CN109786476B - 一种钝化接触结构及其在硅太阳电池中应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钝化接触结构，包括钝化接触基体，至少一个表面上集成有硅化物薄膜，且硅化物薄膜中掺杂有硼、磷、铝、镓、氮中的至少一种元素，硅化物薄膜与钝化接触基体表面之间为氧化硅层。本发明的优点是硅化物薄膜层的带隙较大，减少短波长光的寄生吸收，提升太阳电池的短路电流，致密型高，热稳定性好，抑制爆膜和抗银浆烧蚀，电导率优良因此有利于保持良好的填充因子。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，具体涉及用于太阳电池的新型钝化接触结构。
背景技术
隧穿氧化钝化接触(TOPCon)太阳电池是2013年由德国弗兰霍夫研究所提出的一种新型硅太阳电池(参见Feldmann,F.,Bivour,M.,Reichel,C.,Hermle,M.,Glunz,S.,Apassivated rear contact for high-efficiency n-type silicon solar cellsenabling high Vocs and FF>82％,in 28th European PV solar energy conferenceand exhibition.2013.)。TOPCon电池最初采用n型硅片做基底，硅片背面生长一层厚度在2nm以下的超薄氧化硅层，然后沉积一层掺杂非晶硅层，TOPCon结构的特征在于：一方面，氧化硅隧穿层可以有效降低硅片表面缺陷态密度达到钝化表面的目的；另一方面配合重掺杂非晶硅形成极好的场钝化效应，显著降低整个背表面的复合速率，可获得较低的表面饱和暗电流密度(J0)和较高的隐含开路电压(iVoc)。TOPCon结构最初应用于常规单面结构的电池中，其中n-TOPCon结构用于背面的多子收集，最后覆盖全背面金属电极。随着电池技术的进步，双面电池的应用越来越广泛。双面电池的优势在于：光致衰减小、弱光响应好、温度系数低等优势，正面和反面均能发电、整体输出功率更大等优点。因此，将TOPCon结构应用于双面电池具有重要的意义。在双面电池中，不管位于正面还是背面，TOPCon结构均需要同时作为发射极(或背场)和窗口层，因此对其性能提出了更高的要求：1)更高的透光性，以利于透过更多的入射光；2)更好的致密性，以阻挡银浆的烧结；3)优异的传输性，以降低串联电阻；4)更好的钝化性，以提升开路电压。
常规的掺杂硅薄膜在单面TOPCon电池上已经获得了巨大的成功：n型单面TOPCon电池的最高效率为25.8％，p型单面TOPCon电池的最高效率为24.3％。然而，如果将掺杂硅薄膜应用于双面电池，则难以满足双面电池的技术要求，其主要原因在于：1)硅的禁带宽度仅为1.12eV左右，带隙过小，如果将硅薄膜作为窗口层，将对光产生显著的吸收，从而降低短路电流；2)硅薄膜通常不够致密，抗银浆烧蚀的能力弱，易被银浆烧穿从而损坏钝化性能；3)PECVD制备的非晶硅薄膜强度不够，在热处理条件下易发生爆膜。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有重掺杂硅化物薄膜的钝化接触结构，能够提升TOPCon结构整体性能、改善双面TOPCon电池效率。
本发明的技术方案是提供一种钝化接触结构，包括钝化接触基体，至少一个表面上集成有硅化物薄膜，且硅化物薄膜中掺杂有硼、磷、铝、镓、氮中的至少一种元素，硅化物薄膜与钝化接触基体表面之间为氧化硅层。
进一步地，钝化接触基体相对的两表面分别集成有硅化物(也叫硅合金)薄膜，两相对表面上的硅化物可以相同也可以不同。
进一步地，硅化物薄膜的折射率为1～3。
上述硅化物为富硅碳化硅或富硅氧化硅或富硅氮化硅，通过化学气相沉积法、蒸镀法、溅射法中的至少一种将硅化物集成于钝化接触基体表面。
进一步地，硅化物薄膜为n型掺杂的碳化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、甲烷(CH4)；为p型掺杂的碳化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、硼烷(B2H6)、氢气(H2)、甲烷(CH4)。
进一步地，硅化物薄膜为n型掺杂的氧化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、笑气(N2O)或二氧化碳(CO2)；为p型掺杂的氧化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、硼烷(B2H6)、氢气(H2)、笑气(N2O)或二氧化碳(CO2)。
进一步地，硅化物薄膜为n型掺杂的氮化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、氨气(NH3)；为p型掺杂的氮化硅薄膜时，反应气体采用硅烷(SiH3)、硼烷(B2H6)、氢气(H2)、氨气(NH3)。
本发明的另一目的是提供一种太阳电池，该太阳电池具备上述的钝化接触结构。
进一步地，上述太阳电池为双面太阳电池，其制备步骤依次为钝化接触基体清洗，双面制绒，正面扩散，背面抛光，背面制备氧化硅，制备背面的掺杂硅化物薄膜，高温处理晶化，正面制备钝化减反层，制备背面减反膜，双面金属化形成金属电极。
本发明的优点和有益效果：
1.硅化物薄膜层的带隙较大，减少短波长光的寄生吸收，提升太阳电池的短路电流。
2.硅化物薄膜的折射率可以通过薄膜成份调整，折射率变化范围可以在1～3之间，有利于薄膜的减反效应，增加光吸收，提升电池的短路电流。
3.合金化薄膜可以变得比硅薄膜更加致密，有更高的热稳定性，能抑制薄膜在电池高温工艺过程中的爆膜现象，提高了钝化效果；此外致密的薄膜能够更好地抵抗银浆的烧蚀过程，保持钝化效果不降低。
4.合金化薄膜具有与常规硅薄膜相近的电导率，从而有利于保持较低的串联电阻，保持较高的填充因子。
5.硅化物薄膜的生产方法多样化，有利于提升电池工艺的灵活度，因地制宜降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例1～4的双面钝化接触结构示意图。
图2是本发明实施例5的n型掺杂硅化物薄膜单面电池结构示意图。
图3是本发明实施例6的n型掺杂硅化物薄膜双面电池结构示意图。
图中，11、12-金属电极(可以是钛、钯、银电极)，2-介质防反射层(一般为SiNx或SiNx/MgF2)，3-Al2O3层，4-掺杂层，5-选择性发射极，6-硅片，7-TOPCon结构，71-氧化硅(SiOx)层，72-掺杂硅化物薄膜
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。以下实施例中钝化接触基体为厚度为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n型双面富硅碳化硅钝化接触结构，其结构为n-SiCx/SiOx/n-Si/SiOx/n-SiCx，如图1所示。其制备流程为n型硅片6清洗，然后采用热硝酸法制备氧化硅层71，再采用化学气相沉积法双面沉积掺杂碳化硅薄膜(即掺杂硅化物薄膜72)，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、甲烷(CH4)，最后经过800-950℃高温晶化退火。
利用Sinton测试，对得到的n型双面富硅碳化硅薄膜的钝化效果进行检测，与常规n型双面掺杂硅薄膜对比如下：
由结果可知，与常规n型双面掺杂硅薄膜相比，本发明的n型双面富硅碳化硅薄膜钝化效果提高。
实施例2
本实施例提供一种p型双面富硅碳化硅钝化接触结构，其结构为p-SiCx/SiOx/p-Si/SiOx/p-SiCx，如图1所示。其制备流程为p型硅片6清洗，然后采用热硝酸法制备氧化硅层71，再采用化学气相沉积法双面沉积掺杂碳化硅薄膜(即掺杂硅化物薄膜72)，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、硼烷(B2H6)、氢气(H2)、甲烷(CH4)，最后经过800-950℃高温晶化退火。
利用Sinton测试，对得到的p型双面富硅碳化硅薄膜的钝化效果进行检测，与常规p型掺杂硅薄膜对比如下：
由结果可知，与常规p型双面掺杂硅薄膜相比，本发明的p型双面富硅碳化硅薄膜钝化效果与常规硅薄膜的钝化效果大致接近，或略有提高。
实施例3
本实施例提供一种n型双面富硅氧化硅钝化接触结构，其结构为n-SiOx/SiOx/n-Si/SiOx/n-SiOx，如图1所示。其制备流程为n型硅片6清洗，然后采用热硝酸法制备氧化硅层71，再采用化学气相沉积法双面沉积掺杂氧化硅薄膜(即掺杂硅化物薄膜72)，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、笑气(N2O)，最后经过800-950℃高温晶化退火。
利用Sinton测试，对得到的n型双面富硅氧化硅薄膜的钝化效果进行检测，与常规n型双面掺杂硅薄膜对比如下：
由结果可知，与常规n型双面掺杂硅薄膜相比，本发明的n型双面富硅氧化硅薄膜钝化效果与常规硅薄膜的钝化效果基本一致。
实施例4
本实施例提供一种p型双面富硅氧化硅钝化接触结构，其结构为p-SiOx/SiOx/p-Si/SiOx/p-SiOx，如图1所示。其制备流程为p型硅片6清洗，然后采用热硝酸法制备氧化硅层71，再采用化学气相沉积法双面沉积掺杂氧化硅薄膜(即掺杂硅化物薄膜72)，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、硼烷(B2H6)、氢气(H2)、笑气(N2O)，最后经过800-950℃高温晶化退火。
利用Sinton测试，对得到的p型双面富硅氧化硅薄膜的钝化效果进行检测，与常规p型掺杂硅薄膜对比如下：
由结果可知，与常规p型双面掺杂硅薄膜相比，本发明的p型双面富硅氧化硅薄膜钝化效果与常规硅薄膜的钝化效果基本一致。
实施例5
本实施例提供一种n型富硅碳化硅薄膜单面TOPCon电池，其结构为Ag/SiNx/Al2O3/p+发射极/n-Si/SiOx/n-SiCx/Ag，如图2所示。其制备流程为：n型硅片清洗，正面扩散形成掺杂层4和选择性发射极5；然后背面采用热硝酸法制备氧化硅层71，再采用化学气相沉积法背面沉积掺杂碳化硅薄膜(即掺杂硅化物薄膜72)，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、甲烷(CH4)，经过800-950℃高温晶化退火；再对已扩散掺杂的正面通过加热和涂覆形成钝化减反叠层(即Al2O3层3和介质防反射层2的叠层)；最后分别制备正面金属电极11和背面金属电极12，其中正面金属电极11形成金属栅线接受光能，而背面金属电极12为全覆盖不透光。
利用I-V测试，对上述得到的电池效率进行检测，与常规n型掺杂硅薄膜的单面TOPCon电池对比如下：
由上述结果可知，本发明的n型掺杂富硅碳化硅薄膜电池的开路电压、填充因子与常规电池比较接近，而短路电流、能量转换效率得到提高。
实施例6
本实施例提供一种n型硅化物薄膜双面TOPCon电池，其结构为Ag/SiNx/Al2O3/p+发射极/n-Si/SiOx/掺杂硅化物薄膜/SiNx/Ag，如图3所示，本实施例制备两种硅化物薄膜双面电池，即掺杂硅化物薄膜分别为掺杂富硅碳化硅或掺杂富硅氧化硅。其制备流程为：n型硅片清洗，双面制绒，正面扩散形成掺杂层4和选择性发射极5；然后背面抛光后采用热硝酸法制备氧化硅层71，进而采用化学气相沉积法背面沉积掺杂硅化物薄膜72，沉积过程通入的反应气体为硅烷(SiH3)、磷烷(PH3)、氢气(H2)、甲烷(CH4)或笑气(N2O)，经过800-950℃高温晶化退火；再对已掺杂的正面通过加热、涂覆形成钝化减反叠层(即Al2O3层3和介质防反射层2的叠层)，以及在背面涂覆制备介质防反射层2；最后双面金属化制备背电极和前电极，且正面金属电极11和背面金属电极12均形成金属栅线接受光能。
利用I-V测试，对上述得到的电池效率进行检测，与常规n型掺杂硅薄膜的双面TOPCon电池对比如下：
由上述结果可知，本发明的掺杂硅化物双面电池的能量转换效率得到提高。其中n型掺杂富硅碳化硅双面电池的效率提升主要来自于短路电流的增加。其中n型掺杂富硅氧化硅双面电池的填充因子虽然减小，但该填充因子的影响非常小，同时开路电压、短路电流和能量转换效率均提高，因此综合性能依然好于常规n型掺杂硅薄膜双面电池。
利用半导体参数仪对实施例1和实施例3制得的双面掺杂硅化物钝化接触结构的接触电阻率进行检测，并与常规掺杂硅薄膜对比，结果如下：
上述结果可知，本发明的掺杂硅化物薄膜的接触电阻率均达到常规掺杂硅薄膜的水平，接触电阻性能没有显著下降。
利用四探针测试对实施例1和实施例3制得的双面掺杂硅化物钝化接触结构的薄膜电阻率进行检测，结果如下：
上述结果可知，本发明的掺杂硅化物薄膜的薄膜电阻率均达到常规掺杂硅薄膜的水平，接触电阻性能没有显著下降。
利用Sinton测试，得到实施例1中富硅碳化硅薄膜在金属浆料烧结前后的J0变化，以此评估它的抗烧结性能，同时对烧结后的薄膜参照实施例5的方法制备单面电池，并对电池性能进行测试。与常规的硅薄膜对比如下：
由上述结果可知，本发明的掺杂硅化物薄膜烧结前后的钝化效果变化幅度远小于常规掺杂硅薄膜，即本发明的掺杂硅化物薄膜热稳定性更好，耐烧结，特别是对于TOPCon结构来说，本发明的掺杂硅化物薄膜能够避免金属浆料腐蚀过甚以致与硅片接触，因此能够降低接触部分的复合。
上述结果可知，本发明的掺杂硅化物薄膜烧结后制备的电池的整体性能高于常规掺杂硅薄膜烧结后制备的电池性能，并且与实施例5的电池性能相比，下降程度非常小，进一步说明本发明的掺杂硅化物薄膜耐烧结，可用于高温烧蚀电极的电池制备。
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 (8)
1.钝化接触结构，包括钝化接触基体，其特征在于，钝化接触基体相对的两表面分别集成有硅化物薄膜，两相对表面上的硅化物可以相同也可以不同，且硅化物薄膜中掺杂有硼、磷、铝、镓、氮中的至少一种元素，硅化物薄膜与钝化接触基体表面之间为氧化硅层，氧化硅层与硅化物薄膜形成TOPCON结构。
2.如权利要求1所述的钝化接触结构，其特征在于，所述硅化物薄膜的折射率为1～3。
3.如权利要求1所述的钝化接触结构，其特征在于，所述硅化物为富硅碳化硅或富硅氧化硅或富硅氮化硅，通过化学气相沉积法、蒸镀法、溅射法中的至少一种将硅化物集成于钝化接触基体表面。
4.如权利要求1所述的钝化接触结构，其特征在于，所述硅化物薄膜为n型掺杂的碳化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、磷烷、氢气、甲烷；为p型掺杂的碳化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、硼烷、氢气、甲烷。
5.如权利要求1所述的钝化接触结构，其特征在于，所述硅化物薄膜为n型掺杂的氧化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、磷烷、氢气和笑气或二氧化碳；为p型掺杂的氧化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、硼烷、氢气和笑气或二氧化碳。
6.如权利要求1所述的钝化接触结构，其特征在于，所述硅化物薄膜为n型掺杂的氮化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、磷烷、氢气、氨气；为p型掺杂的氮化硅薄膜时，反应气体采用硅烷、硼烷、氢气、氨气。
7.一种太阳电池，其特征在于，具有权利要求1～6任一项所述的钝化接触结构。
8.如权利要求7所述的太阳电池，其特征在于，制备步骤依次为钝化接触基体清洗，双面制绒，正面扩散，背面抛光，背面制备氧化硅，制备背面的掺杂硅化物薄膜，高温处理晶化，正面制备钝化减反层，制备背面减反膜，双面金属化形成金属电极。
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