CN110112243A - 太阳能电池的背面钝化结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能电池的背面钝化结构及其制备方法，背面钝化结构设置于所述太阳能电池的硅片衬底背面；背面钝化结构包括叠层钝化介质层；具体包括自所述背面的表面依次向外设置的第一氧化硅膜层、氧化铝钝化膜层、第一氮化硅减反射层、第二氧化硅膜层，本发明通过在硅片衬底与氧化铝之间引入氧化硅，有利于增强氧化铝固定负电荷，增强了氧化铝的场钝化和化学钝化效果；而氧化铝层叠加高折射率氮化硅，和高折射率氮化硅上的低折射率膜层设计提升钝化效果，同时光学上也能降低光的反射率，从而有效提升电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别涉及一种太阳能电池的背面钝化结构及其制备方法。
背景技术
商品化的太阳电池市场85％以上仍被晶体硅太阳电池产品占据，围绕效率与成本构成的性价比竞争十分激烈。单晶硅电池主要有P型和N型两种不同衬底的产品，由于在衬底价格、非硅成本方面的成本优势，目前的主要市场产品仍以P型单晶硅太阳能电池为主。如何以少量的投入，引入新的工艺增加电池光电转换效率是P型单晶硅太阳能电池的研究方向。
近年来，表面钝化是晶硅电池的研究热点。无论是P型还是N型单晶硅太阳能电池，在电池的前表面、背表面制备钝化介质，是高效电池技术开展的基础，也是提高太阳能电池光电转换效率的有效途径之一。PECVD设备是晶硅电池生产线最常用的真空镀膜设备，可以低温制备具有减反射和钝化特性的SiNx薄膜，用于晶硅电池正面发射极钝化。背面用的钝化薄膜需要具备负电荷特性，因此氮氧化硅 SiOxNy薄膜是在常规制备氮化硅SiNx薄膜的PECVD设备基础上增加一路气体-笑气N2O，沉积得到带有负电荷特性的氮氧化硅钝化薄膜。
近来，原子层沉积(ALD)技术制备的金属氧化物薄膜对晶体硅具有优异钝化特性，激起了业界对这种表面钝化材料和工艺技术的浓厚兴趣。ALD制备的氧化铝薄膜在p型和n型硅表面都表现了优异的钝化特性，而且在低掺杂和高掺杂p型表面具有很好的热稳定性，这一点对于采用丝网印刷技术生产的太阳能电池来说尤为重要。
目前，叠层氧化物钝化介质层的研究处于市场化初期阶段，各种类型的叠层钝化介质层研究成为研究热点，具有高效钝化薄膜的高效率电池产品也陆续推出。PERC电池背面钝化膜采用4～20nm氧化铝和70～100nm的单层氮化硅膜层结构，氧化铝可以钝化硅片表面，氮化硅膜层既可以降低硅片表面对光的反射率，又可以利用所含有的氢原子对硅片表面的悬挂键等缺陷进行钝化，减少了表面复合。目前大多数企业的常规PERC背钝化膜层结构为4～20nm的氧化铝和 100～130nm的氮化硅结构，背面硅与氧化铝间存在一定的界面密度，不利于表面钝化。并且高膜厚单层氧化硅的不利光的吸收。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳能电池的背面钝化结构，所述背面钝化结构设置于所述太阳能电池的硅片衬底背面；
所述背面钝化结构包括叠层钝化介质层；
所述叠层钝化介质层包括自所述背面的表面依次向外设置的第一氧化硅膜层、氧化铝钝化膜层、第一氮化硅减反射层、第二氧化硅膜层。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述第一氮化硅减反射层包括自所述背面的表面依次向外设置的第一折射率氮化硅减反射层和第二折射率氮化硅减反射层；
所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率高于所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述第一折射率氮化硅减反射层的膜层厚度为30～60nm；
所述第二折射率氮化硅减反射层的膜层厚度为20～40nm。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率为2.15～2.25；
所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率为2.05～2.10。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述第一氧化硅膜层的膜层厚度为1～5nm；所述第二氧化硅膜层的膜层厚度为10～30nm。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述氧化铝钝化膜层的膜层厚度为5～20nm。
另一方面，本发明还提供了上述太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，所述制备方法具有以下步骤：
S1、将太阳能电池的硅片衬底在碱制绒设备上进行前处理，在硅片衬底的背面形成抛光面；
S2、在所述硅片衬底的背面形成第一氧化硅膜层；
S3、在所述第一氧化硅膜层上形成氧化铝钝化膜层；
S4、在所述氧化铝钝化膜层上形成第一氮化硅减反射层；
S5、在所述第一氮化硅减反射层上形成第二氧化硅膜层。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4具体包括：在所述氧化铝钝化膜层上自所述氧化铝钝化膜层的表面依次向外形成第一折射率氮化硅减反射层和第二折射率氮化硅减反射层；
所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率高于所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4具体包括：
S401、将沉积有氧化铝钝化膜层的硅片衬底放入化学气相沉积设备，通入氮气5～10slm，通入时间维持3～5min；
S402、升高温度至450～550℃，氮气流量为5～10slm，升温时间为5～10min；
S403、进行抽真空和测试真空度的操作；
S404、在所述氧化铝钝化膜层的表面沉积第一层氮化硅减反射层；通入硅烷流量800～1500sccm，氨气3.5～6slm，沉积时间5～10min；
S405、在所述第一层氮化硅减反射层的表面沉积第二层氮化硅减反射层；通入硅烷流量500～1000sccm，氨气6～10slm，沉积时间 3～6min；
S406、在所述第二层氮化硅减反射层上沉积第二氧化硅膜层；
S407、将硅片衬底取出化学气相沉积设备，完成背面钝化介质层的制备。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S406具体包括：在沉积第二氧化硅膜层时，通入硅烷流量400～1000sccm，笑气 4000～8000sccm，沉积时间10～30min。
作为本发明实施方式的进一步改进，将太阳能电池的硅片衬底在碱制绒设备上进行前处理，在硅片衬底的背面形成抛光面具体包括进行双面抛光、清洗、热风烘干。
作为本发明实施方式的进一步改进，将所述硅片衬底放入原子层沉积设备真空腔室中样品架上真空度保持在600-800pa，腔室温度为 300℃，进行预热处理。
作为本发明实施方式的进一步改进，往原子层沉积设备真空腔室内依次通入铝的金属有机源和水，进行单原子层周期生长，在所述硅片衬底的表面形成一层均匀的氧化铝钝化薄膜。
作为本发明实施方式的进一步改进，取出硅片衬底放入等离子体增强化学气相沉积设备，PE起辉功率控制在5500w-6200w，压强控制在900-1200mTor，通入不同流量的氨气NH3、硅烷SiH4和笑气 N2O，沉积SiOxNy薄膜，SiOxNy薄膜的厚度范围为20～50nm。
本发明相比现有的钝化工艺，具有如下有益效果，
1、本发明在硅与氧化铝之间引入一层1～5nm的氧化硅，有利于增强氧化铝固定负电荷的作用，从而增强了氧化铝的场钝化和化学钝化效果；
2、本发明氧化铝层叠加高折射率氮化硅，提升钝化效果，高折射率氮化硅上的低折射率膜层设计，即低折射率氮化硅/氧化硅，增加膜层中的氢原子含量，提升钝化效果，同时光学上也能降低光的反射率，从而有效提升电池的转换效率。
3、本发明的电池转换效率提升0.05％～0.1％，同时背表面的钝化方法也可试用在双面电池结构中。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的具有背面钝化结构的太阳能电池；
图中示例表示为：1-衬底；11-背面；12-正面；2-叠层钝化介质层；21-第一氧化硅膜层；22-氧化铝钝化膜层；23-第一氮化硅减反射层；231-第一折射率氮化硅减反射层；232-第二折射率氮化硅减反射层；24-第二氧化硅膜层；3-铝背场；4-发射极；5-第三氧化硅膜层；6-第二氮化硅减反射层；7-银电极。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明实施例具体公开了一种太阳能电池的背面钝化结构，如图 1所示，背面钝化结构设置于太阳能电池的硅片衬底1背面11；
背面钝化结构包括叠层钝化介质层2；
叠层钝化介质层2包括自背面11的表面依次向外设置的第一氧化硅膜层21、氧化铝钝化膜层22、第一氮化硅减反射层23、第二氧化硅膜层24。
其中，第一氮化硅减反射层23包括自背面11的表面依次向外设置的第一折射率氮化硅减反射层231和第二折射率氮化硅减反射层 232；
第一折射率氮化硅减反射层231的折射率高于第二折射率氮化硅减反射层的折射率232。具体地，在本发明实施例中，所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率为2.15～2.25；所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率为2.05～2.10。
具体地，第一折射率氮化硅减反射层231的膜层厚度为30～60nm；
优选地，第二折射率氮化硅减反射层232的膜层厚度为20～40nm。
在本发明实施例中，第一氧化硅膜层21的膜层厚度为1～5nm；第二氧化硅膜层24的膜层厚度为10～30nm。
优选地，氧化铝钝化膜层22的膜层厚度为5～20nm。
在本发明实施例中，硅片衬底1，具有正面12和背面11；背面 11的第二氧化硅膜层24的外侧设置有铝背场3或铝栅线；自硅片衬底1的正面12的表面依次向外设置有发射极4、第三氧化硅膜层5、第二氮化硅减反射层6和穿设所述发射极4、第三氧化硅膜层5和第二氮化硅减反射层6并向外延伸的银电极7。
另一方面，本发明还提供了上述太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，制备方法具有以下步骤：
S1、将太阳能电池的硅片衬底在碱制绒设备上进行前处理，在硅片衬底的背面形成抛光面；具体地，前处理步骤包括进行双面抛光、清洗、热风烘干；
S2、在硅片衬底的背面形成第一氧化硅膜层；
S3、在第一氧化硅膜层上形成氧化铝钝化膜层；
S4、在氧化铝钝化膜层上形成第一氮化硅减反射层；具体地，在所述氧化铝钝化膜层上自所述氧化铝钝化膜层的表面依次向外形成第一折射率氮化硅减反射层和第二折射率氮化硅减反射层；
其中，第一折射率氮化硅减反射层的折射率高于第二折射率氮化硅减反射层的折射率；
S5、在第一氮化硅减反射层上形成第二氧化硅膜层。
具体地，步骤S4包括：
S401、将沉积有氧化铝钝化膜层的硅片衬底放入化学气相沉积设备，通入氮气5～10slm，通入时间维持3～5min；
S402、升高温度至450～550℃，氮气流量为5～10slm，升温时间为5～10min；
S403、进行抽真空和测试真空度的操作；
S404、在氧化铝钝化膜层的表面沉积第一层氮化硅减反射层；通入硅烷流量800～1500sccm，氨气3.5～6slm，沉积时间5～10min；
S405、在第一层氮化硅减反射层的表面沉积第二层氮化硅减反射层；通入硅烷流量500～1000sccm，氨气6～10slm，沉积时间3～6min；
S406、在所述第二层氮化硅减反射层上沉积第二氧化硅膜层；
S407、将硅片衬底取出化学气相沉积设备，完成背面钝化介质层的制备。
其中，步骤S406具体包括：在沉积第二氧化硅膜层时，通入硅烷流量400～1000sccm，笑气4000～8000sccm，沉积时间10～30min。
在本发明实施例中，真空保持的条件具体为，将所述硅片衬底放入原子层沉积设备真空腔室中样品架上真空度保持在600-800pa，腔室温度为300℃，进行预热处理；
具体地，往原子层沉积设备真空腔室内依次通入铝的金属有机源和水，进行单原子层周期生长，在硅片衬底的表面形成一层均匀的氧化铝钝化薄膜；
可选地，钝化膜的制备具体条件还可以为，取出硅片衬底放入等离子体增强化学气相沉积设备，PE起辉功率控制在5500w-6200w，压强控制在900-1200mTor，通入不同流量的氨气NH3、硅烷SiH4和笑气N2O，沉积SiOxNy薄膜，SiOxNy薄膜的厚度范围为20～50nm。
本发明相比现有的钝化工艺，具有如下有益效果，
1、本发明在硅与氧化铝之间引入一层1～5nm的氧化硅，有利于增强氧化铝固定负电荷的作用，从而增强了氧化铝的场钝化和化学钝化效果；
2、本发明氧化铝层叠加高折射率氮化硅，提升钝化效果，高折射率氮化硅上的低折射率膜层设计，即低折射率氮化硅/氧化硅，增加膜层中的氢原子含量，提升钝化效果，同时光学上也能降低光的反射率，从而有效提升电池的转换效率。
3、本发明的电池转换效率提升0.05％～0.1％，同时背表面的钝化方法也可试用在双面电池结构中。
Claims (10)
1.一种太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述背面钝化结构设置于所述太阳能电池的硅片衬底背面；
所述背面钝化结构包括叠层钝化介质层；
所述叠层钝化介质层包括自所述背面的表面依次向外设置的第一氧化硅膜层、氧化铝钝化膜层、第一氮化硅减反射层、第二氧化硅膜层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述第一氮化硅减反射层包括自所述背面的表面依次向外设置的第一折射率氮化硅减反射层和第二折射率氮化硅减反射层；
所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率高于所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述第一折射率氮化硅减反射层的膜层厚度为30～60nm；
所述第二折射率氮化硅减反射层的膜层厚度为20～40nm。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率为2.15～2.25；
所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率为2.05～2.10。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述第一氧化硅膜层的膜层厚度为1～5nm；所述第二氧化硅膜层的膜层厚度为10～30nm。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池的背面钝化结构，其特征在于，所述氧化铝钝化膜层的膜层厚度为5～20nm。
7.一种太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法具有以下步骤：S1、将太阳能电池的硅片衬底在碱制绒设备上进行前处理，在硅片衬底的背面形成抛光面；
S2、在所述硅片衬底的背面形成第一氧化硅膜层；
S3、在所述第一氧化硅膜层上形成氧化铝钝化膜层；
S4、在所述氧化铝钝化膜层上形成第一氮化硅减反射层；
S5、在所述第一氮化硅减反射层上形成第二氧化硅膜层。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：在所述氧化铝钝化膜层上自所述氧化铝钝化膜层的表面依次向外形成第一折射率氮化硅减反射层和第二折射率氮化硅减反射层；
所述第一折射率氮化硅减反射层的折射率高于所述第二折射率氮化硅减反射层的折射率。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S401、将沉积有氧化铝钝化膜层的硅片衬底放入化学气相沉积设备，通入氮气5～10slm，通入时间维持3～5min；
S402、升高温度至450～550℃，氮气流量为5～10slm，升温时间为5～10min；
S403、进行抽真空和测试真空度的操作；
S404、在所述氧化铝钝化膜层的表面沉积第一层氮化硅减反射层；通入硅烷流量800～1500sccm，氨气3.5～6slm，沉积时间5～10min；
S405、在所述第一层氮化硅减反射层的表面沉积第二层氮化硅减反射层；通入硅烷流量500～1000sccm，氨气6～10slm，沉积时间3～6min；
S406、在所述第二层氮化硅减反射层上沉积第二氧化硅膜层；
S407、将硅片衬底取出化学气相沉积设备，完成背面钝化介质层的制备。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池的背面钝化结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S406具体包括：在沉积第二氧化硅膜层时，通入硅烷流量400～1000sccm，笑气4000～8000sccm，沉积时间为10～30min。
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