CN110504332A - 一种perc电池的制备方法及双面选择性发射极perc电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：在制绒后的P型硅片的正面进行掺杂后，完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积；其特征在于，所述步骤还包括：在硅片背面钝化层上印刷掺硼硅浆料并烘干后，在印刷浆料的区域采用激光将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+发射极，同时形成线型开窗，采用清洗液将多余的掺硼硅浆料清除后进行二次烘干，在硅片上印刷正背面电极浆料，并进行高温烧结形成电极。本发明的双面选择性发射极PERC电池的制备方法，在印刷硼浆后加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量，且在激光后，增加了清洗去除多余掺硼硅浆料的步骤，提升了局部欧姆接触的质量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法以及采用该制备方法制备得到的双面选择性发射极PERC电池。
背景技术
太阳能光伏发电，由于其清洁、安全、便利及高效等特点，已成为全世界普遍关注和重点发展的新兴产业。
随着硅片的厚度越来越低，成本越来越低的同时会带来一些负面影响，一方面会导致少子更易扩散到硅片表面形成复合，另一方面会导致一部分长波绕射、透射过硅片，导致电池的转换效率降低。因此，兼备光学和电学优势的背表面钝化技术也越来越受到推崇。PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)也被称为发射极和背面钝化电池，相较于普通电池，其转换效率更高。
传统的选择性发射极工艺方案包括：整面喷涂掺杂源，激光局域掺杂，电镀栅线的工艺；丝网印刷磷源共扩散的工艺；丝印石蜡掩模两次扩散的工艺等等，这些选择性掺杂工艺都面临着工序复杂、不易量产的问题。
目前，正面的选择性发射极已可以通过扩散保磷源掺杂源，激光局域推进来实现。而背面的局部掺硼工艺则更难控制，传统技术一般通过在钝化层上局部开窗印上硼浆，再通过高温扩散推进来实现局部背面掺杂，这样的工艺不仅繁琐，而且多次的高温也会导致更多的晶格损伤，另外由于精度较差，并不能较好的实现双面电池的背面套印。鉴于上述缺点，本领域的技术人员研究了在硅片背面采用激光进行掺杂，但是现有的制备工艺得到的产品效果不好，良品率低，无法实现量产，所以目前并没有能够实现背面具有局部掺杂的选择性发射极PERC电池产品。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的双面选择性发射极PERC电池的制备方法，该制备方法的可量产化程度高，采用该方法制备得到的产品质量好。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：
1)取制绒后的P型硅片先进行轻掺杂形成N+轻掺杂区域，之后采用激光对硅片正面进行重掺杂形成局部N++重掺杂区域；
2)将经步骤1)后的硅片进行清洗，并完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积；
3)在硅片背面钝化层上印刷掺硼硅浆料并烘干；
4)采用激光在印刷区域将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+局部发射极，同时形成线型局域开窗；
5)采用清洗液将多余掺硼硅浆料清洗干净后二次烘干；
6)在硅片上印刷正背面电极浆料，并进行高温烧结形成电极。
优选地，步骤5)中所述清洗液为碱溶液，所述碱溶液的浓度为1wt％～3wt％。在激光后，增加了低浓度碱清洗步骤，能够提升产品的局部欧姆接触的质量。
具体的，所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，采用所述清洗液清洗时的温度为50℃～80℃，清洗时间为30s～60s。清洗时间和清洗温度都是为了保证能够将多余的掺硼硅浆料清楚干净又不会影响硅片本身的质量。
优选地，步骤3)中所述的掺硼硅浆料中硅元素的质量百分浓度为25％-40％，硼元素的浓度为4～9*E+20/cm3；所述掺硼硅浆料中硼硅原子比大于或等于0.90，以保证背面掺杂区域的方块电阻。
根据本发明的一些优选的实施方式，按质量百分比计，所述掺硼硅浆料包括如下组分：
纳米硅 20-40％
硼单质 10-20％
有机载体 40-70％
所述有机载体为松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、柠檬酸三丁酯、二乙二醇二丁醚中的一种或多种混合。传统制备工艺中的浆料会以氧化硼、硼化铝或硼酸为主体，本发明的一些实施例中采用纳米硅颗粒配合硼单质为主体，使得浆料的欧姆接触好，提高了最终产品的品质。
优选地，所述掺硼硅浆料在25℃下的粘度为40000-70000mPa·s；所述掺硼硅浆料中纳米硅的粒径为18-22nm。
优选地，步骤1)中所述N+轻掺杂区域的掺杂浓度为1～6*E+20/cm3，方块电阻为110～140Ω/口；所述N++重掺杂区域的掺杂浓度为1～4*E+20/cm3，方块电阻为50～80Ω/口。掺杂浓度的高低由测试结果得到。
优选地，步骤1)中所述激光的参数如下：激光器为532nm绿光激光器或355nm紫光激光器，激光功率为25～40W，激光频率为200～300KHz，激光运行速度为10～15m/s。
优选地，步骤2)中所述正面钝化层和正面减反层的总厚度为75～83nm，正面减反层的折射率为2.07～2.12；所述背面钝化层厚度为10～25nm，背面减反层厚度为70～100nm，背面减反层的折射率为2.07～2.12。
优选地，步骤4)中所述P+局部发射极的掺杂浓度为1～5*E+20/cm3，方块电阻为10～50Ω/口。
优选地，步骤1)中所述激光所形成的线型宽度为100～130um，步骤4)中所述激光所形成的线型宽度为30～50um。
优选地，步骤4)中所述激光的参数如下：激光器为532nm绿光激光器或355nm紫光激光器，激光功率为40～60W，激光频率为18000～24000KHz，激光运行速度为8～15m/s。将激光的功率以及频率增大，使得激光在进行硅片背面局部掺杂的同时能够实现背面钝化层的消融，达到硅片背面局部开窗的目的。
优选地，步骤3)中烘干的工艺参数为：烘干温度150～200℃，烘干时间5～10min；步骤5)中二次烘干的工艺参数为：烘干温度80～90℃，烘干时间8～10min。在印刷硼浆后加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量。
优选地，步骤6)中所述正面金属电极和背面金属电极为银、铝、铜、镍中的一种或几种构成。
本发明还提供了一种根据如上所述的制备方法制备得到的双面选择性发射极PERC电池，其电性能好，电池转化效率高，使用寿命长。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的双面选择性发射极PERC电池的制备方法，采用双面激光掺杂，可同时实现背面局域接触，该制备方法中在印刷硼浆后增加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量；在硅片背面进行激光后，增加了清洗去除多余掺硼硅浆料的步骤，提升了局部欧姆接触的质量，能够进一步提高的P型双面电池的效率和双面率，产品质量好，良品率高，可量产化程度高，制备方法所增加的设备及物料成本有限，与现有产线的结合程度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例1中双面选择性发射极PERC电池的制备流程示意图；
图2为本发明优选实施例1中制备得到的双面选择性发射极PERC电池的截面示意图；
附图中：正电极-1，正面减反层和钝化层-2，N++重掺杂区域-3，N+轻掺杂区域-4，P型硅片-5，P+发射极-6，背面钝化层-7，背电极-8，背面减反层-9。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例中的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：硅片正面掺杂
选用P型单晶硅片，先进行前清洗及表面制绒，再采用低压或常压扩散炉进行正面磷元素的轻掺杂形成N+轻掺杂区域，N+轻掺杂区域的掺杂浓度为3*E+20/cm3，方块电阻为120Ω/口。
采用激光对硅片正面进行重掺杂形成局部N++重掺杂区域，N++重掺杂区域的掺杂浓度为2*E+20/cm3，方块电阻为70Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器选用532nm绿光激光器，激光功率为30W，激光频率为250KHz，激光运行速度为13m/s，激光所形成的线型宽度为120um。
步骤S2：钝化层和减反层的沉积
将经步骤1)后的硅片进行清洗去除磷硅玻璃和边缘刻蚀，并完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积。
其中，正面钝化层和正面减反层的总厚度为78nm，正面减反层的折射率为2.10。背面钝化层厚度为18nm，背面减反层厚度为85nm，背面减反层的折射率为2.10。
步骤S3：硅片背面掺杂
在硅片的背面钝化层上局部印刷掺硼硅浆料并进行烘干。其中，掺硼硅浆料中硅元素的质量百分浓度为35％，硼元素的浓度为6*E+20/cm3。
步骤3)中烘干的工艺参数为：烘干温度180℃，烘干时间8min。在印刷硼浆后加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量。
传统制备工艺中的浆料会以氧化硼、硼化铝或硼酸为主体，本实施例中采用纳米硅颗粒配合硼单质为主体，使得浆料的欧姆接触好，提高了最终产品的品质。
本实施例中，100g的掺硼硅浆料包括30g的纳米硅、15g的硼单质以及55g的有机载体，其中有机载体为松油醇和乙基纤维素混合物，纳米硅的粒径为20nm。
将上述纳米硅、硼单质、松油醇和乙基纤维进行混合搅拌，得到掺硼硅浆料。掺硼硅浆料在25℃下的粘度为50000mPa·s。
步骤S4：形成P+局部发射极
在印刷有掺硼硅浆料的区域采用激光将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+局部发射极，同时形成线型局域开窗。其中，P+局部发射极的掺杂浓度为3*E+20/cm3，方块电阻为30Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器为532nm绿光激光器，激光功率为50W，激光频率为21000KHz，激光运行速度为12m/s，激光所形成的线型宽度为40um。
步骤S5：清除多余掺硼硅浆料
采用清洗液将多余掺硼硅浆料清洗干净后二次烘干。在激光后，采用低浓度碱清洗液进行清洗，以将多余掺硼硅浆料去除，提升局部欧姆接触的质量。
其中，清洗液为低浓度碱溶液，本实施例中碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，浓度为2wt％，清洗时的温度为65℃，清洗时间为45s。
步骤5)中二次烘干的工艺参数为：烘干温度85℃，烘干时间9min。
步骤S6：印刷电极
在硅片正面及背面激光区域精准套印银或者铝栅线，最后再经过760℃左右峰值温度的高温烧结，形成双面电池的正、背面电极，制备得到如图2所示的双面选择性发射极PERC电池。其中正面金属电极和背面金属电极为银、铝、铜、镍中的一种或几种构成。本实施例中的正面金属电极为银，背面金属电极为铝。
实施例2
如图1所示，本实施例中的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：硅片正面掺杂
选用P型单晶硅片，先进行前清洗及表面制绒，再采用低压或常压扩散炉进行正面磷元素的轻掺杂形成N+轻掺杂区域，N+轻掺杂区域的掺杂浓度为1*E+20/cm3，方块电阻为110Ω/口。
采用激光对硅片正面进行重掺杂形成局部N++重掺杂区域，N++重掺杂区域的掺杂浓度为2*E+20/cm3，方块电阻为50Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器选用532nm绿光激光器，激光功率为25W，激光频率为200KHz，激光运行速度为10m/s，激光所形成的线型宽度为100um。
步骤S2：钝化层和减反层的沉积
将经步骤1)后的硅片进行清洗去除磷硅玻璃和边缘刻蚀，并完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积。
其中，正面钝化层和正面减反层的总厚度为75nm，正面减反层的折射率为2.07。背面钝化层厚度为10nm，背面减反层厚度为70nm，背面减反层的折射率为2.07。
步骤S3：硅片背面掺杂
在硅片的背面钝化层上局部印刷掺硼硅浆料并进行烘干。其中，掺硼硅浆料中硅元素的质量百分浓度为25％，硼元素的浓度为4*E+20/cm3。
步骤3)中烘干的工艺参数为：烘干温度150℃，烘干时间10min。在印刷硼浆后加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量。
传统制备工艺中的浆料会以氧化硼、硼化铝或硼酸为主体，本实施例中采用纳米硅颗粒配合硼单质为主体，使得浆料的欧姆接触好，提高了最终产品的品质。
本实施例中，100g的掺硼硅浆料包括20g的纳米硅、10g的硼单质以及70g的有机载体，其中有机载体为松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、柠檬酸三丁酯、二乙二醇二丁醚组成的混合物，纳米硅的粒径为18nm。
将上述纳米硅、硼单质、有机载体进行混合搅拌，得到掺硼硅浆料。掺硼硅浆料在25℃下的粘度为40000mPa·s。
步骤S4：形成P+局部发射极
在印刷有掺硼硅浆料的区域采用激光将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+局部发射极，同时形成线型局域开窗。其中，P+局部发射极的掺杂浓度为1*E+20/cm3，方块电阻为10Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器为532nm绿光激光器，激光功率为40W，激光频率为18000KHz，激光运行速度为8m/s，激光所形成的线型宽度为30um。
步骤S5：清除多余掺硼硅浆料
采用清洗液将多余掺硼硅浆料清洗干净后二次烘干。在激光后，采用低浓度碱清洗液进行清洗，以将多余掺硼硅浆料去除，提升局部欧姆接触的质量。
其中，清洗液为低浓度碱溶液，本实施例中碱溶液为氢氧化钠溶液，浓度为1wt％，清洗时的温度为80℃，清洗时间为30s。
步骤5)中二次烘干的工艺参数为：烘干温度80℃，烘干时间10min。
步骤S6：印刷电极
在硅片正面及背面激光区域精准套印银或者铝栅线，最后再经过760℃左右峰值温度的高温烧结，形成双面电池的正、背面电极，制备得到如图2所示的双面选择性发射极PERC电池。其中正面金属电极和背面金属电极为银、铝、铜、镍中的一种或几种构成。本实施例中的正面金属电极为银，背面金属电极为铝。
实施例3
如图1所示，本实施例中的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：硅片正面掺杂
选用P型单晶硅片，先进行前清洗及表面制绒，再采用低压或常压扩散炉进行正面磷元素的轻掺杂形成N+轻掺杂区域，N+轻掺杂区域的掺杂浓度为6*E+20/cm3，方块电阻为140Ω/口。
采用激光对硅片正面进行重掺杂形成局部N++重掺杂区域，N++重掺杂区域的掺杂浓度为4*E+20/cm3，方块电阻为80Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器选用532nm绿光激光器，激光功率为40W，激光频率为300KHz，激光运行速度为15m/s，激光所形成的线型宽度为130um。
步骤S2：钝化层和减反层的沉积
将经步骤1)后的硅片进行清洗去除磷硅玻璃和边缘刻蚀，并完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积。
其中，正面钝化层和正面减反层的总厚度为83nm，正面减反层的折射率为2.12。背面钝化层厚度为25nm，背面减反层厚度为100nm，背面减反层的折射率为2.12。
步骤S3：硅片背面掺杂
在硅片的背面钝化层上局部印刷掺硼硅浆料并进行烘干。其中，掺硼硅浆料中硅元素的质量百分浓度为40％，硼元素的浓度为9*E+20/cm3。
步骤3)中烘干的工艺参数为：烘干温度200℃，烘干时间5min。在印刷硼浆后加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量。
传统制备工艺中的浆料会以氧化硼、硼化铝或硼酸为主体，本实施例中采用纳米硅颗粒配合硼单质为主体，使得浆料的欧姆接触好，提高了最终产品的品质。
本实施例中，100g的掺硼硅浆料包括40g的纳米硅、20g的硼单质以及40g的有机载体，其中有机载体为松油醇、乙基纤维素组成的混合物，纳米硅的粒径为22nm。
将上述纳米硅、硼单质、松油醇和乙基纤维进行混合搅拌，得到掺硼硅浆料。掺硼硅浆料在25℃下的粘度为70000mPa·s。
步骤S4：形成P+局部发射极
在印刷有掺硼硅浆料的区域采用激光将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+局部发射极，同时形成线型局域开窗。其中，P+局部发射极的掺杂浓度为5*E+20/cm3，方块电阻为50Ω/口。
该步骤中激光的参数如下：激光器为355nm紫光激光器，激光功率为60W，激光频率为24000KHz，激光运行速度为15m/s，激光所形成的线型宽度为50um。
步骤S5：清除多余掺硼硅浆料
采用清洗液将多余掺硼硅浆料清洗干净后二次烘干。在激光后，采用低浓度碱清洗液进行清洗，以将多余掺硼硅浆料去除，提升局部欧姆接触的质量。
其中，清洗液为低浓度碱溶液，本实施例中碱溶液为氢氧化钾溶液，浓度为3wt％，清洗时的温度为80℃，清洗时间为30s。
步骤5)中二次烘干的工艺参数为：烘干温度90℃，烘干时间8min。
步骤S6：印刷电极
在硅片正面及背面激光区域精准套印银或者铝栅线，最后再经过760℃左右峰值温度的高温烧结，形成双面电池的正、背面电极，制备得到如图2所示的双面选择性发射极PERC电池。其中正面金属电极和背面金属电极为银、铝、铜、镍中的一种或几种构成。本实施例中的正面金属电极为银，背面金属电极为铝。
对比例1
本对比例为传统的PERC电池，其背面没有进行掺杂。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，区别点在于本对比例中在硅片的背面钝化层上局部印刷掺硼硅浆料后直接进行激光操作以形成P+局部发射极，即印刷掺硼硅浆料后没有烘干操作，在形成P+局部发射极后也不进行低浓度碱清洗，而直接进行丝印和烧结。其余步骤与实施例1一致。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同，区别点在于本对比例中在硅片的背面钝化层上局部印刷的掺硼硅浆料为采购的传统工艺制备的以氧化硼、硼化铝或硼酸为主体的掺硼硅浆料，而非本发明中的以纳米硅颗粒配合硼单质为主体的掺硼硅浆料。其余步骤与实施例1一致。
实施例4结果与讨论
将实施例1的电池片与对比例1、对比例2和对比例3中制备得到的电池片进行电性能测试，结果见表1。
表1电性能测试检测结果
其中，Uoc为开路电压，Isc为短路电流，Uoc越大越好，Isc越大越好，Eta为转化效率，FF为填充因子，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，Irev2为反向电流(-12V)，Eff为电池的转化效率。
从表1的电性能测试结果可以得出：实施例1制备得到的电池片相对于传统的PERC电池以及对比例2和3制备得到的电池，在各项电性能上均有增益，实施例1的电池片产品效果好，良品率高。
由于硼在硅中的固溶度并不高，传统高温硼扩散需要达到1000℃以上才能实现较好扩散，但是长时间高温势必会带来更多的晶格以及钝化层的损伤，而且较长的工艺时间，较大的设备空间并不易于简便升级量产推广。所以本发明中采用激光在硅片正背面进行掺杂，可同时实现背面局域接触，该制备方法中在印刷硼浆后增加了烘干步骤，进一步提高了激光的对准精度，提升了产品的质量；在硅片背面进行激光后，增加了清洗去除多余掺硼硅浆料的步骤，提升了局部欧姆接触的质量，能够进一步提高的P型双面电池的效率和双面率，产品质量好，良品率高，可量产化程度高，制备方法所增加的设备及物料成本有限，与现有产线的结合程度高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，包括以下步骤：在制绒后的P型硅片的正面进行掺杂后，完成背面钝化层、背面减反层以及正面钝化层、正面减反层的沉积；其特征在于，所述步骤还包括：在硅片背面钝化层上印刷掺硼硅浆料并烘干后，在印刷浆料的区域采用激光将硼驱入硅片的硅基体内，形成P+发射极，同时形成线型开窗，采用清洗液将多余的掺硼硅浆料清除后进行二次烘干，在硅片上印刷正背面电极浆料，并进行烧结形成电极。
2.根据权利要求1所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于：所述清洗液为碱溶液，所述碱溶液的浓度为1wt％～3wt％。
3.根据权利要求2所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求1所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，采用所述清洗液清洗时的温度为50℃～80℃，清洗时间为30s～60s。
5.根据权利要求1所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，所述掺硼硅浆料中硅元素的质量百分浓度为25％～40％，硼元素的浓度为4～9*E+20/cm3；所述掺硼硅浆料中硼硅原子比大于或等于0.90。
6.根据权利要求5所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法其特征在于，按质量百分比计，所述掺硼硅浆料包括如下组分：
纳米硅 20-40％
硼单质 10-20％
有机载体 40-70％
所述有机载体为松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、柠檬酸三丁酯、二乙二醇二丁醚中的一种或多种混合。
7.根据权利要求6所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，所述掺硼硅浆料在25℃下的粘度为40000-70000mPa·s；所述掺硼硅浆料中纳米硅的粒径为18-22nm。
8.根据权利要求1所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，所述P+发射极中的掺杂浓度为1～5*E+20/cm3，方块电阻为10～50Ω/口。
9.根据权利要求1所述的一种双面选择性发射极PERC电池的制备方法，其特征在于，所述激光的参数如下：激光器为532nm绿光激光器或355nm紫光激光器，激光功率为40～60W，激光频率为18000～24000KHz，激光运行速度为8～15m/s。
10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备得到的双面选择性发射极PERC电池。
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