CN111029436A - 可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池的制作方法，包括如下步骤：步骤S1，表面织构；步骤S2，高温磷扩散；步骤S3，周边刻蚀及背面抛光；步骤S4，正、背面二氧化硅层制备；步骤S5，背面氧化铝层制备；步骤S6，背面碳氮化硅层制备；步骤S7，背面氮氧化硅叠层制备；步骤S8，正面氮氧化硅层制备；步骤S9，背面激光开槽；步骤S10，正、背面电极制备。本发明通过改变电池膜层结构、制作原材料及相应的工艺优化方法来减少氢源来源，降低太阳能电池片中的多余氢原子，达到改善太阳能电池LeTID现象的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种P型单晶PERC电池及其制作方法，具体涉及一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池及其制作方法，属于太阳能电池生产制造技术领域。
背景技术
近年来，光伏行业的主流产品是掺硼P型单晶PERC（PassivatedEmmiter and RearCell，也称钝化发射极和背面电池）太阳能电池，但该主流产品存在不同程度的光致衰减（LID，Light Induced Degradation）和光热衰减（LeTID，Light and elevatedTemperature Induced Degradation）现象。光致衰减和光热衰减是指在一定高温和光照条件下，PERC电池具有明显的效率衰减现象，严重影响太阳能电池的发电量。目前行业内主要是通过各种工艺优化方法改善PERC电池的LID；但是针对LeTID的改善优化方法却很少，致使掺硼P型PERC太阳能电池中LeTID严重的有时会超过10%左右，严重制约P型单晶PERC电池的发展。
一般理论认为，光热衰减主要是由于电池片中存在多余的氢原子、硅片缺陷及金属杂质等几种因素综合造成的，其中电池片中多余的氢原子是最主要因素。多余的氢越多，衰减越严重，从而导致电池和组件效率下降。为了改善这一问题，目前有两个研究方向：一种是采用低缺陷高质量硅片，但会导致制造成本大幅增加，不符合光伏行业降本提效发展趋势；另一种是尽可能减少电池片中氢的含量，但现有电池制作工序并不能减少氢含量，因为在利用PECVD法沉积正面SiNx薄膜及背面沉积AlOx/SiNx叠层膜时，都会有大量的氢源引入，最终导致电池片中出现多余的氢原子，产生严重的LeTID现象。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池及其制作方法，通过改变电池膜层结构、制作原材料及相应的工艺优化方法来减少氢源来源，降低太阳能电池片中的多余氢原子，达到改善太阳能电池LeTID现象的技术效果。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤S1，表面织构：利用低浓度碱溶液对硅片在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在P型硅片表面腐蚀形成形成金字塔状表面形貌，其中，反应碱溶液：1.0-1.5wt%的NaOH，反应时间:200-400s，温度:70-90℃，反射率：11-12%；
步骤S2，高温磷扩散：用氮气通过恒温的液态源瓶，把扩散源三氯氧磷带入高温扩散炉中，同时通入足量的氧气，经过反应后磷原子扩散进入P型硅片内部，形成N型杂质分布，得到PN结，其中，氮气流量：500-800sccm，氧气流量：600-1000sccm，反应时间：80-100min，温度：700-800℃，扩散方阻：110-130欧姆，再采用激光掺杂方法在正面电极区域形成重掺区，方阻为：90-100欧姆；
步骤S3，周边刻蚀及背面抛光：利用HF酸液对扩散后的硅片背面和边缘进行腐蚀,去除边缘的N型硅,使得硅片的正、背表面相互绝缘，使用KOH和抛光添加剂对硅片背面进行抛光处理，背面反射率：40-45%；
步骤S4，二氧化硅层制备：采用热氧化方法在正、背面各沉积一层二氧化硅薄膜，其中，氧气流量：1000-2000sccm，压力：100-300pa，热氧化温度：600-700℃，时间：10-30min；
步骤S5，背面氧化铝层制备：常压条件下使用原子层沉积法（ALD）在硅片背面制备氧化铝薄膜，其中，温度：180-250℃，三甲基铝：2.5-3.5mg/L，纯水：40-60mg/L；
步骤S6，背面碳氮化硅层制备：采用按比例均匀混合的SiH4、CH4和NH3，并使用PECVD法并在硅片背面沉积一层碳氮化硅薄膜；
步骤S7，背面氮氧化硅叠层制备：采用按比例均匀混合的SiH4、NH3和N2O，并使用PECVD法在硅片背面沉积一层氮氧化硅薄膜；
步骤S8，正面氮氧化硅层制备：使用PECVD法在硅片正面沉积一层SixOyNz膜，其中，N2O流量：200-800sccm，SiH4流量：1000-2000sccm，NH3流量：3500-5000sccm，沉积温度：450-550℃，沉积时间：500-700s；
步骤S9，背面激光开槽：利用激光相融原理进行背面叠层钝化膜局部开槽，背面激光图形参数为：光斑直径：20-50μm，激光线间距：500-900μm；
步骤S10，正、背面电极制备：采用丝网印刷法制备正、背面电极，并收集电流，再经过烧结，制得P型单晶PERC电池。
进一步地，根据本发明的制作方法，步骤S5中制备的氧化铝薄膜厚度为3-10nm，折射率为1.65。
进一步地，根据本发明的制作方法，步骤S6中制备的碳氮化硅薄膜厚度为20nm，折射率为2.15。
进一步地，根据本发明的制作方法，步骤S7中制备的氮氧化硅薄膜厚度为110nm，折射率为2.10。
进一步地，根据本发明的制作方法，步骤S8中制备的SixOyNz膜厚度为75-85m，折射率为2.06-2.15。
根据本发明的另一方面，提供了一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池，使用上述的制作方法制作而成。
与已有技术相比，通过本发明制作方法制备的P型单晶PERC电池具有如下有益效果：
1.正面采用二氧化硅/氮氧化硅膜层结构，增加非氢源反应气体，减少含氢源气体的使用量，从而降低电池片中的多余氢原子，达到改善电池片LeTID现象的效果；
2.正面的二氧化硅/氮氧化硅膜层折射率可调控，可吸收更多入射光，增加光生载流子，提高电池短路电流；
3.背面的氧化铝膜层采用ALD方式制备，与常规PECVD法相比，通过高纯氮气（纯度：5-6N）携带反应气体以脉冲式交替地通入反应腔中，并以单个原子层逐渐沉积生长氧化铝薄膜，原子排列更加紧密，间隙空间更小，制备的整个氧化铝薄膜更加均匀致密，可以有效阻挡多余氢原子进入电池片中，同时可以起到很好的场钝化效果；
4.背面采用碳氮化硅/氮氧化硅膜层代替原来的氮化硅膜层，引入非氢源反应气体，减少含氢源气体的使用量，从而降低了电池片中多余氢原子含量，显著改善了电池片的LeTID现象。
附图说明
图1是本发明制作方法流程图；
图2是本发明电池结构示意图；
其中，部件说明如下：
11、正面电极；2、正面氮氧化硅层；3、正面二氧化硅层；4、硅片基底；5、背面二氧化硅膜层；6、背面氧化铝层；7、背面碳氮化硅层；8、背面氮氧化硅层；9、背面电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
实施例1
步骤S1，表面织构，也称碱制绒，即利用碱溶液对硅片基底4进行腐蚀，在硅片基底4的表面腐蚀形成形成金字塔状表面形貌，其中，反应碱溶液：1.2wt%NaOH，反应时间:400s，温度:80℃，处理后的反射率：11%；
步骤S2，高温磷扩散，用氮气通过恒温的液态源瓶，把扩散源三氯氧磷带入高温扩散炉中，同时通入足量的氧气，经过反应后磷原子扩散进入P型硅片内部，形成N型杂质分布，得到PN结，其中，氮气流量：700sccm，氧气流量：800sccm，反应时间：88min，温度：800℃，扩散方阻：120欧姆；再激光掺杂方法在正面电极区域形成重掺区，方阻为：95欧姆；
步骤S3，周边刻蚀及背面抛光，采用浓度为49%的HF酸液对步骤2扩散后的硅片背面和边缘进行腐蚀,再使用浓度为45%的KOH和抛光添加剂对硅片背面进行抛光处理，减重：0.25g，背面反射率：42%；
步骤S4，二氧化硅层制备：采用热氧化方法在正、背面沉积一层二氧化硅薄膜，其中，氧气流量：1000-2000sccm，压力：100-300pa，热氧化温度：600-700℃，时间：10-30min；制备的二氧化硅层厚度：2-5nm；
步骤S5，背面氧化铝层制备：使用ALD法制备氧化铝薄膜，其中，温度：200℃，三甲基铝（TMA）：3.5mg/L；纯水（DI Water）：50mg/L；制备的氧化铝薄膜厚度4.5nm，折射率：1.65；
步骤S6，背面碳氮化硅制备：使用PECVD法在背面沉积碳氮化硅薄膜，其中，SiH4：CH4：NH3=1:1:12，温度：450-550℃，功率：9KW；制备的SixCyNz膜厚度：20nm，折射率：2.15；
步骤S7，背面氮氧化硅叠层制备：使用PECVD法在硅片背面沉积氮氧化硅薄膜，其中，SiH4：N2O：NH3=1:1:10，温度450-550℃，功率：8KW，制得的氮氧化硅叠薄膜厚度：110nm，折射率：2.10；
步骤S8，正面氮氧化硅叠层制备：使用PECVD法在硅片正面沉积一层SixOyNz膜，其中，N2O流量：200-800sccm，SiH4流量：1000-2000sccm，NH3流量：3500-5000sccm，沉积温度：450-550℃，沉积时间：500-700s；制得的SixOyNz膜厚度：80m，折射率：2.09；
步骤S9，背面激光开槽：利用激光相融原理进行背面叠层钝化膜局部开槽，背面激光图形参数为：光斑直径：20-50μm，激光线间距：500-900μm；
步骤10，正、背面电极制备：采用丝网印刷法制备正、背面电极，并收集电流，再经过烧结，制得P型单晶PERC电池。
实施例2
步骤S1，表面织构，也称碱制绒，即利用碱溶液对硅片基底进行腐蚀，在硅片基底的表面腐蚀形成形成金字塔状表面形貌，其中，反应碱溶液：1.2wt%NaOH，反应时间:400s，温度:80℃，处理后的反射率：11%；
步骤S2，高温磷扩散，其中，氮气流量：700sccm，氧气流量：800sccm，反应时间：88min，温度：800℃，扩散方阻：120欧姆；再激光掺杂方法在正面电极区域形成重掺区，方阻为：95欧姆；
步骤S3，周边刻蚀及背面抛光，采用浓度为49%的HF酸液对步骤2扩散后的硅片背面和边缘进行腐蚀,再使用浓度为45%的KOH和抛光添加剂对硅片背面进行抛光处理，减重：0.25g，背面反射率：42%；
步骤S4，二氧化硅层制备：采用热氧化方法在正、背面沉积一层二氧化硅薄膜，其中，氧气流量：1000-2000sccm，压力：100-300pa，热氧化温度：600-700℃，时间：10-30min；
步骤S5，背面氧化铝层制备：使用ALD法制备氧化铝薄膜，温度：200℃，TMA：3.5mg/L；纯水：50mg/L；制得的氧化铝薄膜厚度：6nm，折射率：1.65；
步骤S6，背面碳氮化硅制备：使用PECVD法在硅片背面沉积碳氮化硅薄膜，其中，SiH4：CH4：NH3=1:1:14，温度：450-550℃，功率：9KW；制备的SixCyNz膜厚度：20nm，折射率：2.15；
步骤S7，背面氮氧化硅叠层制备：使用PECVD法在硅片背面沉积氮氧化硅薄膜，其中，SiH4：N2O：NH3=1:1:12，温度450-550℃，功率：8KW；制备的氮氧化硅薄膜厚度：110nm，折射率：2.10；
步骤S8，正面氮氧化硅层制备：使用PECVD法在硅片正面沉积一层SixOyNz膜，其中，N2O流量：200-800sccm，SiH4流量：1000-2000sccm，NH3流量：3500-5000sccm，沉积温度：450-550℃，沉积时间：500-700s；制得的SixOyNz膜厚度：80m，折射率：2.08；
步骤S9，背面激光开槽：利用激光相融原理进行背面叠层钝化膜局部开槽，背面激光图形参数为：光斑直径：20-50μm，激光线间距：500-900μm；
步骤S10，正、背面电极制备：采用丝网印刷法制备正、背面电极，并收集电流，再经过烧结，制得P型单晶PERC电池。
对照组：
除下述步骤外，其它各制作工艺步骤与本发明实施例均相同：
背面氧化铝/氮化硅叠层膜制备：在硅片背面使用PECVD法沉积氧化铝薄膜和氮化硅薄膜，其中，制得的氧化铝薄膜厚度17-25nm；沉积氮化硅薄膜的工艺条件为：沉积温度：450℃，SiH4流量：800sccm，NH3流量：6700sccm，沉积的背面氮化硅薄膜厚度：110-120nm，折射率：2.05-2.10；
正面氮化硅层制备：在硅片正面使用PECVD法沉积氮化硅薄膜，沉积温度：450℃，SiH4流量：1300sccm；NH3流量：6400sccm，沉积时间：600s，沉积的正面氮化硅膜厚度85nm，折射率：2.07-2.10。
实施例1、实施例2和对照组分别制备的P型单晶PERC电池的LeTID测试结果（70-80℃）如下：
| 组别 | 5KWh | 60KWh |
| 实施例1 | 1.42% | 2.25% |
| 实施例2 | 1.22% | 2.02% |
| 对照组 | 1.73% | 2.85% |
综上可知，实施例1和实施例2的电池制作过程与对照组相比，明显减少了氢源原料的使用，且由上表可知，实施例1和实施例2制备的P型单晶PERC电池在5KWh和60KWh时的LeTID衰减率均小于对照组电池；此外，对比实施例1和实施例2可知，在相同的制作工艺条件下，氧化铝薄膜厚度的增加，可有效降低P型单晶PERC电池的LeTID衰减现象。
本发明还提供了一种P型单晶PERC电池，使用上述的制作方法制作而成，其膜层材料结构不同于现有技术，表现为：
1.正面减反射薄膜采用二氧化硅/氮氧化硅膜层制作而成，在制备过程中引入不含氢源的反应气体N2O，减少了含氢源反应气体NH3和SiH4的用量，从而有效降低电池片中氢原子的含量，有效改善了电池片的LeTID现象；此外，相比常规的氮化硅膜层，二氧化硅/氮氧化硅膜层的折射率可根据反应气体的比例进行调控，能更好地满足光学特性，吸收更多的入射光，从而产生更多的光生载流子；
2.采用ALD方式替代常规PECVD方法制备背面的氧化铝膜层，与常规PECVD法相比，通过高纯氮气（纯度：5-6N）携带反应气体以脉冲式交替地通入反应腔中，并以单个原子层逐渐沉积生长氧化铝薄膜，原子排列更加紧密，间隙空间更小，制得的整个氧化铝薄膜更加均匀致密，可以有效阻挡多余氢原子进入电池片中，同时可以起到很好的场钝化效果；此外，背面采用碳氮化硅/氮氧化硅叠层结构，在沉积过程进一步减少了含氢源的反应材料，大幅减少氢原子来源，有效改善了电池片的LeTID现象。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。
Claims (6)
1.一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，表面织构：利用低浓度碱溶液对硅片在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在P型硅片表面腐蚀形成形成金字塔状表面形貌，其中，反应碱溶液：1.0-1.5wt%的NaOH，反应时间:200-400s，温度:70-90℃，反射率：11-12%；
步骤S2，高温磷扩散：用氮气通过恒温的液态源瓶，把扩散源三氯氧磷带入高温扩散炉中，同时通入足量的氧气，经过反应后磷原子扩散进入P型硅片内部，形成N型杂质分布，得到PN结，其中，氮气流量：500-800sccm，氧气流量：600-1000sccm，反应时间：80-100min，温度：700-800℃，扩散方阻：110-130欧姆，再采用激光掺杂方法在正面电极区域形成重掺区，方阻为：90-100欧姆；
步骤S3，周边刻蚀及背面抛光：利用HF酸液对扩散后的硅片背面和边缘进行腐蚀,去除边缘的N型硅,使得硅片的正、背表面相互绝缘，使用KOH和抛光添加剂对硅片背面进行抛光处理，背面反射率：40-45%；
步骤S4，二氧化硅层制备：采用热氧化方法在正、背面各沉积一层二氧化硅薄膜，其中，氧气流量：1000-2000sccm，压力：100-300pa，热氧化温度：600-700℃，时间：10-30min；
步骤S5，背面氧化铝层制备：常压条件下使用原子层沉积法在硅片背面制备氧化铝薄膜，其中，温度：180-250℃，三甲基铝：2.5-3.5mg/L，纯水：40-60mg/L；
步骤S6，背面碳氮化硅层制备：采用按比例均匀混合的SiH4、CH4和NH3，并使用PECVD法并在硅片背面沉积一层碳氮化硅薄膜；
步骤S7，背面氮氧化硅叠层制备：采用按比例均匀混合的SiH4、NH3和N2O，并使用PECVD法在硅片背面沉积一层氮氧化硅薄膜；
步骤S8，正面氮氧化硅层制备：使用PECVD法在硅片正面沉积一层SixOyNz膜，其中，N2O流量：200-800sccm，SiH4流量：1000-2000sccm，NH3流量：3500-5000sccm，沉积温度：450-550℃，沉积时间：500-700s；
步骤S9，背面激光开槽：利用激光相融原理进行背面叠层钝化膜局部开槽，背面激光图形参数为：光斑直径：20-50μm，激光线间距：500-900μm；
步骤S10，正、背面电极制备：采用丝网印刷法制备正、背面电极，并收集电流，再经过烧结，制得P型单晶PERC电池。
2.根据权利要求1所述的P型单晶PERC电池的制作方法，其特征在于：步骤S5中制备的氧化铝薄膜厚度为3-10nm，折射率为1.65。
3.根据权利要求1所述的P型单晶PERC电池的制作方法，其特征在于：步骤S6中制备的碳氮化硅薄膜厚度为20nm，折射率为2.15。
4.根据权利要求1所述的P型单晶PERC电池的制作方法，其特征在于：步骤S7中制备的氮氧化硅薄膜厚度为110nm，折射率为2.10。
5.根据权利要求4所述的P型单晶PERC电池的制作方法，其特征在于：步骤S8中制备的SixOyNz膜厚度为75-85m，折射率为2.06-2.15。
6.一种可改善LeTID现象的P型单晶PERC电池，其特征在于，使用权利要求1至5中任一项所述的制作方法制作而成。
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