如下：
隧穿氧化钝化接触结构(TOPCon)：c-Si/SiOx/多晶硅(polysilicon，n型或p型)/metal electrode(金属电极)。该结构常见的制备方法是将硅片表面清洗干净，接着依次沉积一层厚度通常低于2纳米的超薄氧化硅(第一覆盖层1)、一层n型或p型掺杂的非晶硅薄膜(第二覆盖层2)，最后在800-900℃下进行高温退火，形成多晶硅。其结构如图1所示。
硅异质结结构(SHJ)：c-Si/a-Si:H(i)/a-Si:H(n型或p型)/ITO。该结构常见的制备方法是将硅片表面清洗干净，接着用PECVD法在表面依次沉积一层本征非晶硅(第一覆盖层1)、一层n型或p型掺杂的非晶硅(第二覆盖层2)。其结构如图2所示。
非掺杂异质结(DASH)：c-Si/a-Si:H(i)/低或高功函数材料/金属电极。该结构常见的制备方法是将硅片表面清洗干净，接着用PECVD法在表面依次沉积一层本征非晶硅(第一覆盖层1)、低功函数材料或高功函数材料(第二覆盖层2)。低/高功函数材料可以是金属、金属氧化物、金属氟化物等不同的材料，只要其功函数满足要求即可。其典型结构如图2所示。
上述三种现有的结构技术在高效晶硅电池上已经获得巨大的成功，但是仍有缺点，具体如下。
隧穿氧钝化接触结构(TOPCon)的缺点是：高温退火过程，如果工艺控制不当，掺杂多晶硅的杂质10会大量进入氧化硅层，从而破坏氧化硅层，降低界面钝化效果；金属烧结时，浆料烧穿多晶硅层后与硅表面直接接触，显著增加了表面复合速率。
硅异质结(SHJ)的缺点是：对本征非晶硅的质量和厚度要求极高。本征非晶硅的厚度需要严格控制在5-6nm左右，厚度变低会影响钝化效果、厚度变高则影响载流子输运能力。对于本征硅薄膜的严苛要求成为限制硅异质结电池良率提升的主要原因。而且，一般而言，n型SHJ的接触电阻率在100mΩ·cm左右，p型SHJ的接触电阻率在400mΩ·cm左右，难以再往下降。
非掺杂异质结(DASH)结构的缺点是：类似于硅异质结，该结构对本征非晶硅的质量和厚度要求极高。本征非晶硅的厚度需要严格控制在5-6nm左右，厚度变低会影响钝化效果、厚度变高则影响载流子输运能力。对于本征硅薄膜的严苛要求成为限制电池良率提升的主要原因。其接触电阻率比SHJ还要再高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种可用于钝化接触结构的预扩散片，使用该预扩散片后的钝化接触结构可以获得比上述三种结构更优的综合性能。
本发明的技术方案是提供一种用于钝化接触结构的预扩散片，包括钝化接触基体和结合于钝化接触基体表面内的掺杂预扩散层，掺杂预扩散层的掺杂物质扩散进入钝化接触基体表面内不同深度，具有掺杂预扩散层的钝化接触结构的方阻通常>90Ω/sq。
进一步地，上述钝化接触基体为单晶硅片，掺杂预扩散层的掺杂物质为磷、硼中的至少一种。
本发明的另一目的是提供具有预扩散片的钝化接触结构，即在预扩散片表面集成隧穿氧钝化接触结构、硅异质结结构、非掺杂异质结结构中的一种。
本发明的另一目的是提供预扩散片的制备方法，步骤包括：
(1)钝化接触基体置于退火炉中，通入掺杂物质源进行高温扩散处理；
(2)然后去除浮于钝化接触基体表面的杂质层、掺杂物质富集层；
(3)清洗表面；
或者步骤(1)为在钝化接触基体表面涂覆一层掺杂物质源，后将钝化接触基体置于退火炉中高温退火。
进一步地，上述步骤(1)中掺杂物质源中磷源为POCl3，硼源为BBr3。
进一步地，上述步骤(1)中涂覆掺杂物质源的方法为喷涂、旋涂、打印、印刷中的一种。
本发明的另一目的是提供预扩散片在太阳电池中的应用。
本发明的优点和有益效果：
1.经过预扩散，钝化接触基体表面形成了一定的表面掺杂，能带在表面已经产生程度的弯曲，提升了载流子的选择性和传输能力，降低接触电阻，也降低了对隧穿非晶硅、隧穿氧化硅或其他钝化隧穿层的厚度要求，同时也降低了对掺杂非晶硅的掺杂浓度依赖，降低了对新材料的功函数的过渡依赖，提升电池良品率。
2.经过预扩散，钝化接触基体表面形成了一定的表面掺杂，能带在表面已经产生程度的弯曲，减少对外部功能层的依赖。在沉积掺杂硅薄膜或掺杂硅合金层时，可以降低退火温度或避免高温退火处理，从而能够有效保持界面氧化硅的质量，提升表面钝化效果。降低退火温度或避免高温退火，还能提高产率、缩短工艺时间、减少硅薄膜的爆膜现象，降低电池制备成本。
3.由预扩散片制成的钝化接触结构整体来说，结合一层掺杂浓度较低、结深较浅的预扩散层降低了接触电阻率，同时保持了优异的钝化性能，能进一步提升电池的效率。
4.经过预扩散的钝化接触基体，可以与包括TOPCon、SHJ、DASH等不同的现有钝化接触结构结合，大大扩展了工艺的灵活性，因地制宜降低生产成本。
5.通过预扩散，可以对钝化接触基体形成吸杂效应，减少体内金属杂质含量，提高钝化接触基体寿命，从而提高电池效率。
6.预扩散的区域，还能够抵抗金属浆料的烧蚀作用，有利于保持较高的钝化水平。
附图说明
图1是现有技术中隧穿氧钝化接触结构的结构示意图。
图2是现有技术中硅异质结结构或非掺杂异质结结构的结构示意图。
图3是本发明预扩散片的结构示意图。
图4是经过预扩散的钝化接触结构的结构示意图。
图5、6是具有预扩散片的晶硅电池的结构示意图。
图中：1-硅片，2-第一覆盖层，3-第二覆盖层，4-预扩散杂质层，5-电极，6-钝化减反叠层，7-发射极，8-1、8-2-ITO，9-掺杂多晶硅中的杂质
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。以下实施例中，所用钝化接触基体为单晶硅片，具体为厚度为180μm的n型或p型直拉单晶硅片，双面化学抛光，电阻率为1～7Ω·cm。
实施例1
本实施例提供一种预扩散片，如图3所示，为在硅片1表面由预扩散掺杂杂质形成预扩散杂质层4，预扩散掺杂杂质可以是磷、硼等，以下以磷为例说明预扩散片的制备，硼掺杂的预扩散片的制备原理和方法与磷掺杂的类似。
方法一：将硅片1清洗干净，放入管式退火炉中，以POCl3为磷源进行高温扩散处理，之后再去除磷硅玻璃层及富磷层，最后清洗表面，获得预扩散片。
方法二：将硅片1清洗干净，采用喷涂、旋涂、打印、印刷等不同方法在硅片1表面涂覆一层磷源，接着高温退火使磷扩散进入硅片1表面，再去除表面层，最后清洗表面，获得预扩散片。
实施例2
本实施例提供利用上述预扩散片制成钝化接触结构的方法，制备而得的钝化接触结构的结构示意图如图4所示。
预扩散TOPCon钝化结构的制备方法：将预扩散片表面清洗干净，接着依次沉积一层厚度通常低于2纳米的超薄氧化硅(第一覆盖层2)、一层n型或p型掺杂的多晶硅薄膜(第二覆盖层3)，其中氧化硅采用热硝酸法制备；最后在800-900℃下进行高温退火，具体来说n型硅片的高温退火温度为800-850℃，p型硅片的高温退火温度为850-900℃，然后沉积金属电极。
预扩散SHJ钝化结构的制备方法：将预扩散片表面清洗干净，接着用PECVD法在表面依次沉积一层本征非晶硅(第一覆盖层2)、一层n型或p型掺杂的非晶硅(第二覆盖层3)；最后沉积一层透明导电膜ITO。
预扩散DASH钝化结构的制备方法：将预扩散片表面清洗干净，接着用PECVD法在表面依次沉积一层本征非晶硅(第一覆盖层2)、低功函数材料或高功函数材料(第二覆盖层3)；最后沉积一层透明导电膜ITO。低/高功函数材料3-3可以是金属、金属氧化物、金属氟化物等不同的材料，只要其功函数满足要求即可，本实施例中采用电子束蒸镀的MoOx作为高功函数材料来制备钝化接触结构。
对比例1
按照实施例2的方法制备不具有预扩散的TOPCon钝化结构(其中n型硅片晶化退火温度改为770-800℃，p型硅片晶化退火温度改为830-880℃)、SHJ钝化结构、DASH钝化结构。
实施例3
本实施例提供利用上述预扩散片制备晶硅电池的方法。
预扩散TOPCon晶硅电池制备方法(以n型预扩散TOPCon晶硅电池为例说明，p型晶硅电池的制备原理和方法可参考n型)：n型硅片1表面清洗、制绒，表面扩硼，背面化抛，背面预扩散，刻蚀清洗，制备背面氧化硅(第一覆盖层2)和掺杂多晶硅(第二覆盖层3)，高温晶化，正面制备钝化减反叠层6及发射极7，背面可再涂覆氮化硅层，双面金属化，形成金属电极5，其中至少正面金属电极5形成金属栅线。电池制备完成之后，测试效率。典型结构如图5所示。
预扩散SHJ晶硅电池制备方法(以n型预扩散TOPCon晶硅电池为例说明，p型晶硅电池的制备原理和方法可参考n型的)：n型硅片1表面清洗、制绒，背面预扩散，刻蚀清洗，背面本征非晶硅(第一覆盖层2)及掺磷非晶硅(第二覆盖层3)，正面本征非晶硅(第一覆盖层2)及掺硼非晶硅(第二覆盖层3)，双面TCO形成ITO膜8-1、8-2，双面金属化，形成金属电极5，其中至少正面金属电极5形成金属栅线。电池制备完成之后，测试效率。典型结构如图6所示。
预扩散DASH晶硅电池制备方法：n型硅片1表面清洗、制绒，背面预扩散，刻蚀清洗，背面本征非晶硅(第一覆盖层2)，正面本征非晶硅(第一覆盖层2)，背面低功函金属材料(第二覆盖层3)，本实施例中以a-Si:H/LiF做电子选择层，正面高功函金属材料(第二覆盖层3)，本实施例中以a-Si:H/MoOx做空穴选择层，双面TCO形成ITO膜8-1、8-2，双面金属化，形成金属电极5，其中至少正面金属电极5形成金属栅线。电池制备完成之后，测试效率。典型结构如图6所示。
对比例2
按照实施例3的方法制备不具有预扩散的TOPCon晶硅电池、SHJ晶硅电池、DASH晶硅电池。
对实施例2、对比例1得到的钝化接触结构性能进行测试，结果如下：
编号 钝化接触结构 J<sub>0</sub>(fA/cm<sup>2</sup>) iV<sub>oc</sub>(mV) ρ<sub>c</sub>(mΩcm)
对比例1 n型topCon 7～15 705～718 6～20
实施例2 预扩散n型topCon 7～15 705～718 1～5
对比例1 p型topCon 15～30 680～710 10～28
实施例2 预扩散p型topCon 10～20 690～717 5～15
对比例1 n型SHJ 2～5 720～735 50～100
实施例2 预扩散n型SHJ 5～10 710～720 10～40
对比例1 n型高功材料DASH 80～200 660～680 100～300
实施例2 预扩散n型高功材料DASH 30～90 670～700 80～150
由上表可知，对于n型TOPCon钝化接触结构来说，利用预扩散集成TOPcon时，与未采用预扩散的钝化接触结构相比，钝化效果接近，而接触电阻率明显降低，说明接触性能改善；对于p型TOPCon钝化接触结构来说，利用预扩散集成TOPcon时，与未采用预扩散的钝化接触结构相比，钝化效果得到改善，同时接触性能得到改善；
对于n型SHJ钝化接触结构来说，利用预扩散集成SHJ时，与未采用预扩散的钝化接触结构相比，钝化效果虽然略有降低，但接触电阻率大幅度减小，接触性能显著改善；
对于n型DASH钝化接触结构来说，利用预扩散集成DASH时，与未采用预扩散的钝化接触结构相比，钝化效果得到改善，同时接触性能得到改善。
对实施例3、对比例2得到的晶硅电池性能进行测试，结果如下：
Figure BDA0001924078640000061
由上述结果可知，对于p型TOPcon晶硅电池来说，具有预扩散集成的晶硅电池其开路电压、填充因子均有改善；对于n型SHJ晶硅电池来说，具有预扩散集成的晶硅电池，虽开路电压略低，但填充因子显著改善；对于n型DASH晶硅电池来说，具有预扩散集成的晶硅电池其开路电压、填充因子均有改善。
本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合太阳电池领域的市售产品。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.用于钝化接触结构的预扩散片，其特征在于，包括钝化接触基体和结合于钝化接触基体表面内的掺杂预扩散层，掺杂预扩散层的掺杂物质扩散入钝化接触基体表面内不同深度，具有预扩散层的钝化接触结构的方阻>90Ω/sq；
所述的预扩散片的制备方法，步骤包括：
（1）钝化接触基体置于退火炉中，通入掺杂物质源进行高温扩散处理；
（2）然后去除浮于钝化接触基体表面的杂质层、掺杂物质富集层；
（3）最后清洗表面；
或者步骤（1）为在钝化接触基体表面涂覆一层掺杂物质源，后将钝化接触基体置于退火炉中高温退火；
所述步骤（1）中掺杂物质源中磷源为POCl3，硼源为BBr3；
所述钝化接触基体为单晶硅片，所述掺杂物质为磷、硼中的至少一种；
在所述预扩散片表面集成隧穿氧钝化接触结构、非掺杂异质结结构中的一种；
预扩散隧穿氧钝化接触结构钝化结构的制备方法：将预扩散片表面清洗干净，接着依次制备一层超薄氧化硅、一层n型或p型掺杂的非晶或多晶硅薄膜，最后进行高温退火；
预扩散非掺杂异质结钝化结构的制备方法：将预扩散片表面清洗干净，接着用PECVD法在表面依次沉积一层本征非晶硅、低功函数材料或高功函数材料；最后沉积一层透明导电膜ITO，低/高功函数材料是金属、金属氧化物、金属氟化物，只要其功函数满足要求即可。
2.如权利要求1所述的预扩散片的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中涂覆掺杂物质源的方法为喷涂、旋涂、打印、印刷中的一种。
3.权利要求1或2所述的预扩散片在太阳电池中的应用。
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Pledgor: China Science and Technology (Ningbo) Co.,Ltd.

Registration number: Y2025980010298

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190514

Assignee: Ningbo Kangnaite International Trade Co.,Ltd.

Assignor: China Science and Technology (Ningbo) Co.,Ltd.

Contract record no.: X2025980009069

Denomination of invention: Pre diffusion sheets for passivating contact structures, their preparation methods, and applications

Granted publication date: 20201124

License type: Common License

Record date: 20250521

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