CN111211179B - 一种mwt太阳电池背电场结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MWT太阳电池背电场结构，包括从上到下依次叠加的正面氮化硅膜、二氧化硅膜、PN结、硅片、三氧化二铝膜和背面氮化硅膜，硅片正面设有正电极银栅线和贯穿孔电极正面，背面设有全铝背场、贯穿孔电极背面和均匀分布的背电极，全铝背场上设有铝栅线背场，铝栅线背场与背面贯穿孔电极之间设有贯穿孔隔离槽。一种MWT太阳电池背电场制造方法，包括以下步骤：激光打孔；制绒；扩散；掩膜印刷；刻蚀；退火；镀膜；背面激光开槽；丝网印刷；烧结。在MWT电池背面开创了全铝背场与铝栅线相结合设计的方式，在不影响转换效率的同时，降低了Al金属浆料的消耗，极大避免Al金属粉末残留影响贯穿孔电极，保证了MWT太阳电池的安全高效地持续运行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法。
背景技术
有资料显示，让晶硅太阳能电池达到更高转换效率的同时降低生产成本，是光伏产业一直所面临的技术挑战。根据晶硅太阳电池的基础结构和工作过程分析，影响晶硅太阳电池转换效率的技术因素包括三个方面：1、吸收过程的光学损失，简称光学损失；2、光转换过程的光激发电子空穴对的复合，简称复合损失；3、电流输出过程的损耗，简称电学损失。其中光学损失的影响因素包括太阳电池浅表面反射损失、长波段的非吸收损失和接触栅线的阴影损失，而接触栅线的阴影损失是由于电池的正面栅线电极所覆盖，由此遮蔽阳光而造成一部分光学损失，普通晶硅电池由于正表面存在主栅线和副栅线，遮光面积一般在7％左右。MWT电池是金属穿孔卷绕(metallization wrap-through,MWT)硅太阳能电池的简称，它的特点是将电池正面收集的电子通过空洞中填充的金属转移至电池背面(简称贯穿孔电极)，它无需在电池正面制作主栅，因此电池表面就有更大的面积来收集光子并将它转化为电能，遮光面积可以达到4％-5％左右，从而减少了光的遮挡，更充分的利用光照，极大的提高了太阳光的吸收，从而提升了太阳电池的转换效率。
由于MWT贯穿孔电极引入到电池背面，很容易受到电池背面Al浆的影响，因贯穿孔电极与电池Al背场仅有一个隔离槽区域进行隔离开，在实际生产中，一些Al金属粉末残留物不可避免会残留在印刷台面纸上及沾污贯穿孔电极，导致贯穿孔电极污染，使的电池反向电流大、并联电阻低、漏电比例高的问题。
中国专利文献CN203760491U公开了一种“MWT太阳电池”。包括贯穿孔电极，电池背面上设有第一电极和背场；在背面上设有与所述贯穿孔电极一一对应的N型金属接触；在各个N型金属接触列所在区域的表面覆盖设有条状的绝缘介质层；各绝缘介质层上均设有第二金属层，第二金属层与其下方的N型金属接触电连接，形成焊接电极；所述N型金属接触为圆形点接触，其直径为0.5-1微米。该装置引入了绝缘介质层和第二金属层，降低了N型金属接触的直径，增大了效率，在减少金属和半导体接触漏电的同时降低了Ag金属浆料的消耗，但在Al金属消耗上，没有考虑如何降低。
发明内容
本发明主要解决原有的Al金属消耗大且贯穿孔电极受Al金属影响的技术问题，提供一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法，在MWT电池背面开创了全铝背场与铝栅线相结合设计的方式，在不影响转换效率的同时，降低了Al金属浆料的消耗，且电池背面贯穿孔电极区域隔离槽外由全铝背场设计为铝栅线，减少了贯穿孔电极区域隔离槽外的Al背场的面积，极大避免Al金属粉末残留影响贯穿孔电极，保证了MWT太阳电池的安全高效地持续运行。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的一种MWT太阳电池背场结构，包括从上到下依次叠加的正面氮化硅膜、二氧化硅膜、PN结、硅片、三氧化二铝膜和背面氮化硅膜，所述硅片正面设有正电极银栅线和贯穿孔电极正面，背面设有全铝背场、贯穿孔电极背面和均匀分布的背电极，其特征在于，所述全铝背场上设有铝栅线背场，所述铝栅线背场与背面贯穿孔电极之间设有贯穿孔隔离槽。电池背面贯穿孔电极区域隔离槽外的背场部分由全铝背场设计为铝栅线，减少了贯穿孔电极区域隔离槽外Al背场的面积，很大程度上避免Al金属粉末残留状况导致沾污贯穿孔电极，引起电池反向电流大、并联电阻低和漏电比例高的问题。
本发明的一种MWT太阳电池背场制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)激光打孔：利用激光的热效应在硅片上开孔；
(2)制绒：通过双氧水溶液、氢氧化钠或氢氧化钾溶液、氢氟酸与盐酸混合溶液依次对硅片表面进行清洗；去除硅片表面的杂质，在硅片表面得到金字塔状绒面，提高硅片的陷光作用。
(3)扩散：在高温扩散炉中通入三氯氧磷、氧气、氮气在硅片表面制PN结(2)；控制扩散温度以确保得到合适的方块电阻。
(4)掩膜印刷：在激光开孔上采用石蜡掩膜，开孔处形成保护层；避免开孔处受到印刷影响。
(5)刻蚀：利用碱溶液、二乙二醇丁醚溶液去除硅片表面的PSG、石蜡掩膜物；去除由于扩散采用背靠背扩散，硅片的边缘没有遮挡也被扩散上的磷，避免太阳能电池PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路导致太阳能电池失效。
(6)退火：将硅片背靠背置于石英舟里，在高温氧化炉中通入氧气、氮气，表面生产二氧化硅膜；将硅片表面附近的氧，从其表面挥发脱除，使表面附近的杂质数量减少。
(7)镀膜：硅片背面依次镀三氧化二铝膜和背面氮化硅膜，硅片正面镀正面氮化硅膜；在低压和升温的情况下，等离子发生器直接装在镀膜板中间发生反应。所用的活性气体为硅烷SiH4和氨NH3。这些气体作用于存储在硅片上的氮化硅。可以根据改变硅烷对氨气的比率，来得到不同的折射指数。在沉积工艺中，伴有大量的氢原子和氢离子的产生，使得晶片的氢钝化性十分良好。
(8)背面激光开槽：利用激光在硅片背面刻线，刻线区域不包括贯穿孔隔离槽和背电极；
(9)丝网印刷：对硅片(1)依次进行背电极、贯穿孔电极、背场和正电极银栅线(5)印刷，所述背场分为全铝背场和铝栅线背场；丝网印刷主要应用于电池的电极成形，利用丝网图形部分网孔透浆料，非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。
(10)烧结。将丝网印刷好了的正负电极在高温的作用下与硅片形成良好的欧姆接触，从而提高太阳能电池片的开路电压和填充因子，同时烧结炉内的高温可以促使镀膜工艺过程中产生的氢向电池内部扩散，对太阳能电池片有良好的钝化作用，提高太阳能电池的转换效率。
作为优选，所述的步骤(1)在硅片上开孔20个-50个，硅片正面孔径120um-360um，硅片背面孔径100um-260um。
作为优选，所述的步骤(2)制绒溶液清洗硅片后，减薄量为0.25g-0.80g，反射率小于13％。确保制绒处理后硅片的陷光作用达到要求。
作为优选，所述的步骤(3)的扩散温度为700℃-900℃，通入三氯氧磷、氧气和氮气形成方块电阻为80ohm/squ-130ohm/squ。使得制得的PN结的方块电阻达到标准。
作为优选，所述的步骤(4)的掩膜直径为1mm-3mm，掩膜重量0.005g-0.030g。在开孔处形成保护层。
作为优选，所述的步骤(5)刻蚀掉硅片重量为0.2g-0.5g，背表面反射率＞30％，刻蚀方阻＜150ohm/squ。
作为优选，所述的步骤(6)的退火温度为650℃-750℃，氧气量为1000sccm-3000sccm，氮气1500sccm-4000sccm，退火时间20min-40min。
作为优选，所述的步骤(7)硅片背面镀三氧化二铝膜的厚度为1.5nm-5nm，硅片背面镀背面氮化硅膜的厚度为100nm-200nm，硅片正面镀正面氮化硅膜的厚度为60nm-90nm，折射率为1.9-2.2。
作为优选，所述的步骤(8)背面激光开槽将硅片表面镀的部分三氧化二铝膜与氮化硅膜层打穿露出硅基体，形成由均匀孔径组成的激光开孔线，孔径为20um-50um，背面激光开槽总线数为150根-250根线，且贯穿孔隔离槽外3mm-7mm以内的开槽线数为4根-10根，线间距为0.5mm-0.9mm。
本发明的有益效果是：在MWT电池背面开创了全铝背场与铝栅线相结合设计的方式，在不影响转换效率的同时，降低了Al金属浆料的消耗，且电池背面贯穿孔电极区域隔离槽外由全铝背场设计为铝栅线，减少了贯穿孔电极区域隔离槽外的Al背场的面积，极大避免Al金属粉末残留影响贯穿孔电极，保证了MWT太阳电池的安全高效地持续运行。
附图说明
图1是本发明的MWT太阳电池的横截面结构示意图。
图2是本发明的MWT太阳电池的背面结构示意图。
图中1硅片，2 PN结，3二氧化硅膜，4正面氮化硅膜，5正电极银栅线，6贯穿孔电极正面，7三氧化二铝膜，8背面氮化硅膜，9全铝背场，91铝栅线背场，10贯穿孔隔离槽，11贯穿孔电极背面，12背电极。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种MWT太阳电池背场结构，如图1和图2所示，包括从上到下依次叠加的正面氮化硅膜4、二氧化硅膜3、PN结2、硅片1、三氧化二铝膜7和背面氮化硅膜8，硅片1正面设有正电极银栅线5和贯穿孔电极正面6，背面设有全铝背场9、贯穿孔电极背面11和均匀分布的背电极12，全铝背场9上设有铝栅线背场91，铝栅线背场91与背面贯穿孔电极11之间设有贯穿孔隔离槽10。电池背面贯穿孔电极区域隔离槽10外的背场部分由全铝背场9设计为铝栅线背场91，减少了贯穿孔电极区域隔离槽10外Al背场的面积，很大程度上避免Al金属粉末残留状况导致沾污贯穿孔电极，引起电池反向电流大、并联电阻低和漏电比例高的问题。
本实施例的一种MWT太阳电池背场制造方法，包括以下步骤：
(1)激光打孔：利用激光的热效应在硅片1上开孔，在硅片1上开孔20个-50个，硅片1正面孔径120um-360um，硅片1背面孔径100um-260um。
(2)制绒：通过双氧水溶液、氢氧化钠或氢氧化钾溶液、氢氟酸与盐酸混合溶液依次对硅片1表面进行清洗，去除硅片1表面的杂质，在硅片1表面得到金字塔状绒面，提高硅片的陷光作用，要求减薄量为0.25g-0.80g，反射率小于13％。
(3)扩散：在高温扩散炉中通入三氯氧磷、氧气、氮气在硅片表面制PN结2，扩散温度为700℃-900℃，通入三氯氧磷、氧气和氮气形成方块电阻为80ohm/squ-130ohm/squ。
(4)掩膜印刷：在激光开孔上采用石蜡掩膜，开孔处形成保护层，掩膜直径为1mm-3mm，掩膜重量0.005g-0.030g，避免开孔处受到印刷影响。
(5)刻蚀：利用碱溶液、二乙二醇丁醚溶液去除硅片1表面的PSG、石蜡掩膜物，刻蚀掉硅片重量为0.2g-0.5g，背表面反射率＞30％，刻蚀方阻＜150ohm/squ。去除由于扩散采用背靠背扩散，硅片的边缘没有遮挡也被扩散上的磷，避免太阳能电池PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路导致太阳能电池失效。
(6)退火：将硅片1背靠背置于石英舟里，在高温氧化炉中通入氧气、氮气，表面生产二氧化硅膜3，退火温度为650℃-750℃，氧气量为1000sccm-3000sccm，氮气1500sccm-4000sccm，退火时间20min-40min。将硅片表面附近的氧，从其表面挥发脱除，使表面附近的杂质数量减少。
(7)镀膜：硅片1背面依次镀三氧化二铝膜7和背面氮化硅膜8，硅片1正面镀正面氮化硅膜4，硅片1背面镀三氧化二铝膜7的厚度为1.5nm-5nm，硅片1背面镀背面氮化硅膜8的厚度为100nm-200nm，硅片1正面镀正面氮化硅膜4的厚度为60nm-90nm，折射率为1.9-2.2。在低压和升温的情况下，等离子发生器直接装在镀膜板中间发生反应，所用的活性气体为硅烷SiH4和氨NH3，这些气体作用于存储在硅片上的氮化硅。可以根据改变硅烷对氨气的比率，来得到不同的折射指数。在沉积工艺中，伴有大量的氢原子和氢离子的产生，使得晶片的氢钝化性十分良好。
(8)背面激光开槽：利用激光在硅片1背面刻线，刻线区域不包括贯穿孔隔离槽10和背电极12，将硅片1表面镀的部分三氧化二铝膜7与氮化硅膜8层打穿露出硅基体，形成由均匀孔径组成的激光开孔线，孔径为20um-50um，背面激光开槽总线数为150根-250根线，且贯穿孔隔离槽10外3mm-7mm以内的开槽线数为4根-10根，线间距为0.5mm-0.9mm。
(9)丝网印刷：对硅片1依次进行背电极12、贯穿孔电极、背场和正电极银栅线5印刷，所述背场分为全铝背场9和铝栅线背场91；丝网印刷主要应用于电池的电极成形，利用丝网图形部分网孔透浆料，非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。
(10)烧结：将丝网印刷好了的正负电极在高温的作用下与硅片形成良好的欧姆接触，从而提高太阳能电池片的开路电压和填充因子，同时烧结炉内的高温可以促使镀膜工艺过程中产生的氢向电池内部扩散，对太阳能电池片有良好的钝化作用，提高太阳能电池的转换效率。
采用两种不同参数制作获得两种规格的太阳能电池片：
太阳能电池片1
一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法，包括硅片1、硅片表面的PN结2、二氧化硅膜3、三氧化二铝膜7和氮化硅膜，以及设于硅片1正面的正电极、背面的背场以及贯穿孔电极，所述背场分为全铝背场9和铝栅线背场91；
(1)激光打孔：利用激光的热效应在硅片1上开孔，开孔36个，硅片1正面孔径200um，硅片1背面孔径160um；
(2)制绒：通过双氧水溶液、氢氧化钠或氢氧化钾溶液、氢氟酸与盐酸混合溶液依次对硅片1表面进行清洗，清洗后硅片1减薄量为0.3g，反射率10％；
(3)扩散：在820℃扩散炉中通入三氯氧磷、氧气、氮气在硅片表面制PN结2，形成方块电阻100ohm/squ；
(4)掩膜印刷：采用石蜡掩膜在激光开孔上，开孔处形成保护层，掩膜直径1.5mm，掩膜重量0.010g，
(5)刻蚀：利用碱溶液、二乙二醇丁醚溶液去除硅片表面的PSG、石蜡掩膜物，刻蚀刻掉硅片重量0.5g，背表面反射率35％，刻蚀方阻110ohm/squ；
(6)退火：将硅片背靠背置于石英舟里，在700℃氧化炉中，氧气量1000sccm，氮气1500sccm，退火步时间30min，表面生产二氧化硅层3；
(7)镀膜：硅片背面镀三氧化二铝层7厚度为2nm，硅片背面镀背面氮化硅层8厚度为170nm，硅片正面镀正面氮化硅层4厚度为75nm，折射率2.1；
(8)背面激光开槽：利用激光在硅片1背面刻线，形成由均匀孔径组成的激光开孔线，孔径为25微米，其中贯穿孔电极处隔离槽以及背电极不进行激光开孔，目的为保护隔离层以及增强硅片1机械载荷；背面激光开槽总线数170根线，其中贯穿孔电极处隔离槽10外7mm以内，开槽线数为4根，线间距为0.9mm；
(9)丝网印刷：对硅片依次进行背电极12、堵孔电极、背场和正电极印刷，所述背场分为全铝背场9和铝栅线背场91；
(10)烧结
太阳能电池片2
一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法，包括硅片1、硅片表面的PN结2、二氧化硅膜3、三氧化二铝膜7和氮化硅膜，以及设于硅片1正面的正电极、背面的背场以及贯穿孔电极，所述背场分为全铝背场9和铝栅线背场91；
(1)激光打孔：利用激光的热效应在硅片1上开孔，开孔36个，硅片正面孔径200um，硅片背面孔径160um；
(2)制绒：通过双氧水溶液、氢氧化钠或氢氧化钾溶液、氢氟酸与盐酸混合溶液依次对硅片1表面进行清洗，清洗后硅片1减薄量为0.3g，反射率10％；
(3)扩散：在820℃扩散炉中通入三氯氧磷、氧气、氮气在硅片1表面制PN结2，形成方块电阻100ohm/squ；
(4)掩膜印刷：采用石蜡掩膜在激光开孔上，开孔处形成保护层，掩膜直径1.5mm，掩膜重量0.010g，
(5)刻蚀：利用碱溶液、二乙二醇丁醚溶液去除硅片1表面的PSG、石蜡掩膜物，刻蚀刻掉硅片1重量0.5g，背表面反射率35％，刻蚀方阻110ohm/squ；
(6)退火：将硅片1背靠背置于石英舟里，在700℃氧化炉中，氧气量1000sccm，氮气1500sccm，退火步时间30min，表面生产二氧化硅层3；
(7)镀膜：硅片背面镀三氧化二铝层7厚度为2nm，硅片背面镀背面氮化硅层8厚度为170nm，硅片正面镀正面氮化硅层4厚度为75nm，折射率2.1；
(8)背面激光开槽：利用激光在硅片1背面刻线，形成由均匀孔径组成的激光开孔线，孔径为25微米，其中贯穿孔电极处隔离槽以及背电极不进行激光开孔，目的为保护隔离层以及增强硅片1机械载荷；背面激光开槽总线数170根线，其中贯穿孔电极处隔离槽10外5mm以内，开槽线数为8根，间距为0.7mm；
(9)丝网印刷：对硅片1依次进行背电极12、堵孔电极、背场和正电极印刷，所述背场分为全铝背场9和铝栅线背场91；
(10)烧结
通过上述实验品，本发明全铝背场9与铝栅线背场91相结合的MWT太阳电池测试结果如下
表1电性能参数
由表1可以看出，采用本发明一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法制作的太阳能电池片1，太阳电池的并联电阻Rsh提高50ohm，反向电流Irev2减少-0.053A；采用本发明MWT太阳电池背场结构及其制造方法制作的太阳能电池片2，太阳电池的并联电阻Rsh提高70ohm，反向电流Irev2减少-0.067A，表明减少了堵孔电极区域隔离槽外的Al背场的面积，很大程度上可以避免一些Al金属粉末残留在印刷台面纸上及沾污贯穿孔电极，导致电池反向电流大、并联电阻低、漏电比例高的问题。
表2Al金属消耗量
由表2可以看出，采用本发明全铝背场与铝栅线背场相结合的MWT太阳电池制作的太阳能电池片1，Al金属浆料消耗量减少35％；采用本发明一种MWT太阳电池背电场结构及其制造方法制作的太阳能电池片1，Al金属浆料消耗量减少30％，且由表1可知，在不会影响电池片的转换效率的前提下，减少了Al金属浆料消耗量。
Claims (8)
1.一种MWT太阳电池背电场结构，包括从上到下依次叠加的正面氮化硅膜(4)、二氧化硅膜(3)、PN结(2)、硅片(1)、三氧化二铝膜(7)和背面氮化硅膜(8)，所述硅片(1)正面设有正电极银栅线(5)和贯穿孔电极正面(6)，背面设有全铝背场(9)、贯穿孔电极背面(11)和均匀分布的背电极(12)，其特征在于，所述全铝背场(9)上设有铝栅线背场(91)，所述铝栅线背场(91)与贯穿孔电极背面(11)之间设有贯穿孔隔离槽(10)；
MWT太阳电池背电场结构按照如下方法进行制备，所述方法包括以下步骤：
(1)激光打孔：利用激光的热效应在硅片(1)上开孔；
(2)制绒：通过双氧水溶液、氢氧化钠或氢氧化钾溶液、氢氟酸与盐酸混合溶液依次对硅片(1)表面进行清洗；
(3)扩散：在高温扩散炉中通入三氯氧磷、氧气、氮气在硅片表面制PN结(2)；
(4)掩膜印刷：在激光开孔上采用石蜡掩膜，开孔处形成保护层；
(5)刻蚀：利用碱溶液、二乙二醇丁醚溶液去除硅片(1)表面的PSG、石蜡掩膜物；
(6)退火：将硅片(1)背靠背置于石英舟里，在高温氧化炉中通入氧气、氮气，表面生产二氧化硅膜(3)；
(7)镀膜：硅片(1)背面依次镀三氧化二铝膜(7)和背面氮化硅膜(8)，硅片(1)正面镀正面氮化硅膜(4)；
(8)背面激光开槽：利用激光在硅片(1)背面刻线，刻线区域不包括贯穿孔隔离槽(10)和背电极(12)；所述步骤(8)背面激光开槽将硅片(1)表面镀的部分三氧化二铝膜(7)与氮化硅膜(8)层打穿露出硅基体，形成由均匀孔径组成的激光开孔线，孔径为20um-50um，背面激光开槽总线数为150根-250根线，且贯穿孔隔离槽(10)外3mm-7mm以内的开槽线数为4根-10根，线间距为0.5mm-0.9mm；
(9)丝网印刷：对硅片(1)依次进行背电极(12)、贯穿孔电极、背场和正电极银栅线(5)印刷，所述背场分为全铝背场(9)和铝栅线背场(91)；
(10)烧结。
2.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(1)在硅片(1)上开孔20个-50个，硅片(1)正面孔径120um-360um，硅片(1)背面孔径100um-260um。
3.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(2)制绒溶液清洗硅片后，减薄量为0.25g-0.80g，反射率小于13％。
4.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(3)的扩散温度为700℃-900℃，通入三氯氧磷、氧气和氮气形成方块电阻为80ohm/squ-130ohm/squ。
5.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(4)的掩膜直径为1mm-3mm，掩膜重量0.005g-0.030g。
6.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(5)刻蚀掉硅片重量为0.2g-0.5g，背表面反射率＞30％，刻蚀方阻＜150ohm/squ。
7.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(6)的退火温度为650℃-750℃，氧气量为1000sccm-3000sccm，氮气1500sccm-4000sccm，退火时间20min-40min。
8.根据权利要求1所述的一种MWT太阳电池背电场结构，其特征在于，所述步骤(7)硅片(1)背面镀三氧化二铝膜(7)的厚度为1.5nm-5nm，硅片(1)背面镀背面氮化硅膜(8)的厚度为100nm-200nm，硅片(1)正面镀正面氮化硅膜(4)的厚度为60nm-90nm，折射率为1.9-2.2。
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