CN109786475B - 一种p型单晶硅电池正面镀膜结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏行业太阳能电池领域，具体涉及一种P型单晶硅电池正面镀膜结构及其制备方法，包括制绒、扩散、刻蚀、正面沉积SiO2层、背面镀膜、正面掩膜、正面沉积掺P多晶硅(n‑Si)、正面去除掩膜、正面沉积SiNx层、丝网印刷和金属化步骤，制成的P型单晶硅电池正面镀膜结构，在正面电极图形处多了一层的掺P多晶硅，该掺杂多晶硅层结合薄氧化层能对电池正面起到很好的遂穿效应，防止电池中的少子(空穴)向正表面迁移，且正面金属电极是与掺杂多晶硅层接触，避免了金属电极和硅基片直接接触导致的表面复合高的问题，提高电池Voc和Isc，从而有效地提高了电池转化效率。
Description
技术领域
本发明属于光伏行业太阳能电池行业，具体涉及一种P型单晶硅电池正面镀膜结构及其制备方法。
背景技术
能源问题一直是困扰我国经济发展的重要因素，化石能源的日渐枯竭使得新能源的研究变得尤为关键，尤其是太阳能的研究。光伏材料是太阳能研究的关键内容，其中单晶硅因具有诸多优点，如：晶体结构相对完美、杂质少、纯度高、高少子寿命、电阻率容易控制等，成为了光伏材料中的佼佼者。直至目前，单晶硅仍然以成熟的冶炼技术，简便的制作手法以及相对高效的光电转化效率占据着光伏行业重要的位置。
在目前的太阳电池市场中，约85％是晶硅电池，还有约15％属于薄膜电池。其中的晶硅电池市场又分单晶硅与多晶硅。相关数据显示，单晶硅与多晶硅的市场份额占比分别在30％-40％和50％-60％之间。单晶硅和多晶硅的区别在于当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的芯片，则形成单晶硅；如果这些晶核长成晶面取向不同的芯片，则形成多晶硅。
多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。目前的单晶硅片主要分为N型与P型。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如掺硼形成P型硅半导体；掺入微量的VA族元素，如掺磷或砷形成N型硅半导体。更简单的说，单晶硅中掺磷是N型，掺磷越多则自由电子越多，导电能力越强，电阻率就越低；而掺硼为P型，掺硼越多则能置换硅产生的空穴也越多，导电能力越强，电阻率就越低。在2011年以前，无论是单晶硅还是多晶硅片，均以P型为主流产品。但根据实验观测，多晶P型产品转换效率最高为17.4％，而单晶P型产品转换效率最高为19％。但是单晶P型产品还有一个明显的缺点，即在模组端有电力流失(Power Loss)相对大的问题，所以目前的P型产品已经越来越少。而N型单晶产品没有电力流失的问题，且转换效率一般可以突破20％以上，成为目前单晶硅厂商积极投入研究及研发的领域之一。
光伏行业对太阳能电池增效提质的研究一直是热点。减少光学损失、减小载流子复合，是最重要的提高晶硅电池效率的途径。比如，太阳能电池正面和背面进行镀膜工艺，就是为了减少光学损失和减小表面复合，从而提高开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF，最终提高晶硅电池的光电转化效率。
专利CN102522446B公开了一种HIT太阳电池结构及其制作方法，该电池结构，在N型硅衬底的正反面首先热氧化SiO2层做为掩膜；在正面SiO2层上进行开孔；在正面依次沉积本征非晶硅层、P型非晶硅层；之后沉积AL2O3薄膜；在AL2O3薄膜上开孔；然后沉积透明导电薄膜作为窗口层；最后再采用浆料丝网印刷Ag栅极；在电池的背面，首先仍然是对SiO2层开孔，然后依次沉积本征非晶硅层、N型非晶硅层，然后沉积透明导电薄膜；最后再丝网印刷Ag栅极，从而形成一个完整的电池器件。技术效果是简化了清洗工艺，利于实现产业化。但电池转化效率还有待进一步提高。
目前较为常见的P型单晶电池的正面膜层结构是，沉积SiO2/SiNx减反射和钝化膜层，背面沉积Al2O3/SiNx或者SiO2/SiNx钝化层。
现在主流的P型晶硅正表面结构是在钝化膜为SiO2/SiNx的上面，丝网印刷银电极栅线，然后烧结，完成金属化，使银电极与硅基片直接接触。但在银硅接触处，载流子复合较大，从而不利于电性能的提高，影响电池转化效率。
发明内容
为克服以上技术缺点，本发明提供了一种P型单晶硅电池正面镀膜结构及其制备方法，该方法制备的新型膜层结构的最大优点是，降低了银栅线与硅接触处的载流子复合，掺P的多晶硅膜层与电池正面形成n+/n层，阻止了电池n型硅中的少子(空穴)向正表面迁移，从而了减小了表面复合，提高了Voc。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种P型单晶硅电池正面镀膜结构，包括晶硅正面膜，所述晶硅正面膜包括在所述P型单晶硅电池正面依次沉积的磷扩散层，SiO2层，掺P多晶硅(n-Si)层，SiNx层，银电极栅线；其特征在于，掺P多晶硅(n-Si)层在银电极栅线处局部沉积，SiNx层整面沉积在最外层；其中，磷扩散层的上边缘呈直线形或波浪形；SiO2层呈直线形或波浪形，且与磷扩散层的上边缘形状相同。
优选地，所述SiO2层的厚度为1-4nm；所述掺P多晶硅层的厚度为10-30nm；所述SiNx层的厚度为60-100nm。
优选地，所述银电极栅线为丝网印刷，银电极栅线包括正面主栅和正面细栅。
优选地，所述掺P多晶硅层的图形和丝网印刷的银电极栅线的图形相配合，使后续印刷的银电极栅线套印在沉积的掺P多晶硅层图形内；
优选地，所述掺P多晶硅层的宽度和长度均大于正面银电极栅线；
优选地，掺P多晶硅在细栅处的宽度比细栅的宽度多0.008-0.02mm，在细栅处的长度比细栅的长度多0.6-0.85mm，在主栅处的宽度比主栅的宽度多0.2-0.3mm，长度比主栅的长度多2.71-3.71mm。
本发明的另一目的还在于，提供一种P型单晶硅电池正面镀膜结构制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，在电池正表面沉积SiO2层；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层；
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层；
(6)丝网印刷及金属化工艺，完成电池制作。
优选地，步骤(1)中，所述沉积的方法为热氧化或湿化学方法。
优选地，步骤(3)中，所述沉积的方法为PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)或LPCVD(低压气相沉积法)。
优选地，步骤(5)中，所述沉积的方法为PECVD。
优选地，步骤(6)中，所述丝网印刷及金属化工艺为丝网印刷正面银电极栅线。
本发明的目的，还在于提供所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构在太阳能电池中的应用。
与现有技术比，本发明的具有以下优势：
(1)本发明是一种针对P型单晶电池正面的镀膜膜层结构设计，实现正面电极栅线区域下方局部沉积钝化多晶硅层。
(2)本发明指出的新型P型单晶硅电池正面镀膜膜层，相比现有的主流膜层结构，在正面电极图形处多了一层的掺P多晶硅，该掺杂多晶硅层结合薄氧化层能对电池正面起到很好的遂穿效应，防止电池中的少子(空穴)向正表面迁移，且正面金属电极是与掺杂多晶硅层接触，避免了金属电极和硅基片直接接触导致的表面复合高的问题，提高电池Voc和Isc，从而提高电池转化效率。
(3)本发明的正面膜层结构设计是应用在P型单晶硅电池，实现选择性沉积多晶硅钝化层，保证正面电极与所沉积的多晶硅钝化层直接接触，而不是和硅基片直接接触。
(4)本发明中的正面膜层结构易于实现，可应用于量产化。
附图说明
图1：P型单晶硅正面膜层结构制作工艺流程图，附图中标记的具体含义如下：
1：P base Si；2：SiO2；3：n-Si；4：SiNx；5：Ag电极栅线；6：磷扩散层；
图2：本发明的膜层结构示意；
图3：本发明实施例1电池的n-Si沉积层部分图示；
图4：对比例1电池正面电极栅线部分图示；
现结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
具体实施方式
实施例1
一种P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，热氧化方法在电池正表面沉积SiO2层，厚度为2nm；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的，在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层，厚度为20nm，沉积方法为PECVD，所用掩膜的图形要和后续丝网印刷的正面银电极栅线的图形互补吻合，确保所沉积的多晶硅层图形和正面银电极栅线的图形一致，能使后续印刷的正面银电极栅线套印在沉积的多晶硅层图形内；
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层，80nm，所述沉积的方法为PECVD；
(6)丝网印刷正面银电极栅线，完成电池制作。
其中，电池边长为156.75mm*156.75mm，对角直径为210mm的电池片，丝网印刷的正面细栅一共106根，每根宽度和长度分别为0.032mm和155.15mm，正面主栅一共5根，每根宽度和长度分别为0.7mm和146.29mm，栅线总面积为1026.4118平方毫米。掺P多晶硅在后续印刷细栅处的宽度和长度分别为0.04mm和156mm，在后续印刷主栅处的宽度和长度分别为0.9mm和150mm，总面积为1317.36平方毫米。
实施例2
一种P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，湿化学方法在电池正表面沉积SiO2层，厚度为1nm；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的，在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层，厚度为30nm，沉积方法为PECVD，所用掩膜的图形要和后续丝网印刷的正面银电极栅线的图形互补吻合，确保所沉积的多晶硅层图形和银电极栅线的图形一致，能使后续印刷的正面银电极栅线套印在沉积的多晶硅层图形内；
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层，60nm，所述沉积的方法为PECVD；
(6)丝网印刷正面银电极栅线，完成电池制作。
其中，电池边长为157mm*157mmmm，对角直径为210mm的电池片，丝网印刷的正面细栅一共106根，每根宽度和长度分别为0.032mm和155.4mm，正面主栅一共5根，每根宽度和长度分别为0.7mm和146.5mm，栅线总面积为1027.9948平方毫米。掺P多晶硅在后续印刷细栅处的宽度和长度分别为0.04mm和156mm，在后续印刷主栅处的宽度和长度分别为0.9mm和150mm，总面积为1317.36平方毫米。
实施例3
一种P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，热氧化方法在电池正表面沉积SiO2层，厚度为4nm；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的，在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层，厚度为10nm，沉积方法为LPCVD。
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层，100nm，所述沉积的方法为PECVD；
(6)丝网印刷正面银电极栅线，完成电池制作。
其中，电池边长为157.75mm*157.75mm，对角直径为210mm的电池片，丝网印刷的正面细栅一共110根，每根宽度和长度分别为0.032mm和156.15mm，正面主栅一共5根，每根宽度和长度分别为0.7mm和147.29mm，栅线总面积为1052.843平方毫米。掺P多晶硅在后续印刷细栅处的宽度和长度分别为0.04mm和157mm，在后续印刷主栅处的宽度和长度分别为0.9mm和150mm，总面积为1346平方毫米。
实施例4
一种P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，热氧化方法在电池正表面沉积SiO2层，厚度为2nm；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的，在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层，厚度为20nm，沉积方法为LPCVD，所用掩膜的图形要和后续丝网印刷的正面银电极栅线的图形互补吻合，确保所沉积的多晶硅层图形和正面银电极栅线的图形一致，能使后续印刷的正面银电极栅线套印在沉积的多晶硅层图形内；
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层，80nm，所述沉积的方法为PECVD；
(6)丝网印刷正面银电极栅线，完成电池制作。
其中，电池边长为156.75mm*156.75mm，对角直径为210mm的电池片，丝网印刷的正面细栅一共106根，每根宽度和长度分别为0.032mm和155.15mm，正面主栅一共5根，每根宽度和长度分别为0.7mm和146.29mm，栅线总面积为1026.4118平方毫米。掺P多晶硅在后续印刷细栅处的宽度和长度分别为0.052mm和156mm，在后续印刷主栅处的宽度和长度分别为1.0mm和150mm，总面积为1582.312平方毫米。
对比例1
与实施例1相比，区别在于，掺P多晶硅层为全面沉积(非局部)。
对比例2
与实施例1相比，区别在于，正面沉积SiO2/SiNx钝化层，在钝化层上面，丝网印刷银电极栅线，然后烧结，完成金属化，使银电极与硅基片直接接触。
技术效果
电池性能测试：按照常规实验条件，利用Halm电池电学性能测试仪，在温度25℃，光强1000w/m2条件下，进行电池性能试验。
电池性能试验数据如下表1：
表1电池性能数据
| 试验组 | Voc(V) | Isc(A) | FF(％) | Eff(％) |
| 实施例1 | 0.673 | 9.827 | 81.10 | 21.95 |
| 实施例2 | 0.670 | 9.830 | 81.19 | 21.89 |
| 实施例3 | 0.671 | 9.818 | 81.16 | 21.88 |
| 实施例4 | 0.672 | 9.828 | 81.15 | 21.92 |
| 对比例1 | 0.651 | 9.567 | 79.20 | 20.19 |
| 对比例2 | 0.667 | 9.802 | 80.80 | 21.61 |
通过比较可以看出，本发明能明显提升Voc和FF，从而提高了电池转化效率。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种P型单晶硅电池正面镀膜结构，包括晶硅正面膜，所述晶硅正面膜包括在所述P型单晶硅电池正面依次沉积的磷扩散层，SiO2层，掺P多晶硅层，SiNx层，银电极栅线；其特征在于，掺P多晶硅层在银电极栅线处局部沉积，SiNx层整面沉积在最外层；其中，磷扩散层的上边缘呈直线形或波浪形；SiO2层呈直线形或波浪形，且与磷扩散层的上边缘形状相同；
所述掺P多晶硅层的图形和丝网印刷的银电极栅线的图形相配合，使后续印刷的银电极栅线套印在沉积的掺P多晶硅层图形内；
所述SiO2层的厚度为1-4nm；所述掺P多晶硅层的厚度为10-30nm；所述SiNx层的厚度为60-100nm。
2.根据权利要求1所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构，其特征在于，所述银电极栅线为丝网印刷，银电极栅线包括正面主栅和正面细栅。
3.根据权利要求2所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构，其特征在于，所述掺P多晶硅层的宽度和长度均大于正面银电极栅线；
其中，掺P多晶硅在细栅处的宽度比细栅的宽度多0.008-0.02mm，在细栅处的长度比细栅的长度多0.6-0.85mm，在主栅处的宽度比主栅的宽度多0.2-0.3mm，长度比主栅的长度多2.71-3.71mm。
4.一种如权利要求1-3任一所述P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制绒、扩散、刻蚀后，在电池正表面沉积SiO2层；
(2)背面镀膜；
(3)掩膜法选择性的在电池正面沉积掺P的多晶硅层n-Si层；
(4)去除电池正面掩膜；
(5)在正面的整面沉积SiNx层；
(6)丝网印刷及金属化工艺，完成电池制作。
5.如权利要求4所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述沉积的方法为热氧化或湿化学方法。
6.如权利要求4所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述沉积的方法为PECVD或者LPCVD。
7.如权利要求4所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述沉积的方法为PECVD。
8.如权利要求4所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述丝网印刷及金属化工艺为丝网印刷正面银电极栅线。
9.根据权利要求1-3任一所述的P型单晶硅电池正面镀膜结构在太阳能电池中的应用。
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