CN111599898A - 制造晶硅太阳能电池片的方法以及晶硅太阳能电池片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备晶硅太阳能电池片的方法和晶硅太阳能电池片。该方法包括如下步骤：设置N型硅片；在N型硅片的顶表面上进行硼扩散生成P型掺杂层；在P型掺杂层的顶表面上进行链式氧化从而生成二氧化硅保护层；在N型硅片的底表面上设置二氧化硅隧穿层；在二氧化硅隧穿层的底表面上通入磷源生成N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层。根据本发明，在制备N型钝化层之前先在硅片的顶表面上设置一层二氧化硅保护层，避免在制备N型钝化层时磷绕镀到顶表面，即能够保证电池片的PN结不被破坏，不容易产生电池短路或失效的问题。其中，通入硅源形成的二氧化硅保护层结构致密，能够起到优异的保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及能源领域，尤其涉及一种晶硅太阳能电池片及其制造方法。
背景技术
随着全球煤炭、石油、天然气等常规化石能源消耗速度加快，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展已经受到严重威胁。世界各国纷纷制定各自的能源发展战略，以应对常规化石能源资源的有限性和开发利用带来的环境问题。太阳能凭借其可靠性、安全性、广泛性、长寿性、环保性、资源充足性的特点已成为最重要的可再生能源之一，有望成为未来全球电力供应的主要支柱。
在新一轮能源变革过程中，我国光伏产业已成长为具有国际竞争优势的战略新兴产业。然而，光伏产业发展仍面临诸多问题与挑战，转换效率与可靠性是制约光伏产业发展的最大技术障碍，而成本控制与规模化又在经济上形成制约。
近几年，各种新型晶硅技术层出不穷。目前市场上以PERC太阳能电池为主，主流量产效率可以超过22％，然而PERC太阳能电池转换效率再往上提升会受到较多限制。目前一种新型的钝化接触结构可以在现有PERC技术基础上通过叠加2-3道工序降电池转换效率提升至23％以上。钝化接触技术由于与现有的PERC技术兼容性强，越来越受到市场和各研究机构的青睐。
现有的用于晶硅太阳能电池片的钝化接触技术是在N型晶硅背面制备N型掺杂的多晶硅薄膜，但是掺杂过程中会把磷绕镀到硅片正面，由于磷的扩散系数比硼大，会破坏正面的P型薄层以及PN结，从而导致太阳能电池效率偏低甚至是失效。
因而需要提供一种制造晶硅太阳能电池片的方法以及晶硅太阳能电池片，以至少部分地解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制造晶硅太阳能电池片的方法和晶硅太阳能电池片，其在制造过程中在制备N型钝化层之前先在硅片的顶表面上设置一层二氧化硅保护层，避免在制备N型钝化层时磷绕镀到顶表面，即能够保证电池片的PN结不被破坏，不容易产生电池短路或失效的问题。其中，通入硅源形成的二氧化硅保护层结构致密，能够起到优异的保护作用。
并且，本发明采用较高的微波频率来制备N型钝化层，在高频电场下，反应气体激活程度更强，离子浓度高，能电离出更多的高能电子和正负离子从而增加薄膜的沉积速率，可以减少绕镀到硅片顶表面的几率。进一步地，本发明还在该高频制备的步骤之前设置通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理的步骤，从而使N型硅片的底表面钝化，降低高频功率对电池片的损伤。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造晶硅太阳能电池片的方法，方法包括设置基体片的步骤以及在基体片的顶表面、底表面上施加栅线的步骤，设置基体片的步骤包括按照如下顺序依次进行的如下多个步骤：
设置N型硅片；
在N型硅片的顶表面上进行硼扩散从而生成P型掺杂层；
在P型掺杂层的顶表面上通入硅源以进行链式氧化从而生成二氧化硅保护层；
在N型硅片的底表面上设置二氧化硅隧穿层；
在二氧化硅隧穿层的底表面上通入磷源从而生成N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层。
在一种实施方式中，设置N型钝化层时采用60KHz以上的微波频率。
在一种实施方式中，设置N型钝化层的步骤包括：
采用80kHz-100kHz的微波频率；
将容纳太阳能电池片的制备炉的炉内温度控制为400℃-600℃，并将制备炉的炉内压强控制为1kPa-13kPa。
在一种实施方式中，所述方法还包括在设置N型钝化层之前的如下步骤：通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理，从而使N型硅片的底表面钝化。
在一种实施方式中，所述方法还包括在生成二氧化硅保护层的步骤和设置N型钝化层的步骤之间、并按照如下顺序进行的如下步骤：
对N型硅片的边缘和底表面刻蚀处理。
在一种实施方式中，所述方法还包括设置N型钝化层的步骤之后、并按照如下顺序进行的如下步骤：
清除二氧化硅保护层；
对N型硅片的边缘和二氧化硅保护层的顶表面刻蚀处理；
在P型掺杂层的顶表面上设置氧化铝钝化膜；
在氧化铝钝化膜的顶表面和N型钝化层的底表面上设置减反膜。
在一种实施方式中，刻蚀的步骤由化学湿法和/或干法刻蚀方法实现。
在一种实施方式中，减反膜为氮化硅减反膜、氮氧化硅减反膜或碳化硅减反膜。
在一种实施方式中，设置减反膜的步骤包括：采用PECVD的方法设置减反膜，并使减反膜的厚度形成为70nm-200nm。
在一种实施方式中，设置二氧化硅隧穿层的步骤包括：利用热氧化、臭氧、湿法氧化和ALD方法中的至少一种制备二氧化硅隧穿层，使二氧化硅隧穿层的厚度为0.5nm-5nm。
在一种实施方式中，硼扩散的步骤通过热扩散或离子注入的方法实现，使得P型掺杂层的表面方阻为40Ω/□-300Ω/□。
在一种实施方式中，在设置二氧化硅保护层的步骤中所通入的硅源包括硅酸钠、硅酸甲脂、多聚硅氧烷、硅醇盐中的至少一种。
在一种实施方式中，设置二氧化硅保护层的步骤包括：控制通入硅源的量和时间以使得生成的二氧化硅保护层的厚度为3nm-1μm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种根据上述方案中任意一项的方法制造成的晶硅太阳能电池片，晶硅太阳能电池片包括：
N型硅片；
配置在N型硅片的顶表面的P型掺杂层；
配置在N型硅片底表面的二氧化硅隧穿层；
在P型掺杂层的顶表面配置二氧化硅保护层之后配置的N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层，N型钝化层设置在二氧化硅隧穿层的底表面上。
在一种实施方式中，N型钝化层为采用60KHz以上的微波频率制备生成的整体层状结构。
在一种实施方式中，N型钝化层为采用80kHz-100kHz的微波频率制备、并在温度为400℃-600℃、压强为1kPa-13kPa的制备生成的整体层状结构。
在一种实施方式中，N型钝化层为在通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理之后而制备生成的整体层状结构。
在一种实施方式中，太阳能电池片还包括设置在P型掺杂层的顶表面上的氧化铝钝化层。
在一种实施方式中，还包括在氧化铝钝化层的顶表面上和N型钝化层的底表面上的减反膜，减反膜为氮化硅减反膜、氮氧化硅减反膜或碳化硅减反膜。
在一种实施方式中，二氧化硅隧穿层的厚度为0.5nm-5nm。
在一种实施方式中，减反膜的厚度为70nm-200nm。
根据本发明所提供的方案，在制备N型钝化层之前先在硅片的顶表面上设置一层致密的二氧化硅保护层，避免在制备N型钝化层时磷绕镀到顶表面，即能够保证电池片的PN结不被破坏，不容易产生电池短路或失效的问题。其中，硅片表面通入硅源采用链式氧化形成的二氧化硅保护层结构致密，能够起到优异的保护作用。
并且，本发明采用较高的微波频率来制备N型钝化层，在高频电场下，反应气体激活程度更强，离子浓度高，能电离出更多的高能电子和正负离子从而增加薄膜的沉积速率，减少绕镀到硅片顶表面的几率。进一步地，本发明还在该高频制备的步骤之前设置通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理的步骤，从而使N型硅片的底表面钝化，降低高频功率对电池片的损伤。
总之，本发明在现有传统的TOPCon电池制造工艺基础上，通过在正面形成一层保护层，同时在背面PECVD镀膜过程中改良工艺以降低掺杂多晶硅的绕镀程度，从而可以大幅提升TOCPon电池的良率和效率。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1为根据本发明的一个优选实施方式的制造方法的流程图；
图2为根据本发明一个优选实施方式中，制程中的或已制造完成的晶硅太阳能电池片的俯视图；
图3为图2中沿A-A线截取的截面图顺时针旋转90°之后的示意图，图3示出了制程中的、并且在制备N型钝化层之前的晶硅太阳能电池片的结构；
图4为图2中沿A-A线截取的截面图顺时针旋转90°之后的示意图，图4示出了制造完成的晶硅太阳能电池片的结构。
具体实施方式
现在参考附图，详细描述本发明的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，其他方式同样落入本发明的范围。
本发明提供了一种制造晶硅太阳能电池片的方法及晶硅太阳能电池片。图1示出了制造晶硅太阳能电池片的方法的流程图，图2至图4为制程中的或制造完成的晶硅太阳能电池片的示意图。
图1示出了根据本发明的一个优选实施方式的制造晶硅太阳能电池片的方法的示意图，该方法包括步骤S1至S6，S1至S6按照从S1至S6的依次顺序而发生。
S1为前序处理步骤，其包括例如设置N型硅片的步骤，设置N型硅片的步骤例如又包括对N型硅片清洗和制绒的工序，以去除N型硅片表面的金属离子和切割损伤层。
S2为制备P型掺杂层的步骤。该步骤包括：在N型硅片的顶表面上进行硼扩散从而生成P型掺杂层。硼扩散的步骤通过热扩散或离子注入的方法实现，使得P型掺杂层的表面方阻为40Ω/□-300Ω/□。
S3为链式氧化的步骤，该步骤包括：在P型掺杂层的顶表面上通入硅源以进行链式氧化从而生成二氧化硅保护层。硅源例如包括硅酸钠、硅酸甲脂、多聚硅氧烷、硅醇盐中的至少一种。优选地，在步骤S3中可以控制通入硅源的量和时间以使得生成的二氧化硅保护层的厚度为3nm-1μm。
S4为中间处理步骤，S4又可以包括例如步骤S41和S42(图中未示出)。
S41例如可为对N型硅片的边缘和底表面刻蚀处理，该刻蚀步骤具体可以由化学湿法和/或干法刻蚀方法实现。
S42例如可以为在N型硅片的底表面上设置二氧化硅隧穿层的步骤，优选地，可以利用热氧化、臭氧、湿法氧化和ALD方法中的至少一种制备二氧化硅隧穿层，使二氧化硅隧穿层的厚度为0.5nm-5nm。
S5为制备N型钝化层的步骤，该步骤可以包括步骤S51和步骤S52(图中未示出)。
S51例如可以为通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理，从而使N型硅片的底表面钝化。
S52发生在S51之后，S52具体包括：在二氧化硅隧穿层的底表面上通入磷源从而生成N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层。优选地，在步骤S52中，可以采用60KHz以上的微波频率来制备N型钝化层。更优选地，在步骤S52中，可以采用80kHz-100kHz的微波频率，并且将容纳太阳能电池片的制备炉的炉内温度控制为400℃-600℃，并将制备炉的炉内压强控制为1kPa-13kPa。
如上所述地在步骤S52中采用较高的微波频率来制备N型钝化层能够制造出较为优良的晶硅太阳能电池片，这是因为在高频电场下，反应气体激活程度更强，离子浓度较高，能电离出更多的高能电子和正负离子从而增加薄膜的沉积速率，减少绕镀到顶表面的几率，降低破坏电池片顶表面的PN结的几率。而设置S51步骤，能够使硅片顶表面存在过量的H原子能够钝化硅片表面，从而降低高频功率轰击对电池片的损伤。
并且，如上所述，步骤S5发生在步骤S3之后，即，在生成二氧化硅保护层之后再制备N型钝化层，避免在制备N型钝化层时磷绕镀到顶表面，即能够保证电池片的PN结不被破坏，不容易产生电池短路或失效的问题。其中，相比于碳化硅、氮化硅等介质膜，通入硅源链式氧化形成的二氧化硅保护层结构更加致密，能够起到优异的保护作用，并能够在形成钝化膜后方便地通过刻蚀方式去除。
也就是说，本实施方式提供了两种降低形成多晶硅钝化膜时磷绕镀到硅片正面的设计：在设置N型钝化层之前在硅片顶表面设置二氧化硅保护层；制备N型钝化层时采用高频模式。
S6为后续处理步骤。该步骤可以包括诸如S61到S65的步骤(图中未示出)。
S61例如可以为清除二氧化硅保护层的步骤。
S62例如可以为对N型硅片的边缘以及P型掺杂层的顶表面刻蚀处理。
S63例如可以为在P型掺杂层的顶表面上设置氧化铝钝化膜的步骤。
S64例如可以为在氧化铝钝化膜的顶表面和N型钝化层的底表面上设置减反膜的步骤，减反膜可以为氮化硅减反膜、氮氧化硅减反膜、碳化硅减反膜、二氧化硅减反膜或这几种减反膜的叠层。优选地，可以采用PECVD的方法设置减反膜，氮化硅减反膜、氮氧化硅减反膜或碳化硅减反膜的厚度例如可以为70nm-200nm。
S65例如可以印刷栅线的步骤，或称为印刷电极的步骤。在该步骤中，可以用银、金、铜、铝、镍中的一种或多种在基体片的顶表面和底表面上印刷主栅线和副栅线，图3中所示的栅线为副栅线。
图2示出了根据上述方法所制成的或正在被制备的晶硅太阳能电池片1的顶表面示意图，其能够看到晶硅太阳能电池片1的顶表面上的顶侧主栅线8和副栅线81。图3和图4沿A-A线截取的截面图顺时针旋转90°之后的示意图。
图3示出了制程中的、并且在制备N型钝化层之前的晶硅太阳能电池片1的结构，由于此时仅仅完成了制备P型掺杂层和二氧化硅保护层的步骤而还未制备N型钝化层，所以在图3中仅示出了N型硅片2和设置在N型硅片2的顶表面的P型掺杂层3以及设置在P型掺杂层3顶表面的二氧化硅保护层31。在存在二氧化硅保护层31的情况下制备N型钝化层，能够避免磷绕镀到电池片顶表面处从而破坏顶表面处的PN结等结构。
图4示出了已制备完成的晶硅太阳能电池片1，在已制备完成的晶硅太阳能电池片1中不存在二氧化硅保护层31，因为二氧化硅保护层31在制备N型钝化层7之后就被清洗掉了。
参考图4，晶硅太阳能电池片1包括基体片和设置在基体片顶表面和底表面上的栅线。参考图4，基体片包括N型硅片2、氧化铝钝化层4、在配置N型硅片2的顶表面的结构层之前预先配置的二氧化硅隧穿层6和在配置N型硅片2的顶表面的结构层之前预先配置的N型钝化层7。栅线又包括副栅线和主栅线，其可以由银、金、铜、铝、镍等金属中的一种或多种制成。图2中示出了位于N型硅片2顶侧的顶侧主栅线8和位于N型硅片2底侧的底侧主栅线9。
其中，且N型硅片2的厚度为100μm-220μm，N型硅片2的顶表面为P型掺杂层3，N型硅片2和P型掺杂层3之间形成有类似于PN结的结构。氧化铝钝化层4设置在P型掺杂层3上且氧化铝钝化层4的厚度大致为1nm-20nm。二氧化硅隧穿层6设置在N型硅片2的底表面上并且其厚度大致为0.5nm-5nm。
N型钝化层7设置在二氧化硅隧穿层6的底表面上，且N型钝化层7为掺杂磷的钝化层，其能够保护二氧化硅隧穿层6并能够对晶硅太阳能电池片1提供钝化作用。N型多晶硅钝化层7的厚度例如可以为20nm-300nm。
优选地，氧化铝钝化层4的顶表面和N型钝化层7的底表面上还可以设置氮化硅减反膜5(或氮氧化硅减反膜、碳化硅减反膜、氧化硅减反膜或这几种膜的叠层)。例如可以为70nm-200nm。
根据本发明所提供的方案，在制备N型钝化层之前先在硅片的顶表面上设置一层二氧化硅保护层，避免在制备N型钝化层时磷绕镀到顶表面，即能够保证电池片的PN结不被破坏，不容易产生电池短路或失效的问题。其中，二氧化硅的性质使得二氧化硅保护层结构较为致密，能够起到较优的保护作用。
并且，本发明采用较高的微波频率来制备N型钝化层，在高频电场下，反应气体激活程度更强，离子浓度高，能电离出更多的高能电子和正负离子从而增加薄膜的沉积速率，进一步减少绕镀到硅片顶表面的几率。进一步地，本发明还在该高频制备的步骤之前设置通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理的步骤，从而使N型硅片的底表面钝化，降低高频功率对电池片的损伤。
总之，本发明在现有传统的TOPCon电池制造工艺基础上，通过在正面形成一层保护层，同时在背面PECVD镀膜过程中改良工艺以降低掺杂多晶硅的绕镀程度，从而可以大幅提升TOCPon电池的良率和效率。
本发明的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本发明排他或局限于单个公开的实施方式。如上，以上教导的领域中的普通技术人员将明白本发明的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的本发明的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明的精神和范围内的其他实施方式。
Claims (15)
1.一种制造晶硅太阳能电池片的方法，方法包括设置基体片的步骤以及在基体片的顶表面、底表面上施加栅线的步骤，其特征在于，设置基体片的步骤包括按照如下顺序进行的如下多个步骤：
设置N型硅片；
在N型硅片的顶表面上进行硼扩散从而生成P型掺杂层；
在P型掺杂层的顶表面上通入硅源以进行链式氧化从而生成二氧化硅保护层；
在N型硅片的底表面上设置二氧化硅隧穿层；
在二氧化硅隧穿层的底表面上通入磷源从而生成N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置N型钝化层时采用60KHz以上的微波频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置N型钝化层的步骤包括：
采用80kHz-100kHz的微波频率；
将容纳太阳能电池片的制备炉的炉内温度控制为400℃-600℃，并将制备炉的炉内压强控制为1kPa-13kPa。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，制备N型钝化层的步骤还包括在通入磷源之前的如下步骤：通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理，从而使N型硅片的底表面钝化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在生成二氧化硅保护层的步骤和设置N型钝化层的步骤之间的如下步骤：对N型硅片的边缘和底表面刻蚀处理；
以及在设置N型钝化层的步骤之后、按照如下顺序进行的如下步骤：
清除二氧化硅保护层；
对N型硅片的边缘和P型掺杂层的顶表面刻蚀处理；
在P型掺杂层的顶表面上设置氧化铝钝化膜；
在氧化铝钝化膜的顶表面和N型钝化层的底表面上设置减反膜。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，减反膜包括氮化硅减反膜、氮氧化硅减反膜、碳化硅减反膜、氧化硅减反膜中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置二氧化硅隧穿层的步骤包括：利用热氧化、臭氧、湿法氧化和ALD方法中的至少一种制备二氧化硅隧穿层，使二氧化硅隧穿层的厚度为0.5nm-5nm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在设置二氧化硅保护层的步骤中所通入的硅源包括硅酸钠、硅酸甲脂、多聚硅氧烷、硅醇盐中的至少一种；控制通入硅源的量和时间以使得生成的二氧化硅保护层的厚度为3nm-1μm。
9.一种根据权利要求1所述的方法制造成的晶硅太阳能电池片，其特征在于，晶硅太阳能电池片包括：
N型硅片；
配置在N型硅片的顶表面的P型掺杂层；
配置在N型硅片底表面的二氧化硅隧穿层；
在P型掺杂层的顶表面配置二氧化硅保护层之后配置的N型钝化层，N型钝化层为多晶硅钝化层或掺杂多晶硅钝化层，N型钝化层设置在二氧化硅隧穿层的底表面上。
10.根据权利要求9所述的晶硅太阳能电池片，其特征在于，N型钝化层为采用60KHz以上的微波频率制备生成的整体层状结构。
11.根据权利要求9所述的晶硅太阳能电池片，其特征在于，N型钝化层为采用80kHz-100kHz的微波频率制备、并在温度为400℃-600℃、压强为1kPa-13kPa的制备炉中生成的整体层状结构。
12.根据权利要求10或11所述的晶硅太阳能电池片，其特征在于，N型钝化层为在通入氨气和氧化二氮的混合气体、对N型硅片的底表面进行富氢等离子体处理之后而制备生成的整体层状结构。
13.根据权利要求9所述的晶硅太阳能电池片，其特征在于，太阳能电池片还包括设置在P型掺杂层的顶表面上的氧化铝钝化层。
14.根据权利要求12的晶硅太阳能电池，其特征在于，还包括在氧化铝钝化层的顶表面上和N型钝化层的底表面上的减反膜，减反膜包括氮化硅整体膜结构、氮氧化硅整体膜结构、碳化硅整体膜结构、氧化硅整体膜结构中的至少一者。
15.根据权利要求9的晶硅太阳能电池，其特征在于，二氧化硅隧穿层的厚度为0.5nm-3nm。
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