CN111628050A - 实现电子局部钝化接触的方法、晶体硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实现电子局部钝化接触的方法，首先在去除损伤层的晶体硅衬底上制备隧穿氧化硅和非晶硅层，然后在这层非晶硅薄膜上局部覆盖磷掺杂剂，接着通过碱溶液刻蚀掉无局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅薄膜层，再通过退火将非晶硅充分晶化为多晶硅，同时也激活磷掺杂剂以及完成其在多晶硅薄膜内的再分布，最后在这个局部掺磷的多晶硅薄膜上制备金属化层。进一步，本发明还公开了一种具有电子局部钝化接触结构的晶体硅太阳能电池和相应的电池制备方法。本发明所公开的方法工艺简洁，成本较低，具有良好的工业化潜力；本发明给出的电池，正面光学性能良好、金属化复合低，可以获得更高的光生载流子收集几率和更少的光生载流子传输损失。

Description

实现电子局部钝化接触的方法、晶体硅太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种实现电子局部钝化接触结构的方法，以及将这种电子局部钝化接触结构应用于晶体硅太阳能电池和相应的电池制备方法。
背景技术
钝化接触（Tunnel Oxide and Passivated Contact，TOPCon）太阳能电池是一种新型高效太阳能电池，这种太阳能电池通过隧穿氧化硅和掺杂多晶硅钝化晶体硅太阳能电池（以下简称太阳能电池或电池）的表面，来实现光生载流子的选择性通过，也即多数载流子可以无障碍地通过隧穿氧化硅层进入到掺杂多晶硅薄膜内继而被收集，而与此同时少数载流子在隧穿氧化硅和硅的界面处的复合速率很低并且无法通过隧穿氧化硅到达掺杂多晶硅薄膜中。TOPCon电池可以实现光生载流子的一维收集，减小了少数载流子复合几率的同时，也增加了多数载流子的收集几率。由于TOPCon电池中的掺杂多晶硅（实际上应是多晶硅和微晶硅的混合体，但以多晶硅为主，为便于表述，本申请统称多晶硅）的光学吸收系数相对于晶体硅更大，这会导致照射到电池表面的光在这层多晶硅薄膜中被过多地吸收，从而显著降低了吸收层晶体硅衬底的光吸收。因此，钝化接触结构在应用于晶体硅太阳能电池时，更多地是应用于电池背表面。
在太阳能电池的正面采用局部钝化接触结构可以避免上述问题。这种结构的特征是，在非金属电极接触区域（以下简称非金属电极区域）不采用钝化接触结构，而在金属电极接触区域（以下简称金属电极区域）则采用钝化接触结构。相比于传统的全面积（也即包括非金属电极区域和金属电极区域）的钝化接触结构设计，采用局部钝化接触结构应用于电池正面，可以避免电池正面非金属电极区域采用掺杂多晶硅层而导致的光吸收较大的问题，从而增加了进入到晶体硅衬底的入射光的量，进而增加了晶体硅衬底中的光生载流子产生量。
目前实现这种局部钝化接触结构，普遍多采用光刻法、化学浆料刻蚀法。光刻法属于半导体芯片的制造方法，成本较高同时制备步骤较为繁琐；而采用化学浆料刻蚀法制备局部接触钝化结构也需要在多晶硅层实施掺杂、制备掩膜、印刷保护型或刻蚀型化学浆料、化学刻蚀以及去除掩膜等，制备步骤比较繁琐，成本较高。由此可见，采用这两种常用方法制备局部钝化接触结构，工艺步骤繁琐，而光刻胶和化学刻蚀浆料作为消耗材料成本也较高，从而导致总体的制备成本比较高，这就给局部钝化接触结构的应用带来了较大的难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明给出了一种简洁实用、低成本的实现电子局部钝化接触结构的方法。进一步，又将上述实现电子局部钝化接触结构的制备方法应用于太阳能电池，公开了一种具有电子局部钝化接触结构的晶体硅太阳能电池和相应的电池制备方法。
概括地说，本发明所给出的实现电子局部钝化接触的方法主要是通过生长隧穿氧化硅、沉积非晶硅、局部覆盖磷掺杂剂、化学溶液刻蚀、退火以及金属化等工艺步骤来联合实现这种结构。首先在已经去除损伤层的晶体硅衬底上制备隧穿氧化硅；紧接着在这层隧穿氧化硅层上制备非晶硅层。然后在这层非晶硅薄膜上通过丝网印刷或打印的方法印上一定图案的磷浆或磷墨水（在本文中又统称为局部覆盖磷掺杂剂），局部覆盖的磷掺杂剂图案和后续金属化电极图案相对应（本申请中指具有相同的轴心线）。磷浆或磷墨水除了具有实现磷掺杂功能之外，还具有如下特性：通过在其配方中添加辅助成分，使其在烘干固化后，能够有效地阻挡碱溶液的化学刻蚀。接着通过一定温度、浓度的碱溶液来刻蚀样品，该温度、浓度下的碱溶液对上述局部覆盖磷掺杂剂的非晶硅薄膜区域无法实现有效的刻蚀，从而使得该区域的非晶硅层得以完全保留，而无局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅薄膜层则可以被该温度、浓度下的碱溶液刻蚀掉。接着通过退火将上述保留的局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅晶化充分为多晶硅，同时也激活磷浆或磷墨水中的磷掺杂剂以及完成其在多晶硅薄膜内的再分布。最后在这个局部掺磷的多晶硅薄膜上制备金属化层（金属电极图案和局部掺磷多晶硅图案相对应）。至此形成本发明所述的电子局部钝化接触结构。
基于上述给出的实现电子局部钝化接触结构的方法，本发明又继续给出一种简洁实用、低成本的晶体硅太阳能电池和相应的制备方法。具体来说，是将所述电子局部钝化接触结构应用于电池正面（钝化电池正面的金属电极区域），在电池制备方法上则结合了所给出的制备电子局部钝化接触结构的方法。这种晶体硅太阳能电池的衬底可以选用p型硅或n型硅；电池正面采用电子局部钝化接触；电池背面可以采用全面积的空穴局部钝化接触，也可以采用常规的p型掺杂结和相应的钝化膜。更为具体的电池结构特征描述和电池制备方法会在具体实施方式文中给出。
有益效果：
1）本发明给出的电子局部钝化接触的制备方法和相应晶体硅太阳能电池的制备方法，工艺简洁，成本较低，具有良好的工业化潜力。
2）本发明给出的电池，其正面光学性能良好、金属化复合低，可以获得更高的光生载流子收集几率和更少的光生载流子传输损失，从而可以有效地提升电池的开路电压、短路电流和光电转换效率，也有效地提升其应用于光伏组件和系统的发电量。
附图说明
图1是实施例1所述的制备所述电子局部钝化接触结构的工艺流程图。
图2是实施例1所述的制备所述电子局部钝化接触结构的工艺流程中所对应的硅片样品的结构示意图，其中，图2-a：在局部覆盖磷掺杂剂后（实施例1中第“4）”步完成后）；图2-b：碱溶液化学刻蚀完成后：局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层得以完全保留，未覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层则被完全刻蚀掉，紧接着又继续在硅片表面完成制绒（对应于实施例1中第“5）”步完成后）; 图2-c：经过退火后（实施例1中第“6）”步完成后）; 图2-d：对局部掺磷多晶硅薄膜区域实施金属化后（实施例1中“第7）”步完成后），也是所述电子局部钝化接触结构的最终结构示意图。
图3是实施例2和3所述的晶体硅太阳能电池结构的示意图，即：电池正面采用电子局部钝化接触，电池背面采用全面积的空穴钝化接触。
图4是实施例2和4所述的晶体硅太阳能电池结构的示意图，即：电池正面采用电子局部钝化接触，电池背面采用常规的p型掺杂结和钝化层。
附图标注：
图2：11-p型硅(或n型硅)，12-隧穿氧化硅，13-本征非晶硅，14-局部磷掺杂剂(磷浆或磷墨水)，15-绒面，16-掺磷多晶硅，17-金属电极；
图3：21-p型硅(或n型硅)，22-隧穿氧化硅，23-掺磷多晶硅，24-n型掺杂结，25-氮化硅，26-正面银电极，27-掺硼多晶硅，28-背面银电极；
图4：31- p型硅(或n型硅)，32-隧穿氧化硅，33-掺磷多晶硅，34- n型掺杂结，35-氮化硅，36-正面银电极，37-p型掺杂结，38-氮氧化硅或氧化铝，39-背面银铝电极。
具体实施方式
首先，本发明给出一种可以实现电子局部钝化接触结构的方法，下面通过实施例1结合图1和图2，给出其主要制备工艺过程，但以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。实施例1主要包括以下步骤：
1）选用一种单晶n型硅片或p型硅片，也可以选用多晶或类单晶硅片，并局不限于此。对所选用的硅片用碱溶液（例如：氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH）或酸溶液（例如：硝酸和氢氟酸的混合溶液等）进行抛光刻蚀去除损伤层。可选地，也可以在去除损伤层后继续使用碱溶液制绒，以在硅片表面形成随机金字塔形貌的绒面。
2）在硅片表面制备隧穿氧化硅，具体方法可通过热氧化、硝酸氧化、臭氧氧化、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方法实现，也不限于此。隧穿氧化硅厚度0.5-2 nm（更优选地在1.2-1.6 nm），折射率是1.45-1.5左右。
3) 在隧穿氧化硅层上制备本征非晶硅，具体可采用低压化学气相沉积（LPCVD）、PECVD或物理气相沉积（PVD）等方法制备，也不限于此。厚度在10-300 nm范围（更优选地在70-150 nm）。
4) 在非晶硅层上局部覆盖磷掺杂剂
通过丝网印刷的方法在非晶硅层上印刷一定图案的磷浆，并烘干磷浆，烘干工艺可采用平板式或链式的快速热处理炉（以下简称“快速热处理炉”），烘干温度一般在70-200°C，烘干时间1-10 min（优选：1-2 min），氮气气氛。或者也可以采用打印（比如inkjetprinting or aerosol Jet printing）的方法在非晶硅层上印磷墨水，并烘干磷墨水，烘干工艺与上述的磷浆烘干类似。
磷浆或磷墨水除了具有实现掺杂功能之外，还应具有如下特性：通过在其配方中添加某种辅助成分，使其在烘干固化后，能够有效地阻挡碱溶液的化学刻蚀。所述磷浆或磷墨水的配置方法不限。一般地，能够帮助实现阻挡碱溶液刻蚀的辅助成分可以以有机化合物为主，比如脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸共聚物、苯甲酸钠、甜菜碱、马来酸等等，再配合添加一定量的表面活性剂；然后通过化学合成工艺将其合成磷浆和磷墨水中。实现上述功能的辅助成分具有在70-200°C烘干固化工艺中不挥发的特性。烘干气氛一般是氮气或压缩空气。
局部覆盖磷掺杂剂的图案（也即最终所形成的电子局部钝化接触结构中的局部磷掺杂多晶硅区域的图案）可以设计成等间距栅线状分布（也即H pattern），也可以设计成点阵分布，并不局限于此。由于考虑到所述电子局部钝化接触结构主要应用于电池正面用以钝化金属电极区域，同时本步所述的局部覆盖磷掺杂剂的图案需要和后续金属化电极的图案要相互对应，因此这里需兼顾考虑金属电极图案设计中遮光率和串联电阻两个因素，所以在实际应用中，更为典型的是采用栅线状分布的图案设计。
在本步完成后如图2-a所示。
5）通过碱溶液的化学刻蚀来完成对无局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层的刻蚀。
在有局部覆盖磷掺杂剂（前述印刷磷浆或打印磷墨水）的非晶硅薄膜区域，在前述的磷浆或磷墨水中所添加的辅助成分的帮助下，能够很有效地阻挡所述温度、浓度条件下的碱溶液刻蚀，从而使该区域的掺磷非晶硅层在化学刻蚀后会完全保留；另一方面，在无局部覆盖磷掺杂剂的非晶硅薄膜区域则被所述温度、浓度下的碱溶液完全刻蚀掉。这里，碱溶液可以是NaOH或KOH，也不局限于此。碱溶液的温度、浓度和刻蚀时间等参数范围要根据非晶硅厚度进行选择。一般地，NaOH或KOH的质量浓度是0.5-20%（优选：0.5-5%），温度是10-95°C（优选：20-80°C），刻蚀时间是2-20 min（优选：2-7 min）。
此外还需要注意一点，本步需要实现的是对所述区域的非晶硅层完成纵向刻蚀，但在实际中也同步会发生横向刻蚀。考虑到在具体应用于电池时，一般地，电池正面的局部掺磷多晶硅的图案（这里以栅线状图案为例）的每根栅线的线宽一般在20-200 μm，而在纵向上需要刻蚀的非晶硅层厚度最多也就在200-300 nm范围。因此相应地，横向刻蚀宽度最多也就在200-300 nm范围内，即使考虑到实际中的工艺窗口一般也不会超过1-2 μm。因此这种横向刻蚀对最终所需要形成的电子局部钝化接触结构影响并不大，可以忽略。
本步完成后，如果2-b所示。
6）通过退火工艺使局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层晶化为多晶硅，在退火中，局部覆盖的磷掺杂剂也得以激活并在多晶硅薄膜内进行再分布。退火可以通过炉管或快速热处理炉完成，也不局限于此。退火工艺参数需要兼顾非晶硅到多晶硅的充分晶化，以及局部磷掺杂剂的充分激活和再分布。一般地，退火温度是750-950°C，时间是20-100 min，气氛是氮气。在具体应用于电池时，为能更好地实现掺磷多晶硅层的场钝化作用，经本步所述的退火后，局部掺磷多晶硅层的磷掺杂表面浓度一般不低于1E20 cm-3（优选：2E20-5E20 cm-3），方块电阻为20-100 Ω/□（优选：40-70 Ω/□）。
需要说明的是，在步骤4）通过丝网印刷磷浆或打印磷墨水来局部覆盖的磷掺杂剂，在通过步骤6）炉管或快速热处理炉的退火过程中，在样品表面被烘干后的磷浆或磷墨水中的磷掺杂剂可能会有少量的会在高温下挥发到热处理炉的气氛中。这样一来，在高温退火中，这些挥发的磷掺杂剂会扩散进入到未局部覆盖的磷掺杂剂的区域（也即电池中的非金属电极区域）。但是，由于这部分因高温挥发而导致掺杂到非金属电极区域的磷的表面浓度并不会很高，一般地会小于1E18 cm-3，考虑到在电池制备中所述非金属电极区域仍需要实施磷掺杂形成n型掺杂结，该n型掺杂结的表面磷浓度一般要大于5E19 cm-3， 所以所述的较低浓度的因高温挥发而导致掺杂到非金属电极区域的磷，对实际应用中的电池制备影响并不大，可以忽略。
本步完成后，如果2-c所示。
7）最后对局部掺磷多晶硅薄膜区域进行金属化，金属化材料一般选用银，具体制备方法可以采用丝网印刷、电镀或PVD等技术并结合快速热处理退火工艺，也不局限于此。通过对准式的金属化技术，实现金属化电极图案和局部掺磷多晶硅层的图案之间的相互对应。一般地，金属电极区域的面积要小于或等于局部掺磷多晶硅层的图案面积（最优选是两个图案完全重叠）。本步完成后如图2-d所示。
至此，形成了本发明所给出的电子局部钝化接触结构（图2-d）。
基于上述给出的实现电子局部钝化接触的制备方法，下面的实施例2给出将这种实现电子局部钝化接触的制备方法应用于具体的晶体硅太阳能电池，并给出这种具有局部电子钝化接触结构的太阳能电池的结构特征描述以及相应的电池制备方法。
概况地说，这种电池结构的主要特征是将上述电子局部钝化接触结构应用于电池正面，用以钝化电池正面的金属电极区域，而电池背面结构设计则可以兼容目前绝大多数晶体硅太阳能电池的背面结构设计。基于此，本发明所给出的电池结构可分为两类：第1类电池结构是电池两个面都采用钝化接触结构，也即正面采用电子局部钝接触化，背面采用全面积的空穴钝化接触，以及相应的正背面金属化，如图3所示；第2类电池结构是电池正面采用电子局部钝化接触，背面采用常规的p型掺杂结和钝化膜，以及相应的正背面金属化，如图4所示。相应地，电池制备方法则结合了前述给出的制备电子局部钝化接触结构的方法。下面结合具体电池结构的特征描述，具体给出电池制备方法。
首先，在衬底材料的选择上，所述的晶体硅太阳能电池可以选用单晶p型或n型硅片，也可以选用多晶或类单晶硅片；厚度可以是100-300 μm，电阻率可以是0.1-10 Ω·cm，更优选地，选用单晶p型硅片或n型硅片，厚度130-170 μm，电阻率0.5-3 Ω·cm。
其次，电池正面的结构特征描述和制备方法具体说明如下：
电池正面具有绒面；电池正面的非金属电极区域需要有n型掺杂结，而金属电极区域则采用所述的电子局部钝化接触结构；电池正面还需要有减反射膜，该减反射膜兼起到钝化非金属电极区域n型掺杂结的作用。由于前述已经详细给出了电子局部钝化接触结构的制备方法，此处不再赘述；下面会在此基础上，给出电池正面结构中其他几项特征要素的制备方法。
①. 电池正面的绒面
电池正面需要具有绒面，比如随机金字塔绒面结构，也可以是倒金字塔结构，或V型槽结构，也不局限于此。因为电池正面的电子局部钝化接触结构只需要在金属电极区域（也即局部掺磷区域）形成非晶硅层（随后再通过退火晶化为多晶硅层），所以非金属电极区域的非晶硅层需要通过碱溶液来化学刻蚀掉。这样一来，该碱溶液同样有条件对所刻蚀区域的非晶硅层下方的硅衬底进行化学刻蚀形成织构化绒面结构。因此，在实际电池制备中，可以利用这步碱溶液化学刻蚀来完成电池正面的绒面结构制备。
这里分两种情况，下面以单晶硅衬底为例对这两种情况进行分别说明。第一种情况是，用来刻蚀非金属电极区域（也即无局部覆盖磷掺杂剂区域）的非晶硅层的碱溶液刻蚀工艺参数条件，同样也适合用于在单晶硅衬底上进行制绒，那么就可以利用所述该碱溶液，在化学刻蚀掉非金属电极区域的非晶硅层之后，随即进行碱制绒得到随机金字塔绒面。第二种情况是，用来刻蚀非金属电极区域非晶硅层的碱溶液刻蚀工艺参数条件，并不适合用于在单晶硅衬底上进行制绒，那么在完成非金属电极区域非晶硅层的化学刻蚀后，再继续利用合适的碱溶液工艺条件来制备绒面。在实际应用中，第一种情况会使电池工艺流程更为简明，成本更低，但同时也要结合具体电池工艺来看。一般对于单晶硅，碱制绒工艺条件是，温度为65-85°C（优选：70-80°C），NaOH或KOH质量浓度是2%-5%（优选：2%-3%），制绒时间4-20 min（优选：5-12 min）。
②. 电池正面非金属电极区域的n型掺杂结
电池正面的非金属电极区域下方需要有n型掺杂结，可以是pn结（对应于p型硅衬底），也可以是高低结（对应于n型衬底）。该n型掺杂结的具体制备方法不限，可以采用三氯氧磷扩散、离子注入、APCVD沉积磷硅玻璃结合退火、磷源旋涂或激光掺杂，等等。应该注意到，上述磷掺杂结制备工艺方法多是实施整面均匀的磷掺杂，而本步骤只需要在非金属电极区域制备n型掺杂结，那么如果在本步中采用上述工艺方法在电池正面实施了整面的磷掺杂，其结果对于电池正面最终所需要的局部掺磷多晶硅区域（也即正面金属电极区域）而言，是进一步增强了该区域的场钝化作用的，并无明显副作用。考虑到电池工艺制备的简洁性，更优选地，可以采用选择性的磷离子注入结合退火来完成本步骤的制备（也即只在非金属电极区域实施磷掺杂），在使用选择性离子注入技术时，通过掩膜版的配合来实现特定区域的掺杂剂注入。在完成本步制备后，一般地，非金属电极区域n型掺杂结的表面磷掺杂浓度是5E19-1E20 cm-3（优选：7E19-9E19 cm-3），方块电阻是40-150 Ω/□（优选：80-120 Ω/□）。
③.电池正面的钝化减反射膜
所述电池正面的钝化减反膜可以是氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氧化铝中的一种或者多种的叠加，也并不局限于此，制备方法不限。可选地，所述钝化减反膜的厚度是60-100 nm（优选：70-80 nm），折射率是1.5-2.3（优选：1.8-2.1）。
此外，一般在电池制备中，在掺磷多晶硅层上会再覆盖上一层氮化硅或氮氧化硅膜，作为后续金属化的缓冲阻挡层，用来缓冲阻挡金属在后续烧结退火中过多地扩散穿过掺磷多晶硅层和隧穿氧化硅层而进入硅衬底，最理想的是将金属完全限制在多晶硅层内。这层氮化硅或氮氧化硅一般通过PECVD工艺制备，也不局限于此；其厚度一般是50-180 nm（优选：70-100 nm），折射率是1.8-2.3（优选1.9-2.1）。
因此，在实际的电池工艺制备中，正面钝化减反射膜如果采用氮化硅或氮氧化硅，正好可以起到上述金属化缓冲层的作用。
④. 电池正面的金属化：
电池正面的金属化也就是对有局部掺磷多晶硅薄膜区域进行金属化，其制备方法和图案设计前面已经给出，此处不再赘述。
再次，电池背面结构特征描述和制备方法具体说明如下：
电池背面可以采用全面积（也即整面均匀的）的空穴钝化接触结构，也可以采用常规的p型掺杂结和钝化膜，以及相应的金属化。具体说明如下：
（1）电池背面是全面积的空穴钝化接触结构（如图3）
①. 电池背面的形貌可以是抛光面或绒面形貌，抛光面结构可以通过前述的碱溶液或酸溶液抛光刻蚀去除损伤层的步骤来制备，绒面结构制备则可以整合在电池制备中的合适步骤通过碱溶液刻蚀完成。
②. 隧穿氧化硅层：电池背面的隧穿氧化硅层的厚度和折射率以及相应的制备方法，与电池正面的隧穿氧化硅层相同，不再赘述。一般地，可以采用热氧化或者化学氧化（比如硝酸）同时完成电池正面和背面的隧穿氧化硅膜的生长。
③. 掺硼多晶硅层
掺硼多晶硅层主要有两类制备方法，也不局限于此。第一类方法，通过LPCVD、PECVD或PVD等方法沉积本征非晶硅，然后采用三溴化硼（BBr3）或三氯化硼（BCl3）扩散，或离子注入结合退火，来完成硼掺杂。第二类方法是在PECVD沉积非晶硅时，通入乙硼烷（工艺气体一般是硅烷、氢气和乙硼烷，以及氮气）来在线掺入硼掺杂剂，然后退火。退火可以采用炉管或快速热处理炉的高温退火等，也不限于此。退火工艺参数的选择要兼顾考虑完成从非晶硅到多晶硅的充分晶化，以及硼的充分激活和在多晶硅层内的再分布。上述制备完成后，可选地，掺硼多晶硅层的厚度是30-200 nm（优选70-150 nm），掺硼多晶硅的表面硼掺杂浓度1E19-1E21 cm-3（优选8E19-2E20 cm-3），硼方块电阻30-150 Ω/□（优选50-100 Ω/□）。
一般地，在掺硼多晶硅层上会再覆盖上一层氮化硅或氮氧化硅膜，作为后续金属化的缓冲阻挡层，用来缓冲阻挡金属在后续烧结退火中过多地扩散穿过掺硼多晶硅层和隧穿氧化硅层而进入硅衬底，最理想的是将金属完全限制在多晶硅层内。这层氮化硅或氮氧化硅一般通过PECVD工艺制备，也不局限于此；其厚度一般是50-180 nm（优选：70-100 nm），折射率是1.8-2.3（优选1.9-2.1）。
④. 电池背面金属化的材料选择和制备方法与电池正面金属化相同，不再赘述；不同的是，背面金属化一般不需要进行对准。背面金属化电极图案一般也采用等间距栅线设计，也可以采用全面积的金属化（往往与PVD银技术相结合），也不局限于此。
（2）电池背面是常规的p型掺杂结和钝化膜（如图4）
①. 电池背面的形貌同上（1）-①，不再赘述。
②. 电池背面的p型掺杂结
电池背面的p型掺杂结，可以是pn结（对应于n型硅衬底），也可以是高低结（对应于p型衬底）；可以是整面的均匀结，也可以是选择性掺杂结（也即非金属电极区轻掺杂，金属电极区重掺杂）。具体制备方法不限，可以采用比如炉管硼扩散（BBr3或BCl3）、离子注入、APCVD沉积硼硅玻璃结合退火，硼浆掺杂等等。一般地，电池背面的p型掺杂结，表面浓度是7E18-5E19 cm-3（优选：9E18-2E19 cm-3），方块电阻是40-150 Ω/□（优选：80-120 Ω/□）。
③. 电池背面钝化膜可以是氧化铝、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅中的一种或多种叠加，制备方式不限。背面钝化层厚度50-200 nm，折射率1.4-2.5，也不局限于此。
④. 电池背面金属化可以采用丝网印刷银铝浆、电镀镍+铜+银或PVD铝等方法，并结合快速热处理工艺，也不局限于此。金属电极图案一般采用等间距栅线状设计，也不局限于此。如果电池背面的p型掺杂结是选择性掺杂结，金属化需采用对准技术。
基于上述说明，下面通过实施例3和实施例4说明将本发明所述的局部电子钝化接触结构应用于具体太阳能电池结构时，所相应的电池制备方法。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例3公开一种具有电子局部钝化接触结构的太阳能电池结构及其制备方法。本实施例所给出的电池结构如图3所示，电池正面采用电子局部钝化接触，电池背面采用全面积的空穴钝化接触。衬底材料这里选用p型单晶硅（也可以选用n型单晶硅）。电池制备方法具体如下：
A1：选用一种156mm*156mm的（100）晶向的p型单晶硅片，电阻率1 Ω·cm，厚度180 μm。
A2：采用NaOH溶液抛光去除所述p型硅片表面的损伤层（约10 μm）。
A3：采用热氧化工艺在所述p型硅片的表面制备隧穿氧化硅层，厚度1.5 nm，折射率1.46。本步制备的隧穿氧化硅层主要用于形成电池背面全面积的空穴钝化接触结构。
A4：采用PECVD工艺在所述p型硅片背面制备非晶硅膜，并在工艺中通入乙硼烷实现在线掺入硼掺杂剂，膜厚是120 nm。随后进行炉管退火，完成硅片背面非晶硅到多晶硅的充分晶化，激活在线掺入的硼掺杂剂以及硼在多晶硅层的再分布。退火温度960°C，时间40min，氮气气氛。退火完成后，所述p型硅片背面的掺硼多晶硅层的硼表面浓度是1E20 cm-3，方块电阻是50 Ω/□。
A5：采用PECVD工艺在所述p型硅片背面制备氮化硅膜，厚度110 nm，折射率是2.0。这层氮化硅膜一方面作为后续背面金属化的缓冲阻挡层，另一方面也兼作为后续电池工艺步骤（从A6-A10）中对所述p型硅片背面的保护膜。
A6：上述步骤A4会使硅片正面也有很少量绕镀的掺硼多晶硅层，主要集中在硅片正面边缘区域，所以在本步采用硝酸和氢氟酸的混合溶液结合水上漂的湿法刻蚀设备，刻蚀掉所述p型硅片正面边缘的这部分绕镀的掺硼多晶硅层。硝酸质量浓度40%，氢氟酸质量浓度4%，溶液温度为7°C 刻蚀时间20-30 sec。紧接着继续利用水上漂的湿法刻蚀设备，通过热硝酸氧化，在所述p型硅片正面制备隧穿氧化硅层，厚度1.3 nm，折射率1.46。其中，硝酸质量浓度是68%，温度 60°C。
A7：采用PECVD工艺在所述p型硅片正面制备本征非晶硅，厚度是70 nm。由于通过PECVD方法沉积本征非晶硅层，绕镀很少，并且主要产生在硅片背面边缘，而此时硅片背面边缘已经有了一层氮化硅作为保护层（由前述步骤A5制备），所以本步产生的极少量的绕镀在硅片背面的非晶硅层也主要沉积在了硅片背面的氮化硅上，对电池背面结构影响极小。
A8：通过丝网印刷的方法在所述p型硅片正面的非晶硅层上印刷磷浆，将其烘干（烘干温度100°C，烘干时间1-2 min）。所述磷浆应具有如下特性：通过在其配方中添加某种辅助成分，使其在烘干固化后，能够有效地阻挡碱溶液的化学刻蚀。局部覆盖磷掺杂剂的图案采用等间距栅线分布设计，其线宽是100 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）1.6 mm。
A9：采用NaOH溶液对所述p型硅片正面的无局部覆盖磷掺杂剂（前述步骤A8中印刷的磷浆）的非晶硅薄膜区域进行刻蚀，将该区域的非晶硅层全部刻蚀掉。由于有局部覆盖磷掺杂剂的非晶硅薄膜区域能非常有效地阻挡碱溶液刻蚀，从而在化学刻蚀后得以完全保留。KOH溶液质量浓度是3%，温度70°C，刻蚀时间1.5-2 min。紧接着，继续利用本步所述KOH溶液对硅片进行制绒，制绒时间为7-8 min。需要强调，在步骤A5制备的背面氮化硅膜在这步碱溶液刻蚀中对所述p型硅片背面起到很好的保护作用。
A10：采用选择性离子注入的方法，在所述p型硅片正面未局部覆盖磷掺杂剂的区域（也即最终电池的非金属电极区域）实施磷离子注入。然后采用炉管退火。这步退火，一方面可以使前述步骤A8中局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层充分晶化为多晶硅层；另一方面，这步退火还可以对步骤A8中印刷磷浆的磷掺杂剂和本步中在非金属电极区域选择性离子注入的磷掺杂剂，同时完成激活和再分布。退火温度850-875°C，时间是30-45 min，氮气气氛。经本步退火后，局部掺磷多晶硅层的磷掺杂表面浓度是3E20 cm-3，方块电阻为45 Ω/□；非金属电极区域的磷掺杂表面浓度是8E19 cm-3，方块电阻是100 Ω/□。
A11：在所述p型硅片正面制备钝化减反膜，采用PECVD方法沉积氮化硅膜，厚度80nm，折射率是2.05。
A12：通过丝网印刷银浆结合烧结的方法在所述p型硅片正面和背面实施金属化，其中硅片正面的金属化需要采用对准技术，也即实现前述的局部掺磷多晶硅区域和金属电极区域的对准。电池正面金属化的栅线图案设计，其线宽是30 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）1.6 mm。
A13：采用激光边缘隔离工艺，将所述p型硅片边缘进行电学隔离。
实施例4公开另一种具有电子局部钝化接触结构的太阳能电池结构及其制备方法。本实施例所给出的电池结构如图4所示，电池正面采用电子局部钝化接触，电池背面采用p型掺杂结和相应的钝化膜。本例中衬底材料选用n型单晶硅（同样也可以用p型单晶硅），电池制备方法具体如下：
B1：选用一种156mm*156mm的（100）晶向的n型单晶硅片，电阻率1 Ω·cm，厚度180 μm。
B2：利用NaOH溶液抛光去除所述n型硅片表面的损伤层（约10 μm）。
B3：通过离子注入结合炉管退火的方法对所述n型硅片背面实施整面均匀的硼掺杂，硼表面浓度是1 E19 cm-3，方块电阻是90 Ω/□。
B4：利用PECVD工艺在所述n型硅片背面制备氮氧化硅膜，厚度120 nm，折射率是1.9。这层氮氧化硅膜一方面作为背面硼结的钝化膜，另一方面也兼作为后续电池工艺步骤（从B5-B8）中对所述n型硅片背面的保护膜。
B5：采用PECVD工艺在所述n型硅片正面制备隧穿氧化硅和本征非晶硅。其中，隧穿氧化硅厚度1.6 nm，折射率1.46；本征非晶硅厚度是90 nm。由于PECVD方法的绕镀很少，并且主要产生在硅片背面边缘，而此时硅片背面边缘已经有了一层氮氧化硅作为保护层（由前述步骤B5制备），所以本步产生的极少量的绕镀在硅片背面的非晶硅层也主要沉积在了硅片背面的氮氧化硅膜上，对电池背面结构影响极小。
B6：通过Inkjet printing的方法在所述n型硅片正面的非晶硅层上打印磷墨水，将其烘干（烘干温度100°C，烘干时间1-2 min）。所述磷墨水应具有如下特性：通过在其配方中添加某种辅助成分，使其在烘干固化后，能够有效地阻挡碱溶液的化学刻蚀。局部覆盖磷掺杂剂的图案采用等间距栅线分布设计，其线宽是75 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）1.5 mm。
B7：采用NaOH溶液对所述n型硅片正面的无局部覆盖磷掺杂剂（前述步骤B6中打印的磷墨水）的非晶硅薄膜区域进行刻蚀，将该区域的非晶硅层全部刻蚀掉。由于有局部覆盖磷掺杂剂的非晶硅薄膜区域能非常有效地阻挡碱溶液刻蚀，从而在化学刻蚀后得以完全保留。NaOH溶液质量浓度是2%，温度70°C，刻蚀时间2.5 min。紧接着，继续利用本步所述NaOH溶液对硅片进行制绒，制绒时间为5 min。需强调，在步骤B4制备的背面氮氧化硅膜在这步碱溶液刻蚀中对所述n型硅片背面起到了很好的保护作用。
B8：采用选择性离子注入的方法，在所述n型硅片正面未局部覆盖磷掺杂剂的区域（也即最终电池的非金属电极区域）实施磷离子注入。然后采用炉管退火。这步退火，一方面可以使前述步骤B6中局部覆盖磷掺杂剂区域的非晶硅层充分晶化为多晶硅层；另一方面，这步退火还可以对步骤B6中打印磷墨水的磷掺杂剂和本步中在非金属电极区域选择性离子注入的磷掺杂剂，同时完成激活和再分布。退火温度850-875°C，时间是30-45 min，氮气气氛。经本步所述退火后，局部掺磷多晶硅层的磷掺杂表面浓度是2E20 cm-3，方块电阻为55Ω/□；非金属电极区域的磷掺杂表面浓度是7.5E19 cm-3，方块电阻是110 Ω/□。
B9：在所述n型硅片正面制备钝化减反膜，采用PECVD方法沉积氮化硅膜，厚度75nm，折射率是2.05。
B10：通过丝网印刷金属浆料结合烧结的方法在所述n型硅片的正面和背面实施金属化，其中正面采用银浆，背面采用银铝浆。硅片正面的金属化需要采用对准技术，也即实现前述的局部掺磷多晶硅区域和金属电极区域的对准。电池正面金属化的栅线图案设计，其线宽是30 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）1.5 mm。
B11：采用激光边缘隔离工艺，将所述n型硅片边缘进行电学隔离。
最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (23)

1.一种实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一种晶体硅衬底；
在所述晶体硅衬底表面制备隧穿氧化硅；
在所述隧穿氧化硅表面制备本征非晶硅；
在所述非晶硅表面局部覆盖磷掺杂剂；
采用碱溶液对硅衬底进行刻蚀，去除覆盖磷掺杂剂区域之外的非晶硅，所述磷掺杂剂区域的非晶硅被保留；
将刻蚀后的硅衬底进行高温退火工艺，实现非晶硅到多晶硅的转变，同时所述磷掺杂剂被激活并在多晶硅薄膜内再分布，形成局部磷掺杂；
制备金属电极，所述金属电极位于局部磷掺杂区域的正上方；
至此，形成电子局部钝化接触结构。
2.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，所述磷掺杂剂中含有用于帮助实现阻挡碱溶液刻蚀非晶硅的辅助成分，所述辅助成分以有机化合物为主，所述有机化合物包括脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸共聚物、苯甲酸钠、甜菜碱、马来酸中的一种或组合。
3.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，在所述非晶硅表面局部覆盖磷掺杂剂，具体包括：通过丝网印刷的方式在非晶硅表面局部覆盖磷浆，然后对所述磷浆进行烘干固化；或者通过打印的方式在非晶硅表面局部覆盖磷墨水，然后对所述磷墨水进行烘干固化。
4.如权利要求3所述的实现电子局部钝化接触的方法，采用平板式或链式的快速热处理炉对所述磷浆进行烘干固化，所述烘干温度为70-200°C，烘干时间1-10 min，烘干气氛为氮气或压缩空气。
5.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，所述非晶硅表面覆盖的磷掺杂剂是图案化的，所述图案与金属电极的图案相对应。
6.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，所述碱溶液为NaOH溶液或KOH溶液，所述碱溶液的质量浓度为0.5-20%，温度为10-95°C，刻蚀时间为2-20分钟。
7.如权利要求6所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，所述碱溶液的质量浓度为0.5-5%，温度为20-80°C，刻蚀时间为2-7分钟。
8.如权利要求7所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，还包括继续采用所述碱溶液在硅衬底表面形成绒面结构，所述碱溶液的质量浓度为2-5%，温度为65-85°C，刻蚀时间为4-20分钟。
9.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，采用炉管或快速热处理炉进行退火处理；退火后，所述晶体硅衬底表面形成均匀的多晶硅层。
10.如权利要求9所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，退火温度为750-950°C，退火时间为20-100分钟，炉内气氛是氮气。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，退火后，局部掺磷多晶硅层的磷掺杂表面浓度不低于1E20 cm-3，方块电阻为20-100 Ω/□。
12.如权利要求11所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，所述局部掺磷多晶硅层的磷掺杂表面浓度为2E20 cm-3-5E20 cm-3，方块电阻为40-70 Ω/□。
13.如权利要求1所述的实现电子局部钝化接触的方法，其特征在于，所述隧穿氧化硅层的厚度为0.5-2 nm；所述非晶硅的厚度为10-300 nm。
14.一种晶体硅太阳能电池，其特征在于，包括：
晶体硅衬底；
位于晶体硅衬底正面的电子局部钝化接触结构、n型掺杂结和钝化减反射膜；所述电子局部钝化接触结构包括依次形成于晶体硅衬底正面的隧穿氧化硅层、掺磷多晶硅和正面金属电极，所述正面金属电极与隧穿氧化硅层和掺磷多晶硅的位置相对应；所述晶体硅衬底正面为绒面结构，所述n型掺杂结为整面均匀的掺杂或者电子局部钝化接触结构之外区域的选择性掺杂，所述钝化减反射膜为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氧化铝中的一种或者多种的叠加；
位于晶体硅衬底背面的全面积空穴钝化接触结构；所述空穴钝化接触结构包括依次形成于晶体硅衬底背面的隧穿氧化硅层、掺硼多晶硅和背面金属电极；所述晶体硅衬底背面还包括形成于掺硼多晶硅表面的氮化硅或氮氧化硅膜；所述晶体硅衬底背面为抛光面或绒面结构。
15.一种晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一种晶体硅衬底；
去除所述晶体硅衬底表面的损伤层，在晶体硅衬底表面形成背面所需形貌；
在去除损伤层后的晶体硅衬底表面制备隧穿氧化硅层；
在所述晶体硅衬底背面沉积非晶硅膜并整面覆盖硼掺杂剂，对背面覆盖硼掺杂剂的晶体硅衬底进行退火处理，实现非晶硅到多晶硅的转变，同时所述硼掺杂剂被激活并在多晶硅薄膜内再分布，以在晶体硅衬底背面形成掺硼多晶硅层；
在所述掺硼多晶硅层表面沉积氮化硅或氮氧化硅膜，所述氮化硅或氮氧化硅膜作为掺硼多晶硅层的保护膜以及后续金属化的缓冲阻挡层；
采用硝酸和氢氟酸的混合溶液结合水上漂的湿法刻蚀设备，对晶体硅衬底正面进行化学刻蚀，去除在正面边缘形成的绕镀掺硼多晶硅，并通过热硝酸氧化在所述晶体硅衬底正面制备隧穿氧化硅层；
在所述隧穿氧化硅层表面沉积非晶硅膜并局部覆盖磷掺杂剂；
采用碱溶液对硅衬底进行刻蚀，去除晶体硅衬底正面覆盖磷掺杂剂之外区域的非晶硅，所述磷掺杂剂区域的非晶硅被保留；随即对所述晶体硅衬底进行制绒，在正面形成绒面结构；
对局部覆盖磷掺杂剂的晶体硅衬底进行退火处理，实现非晶硅到多晶硅的转变，同时局部覆盖的磷掺杂剂被激活并在多晶硅薄膜内再分布，以形成局部磷掺杂；
在所述晶体硅衬底正面局部覆盖磷掺杂剂区域之外的非晶硅区域进行n型掺杂，以形成整面均匀的n型掺杂结或者局部覆盖磷掺杂剂之外区域的选择性n型掺杂结；
在所述晶体硅衬底正面制备钝化减反膜；
在所述晶体硅衬底正面和背面制备金属电极，所述正面金属电极位于局部掺磷多晶硅区域正上方。
16.如权利要求15所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，采用碱溶液对硅衬底进行刻蚀之后，对局部覆盖磷掺杂剂的晶体硅衬底进行退火处理之前，通过采用选择性离子注入方式在晶体硅衬底正面局部覆盖磷掺杂剂之外区域进行选择性n型掺杂，在退火处理中，实现非晶硅到多晶硅的转变，以及局部覆盖的磷掺杂剂和选择性离子注入的磷掺杂剂同时被激活并在多晶硅薄膜内再分布，从而形成局部磷掺杂和选择性n型掺杂结。
17.如权利要求15所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述磷掺杂剂中含有用于帮助实现阻挡碱溶液刻蚀非晶硅的辅助成分，所述辅助成分以有机化合物为主，所述有机化合物包括脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸共聚物、苯甲酸钠、甜菜碱、马来酸中的一种或组合。
18.如权利要求15所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，还包括采用激光边缘隔离工艺对金属化后的晶体硅衬底的边缘进行电学隔离。
19.一种晶体硅太阳能电池，其特征在于，包括：
晶体硅衬底；
位于晶体硅衬底正面的电子局部钝化接触结构、n型掺杂结和钝化减反射膜；所述电子局部钝化接触结构包括依次形成于晶体硅衬底正面的隧穿氧化硅层、掺磷多晶硅和正面金属电极，所述正面金属电极与隧穿氧化硅层和掺磷多晶硅的位置相对应；所述晶体硅衬底正面为绒面结构，所述n型掺杂结为整面均匀的掺杂或者电子局部钝化接触结构之外区域的选择性掺杂，所述钝化减反射膜为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、氧化铝中的一种或者多种的叠加；
依次形成于晶体硅衬底背面的p型掺杂结、钝化膜和背面金属电极，所述晶体硅衬底背面为抛光面或绒面结构，所述p型掺杂结为整面均匀结或选择性掺杂结，所述钝化膜为氧化铝、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅中的一种或多种叠加。
20.一种晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一种晶体硅衬底；
去除所述晶体硅衬底表面的损伤层，在晶体硅衬底表面形成背面所需形貌；
在所述晶体硅衬底背面制备整面均匀的p型掺杂结或选择性p型掺杂结；
在所述晶体硅衬底背面p型掺杂结表面沉积氮化硅或氮氧化硅膜，所述氮化硅或氮氧化硅膜作为背面钝化膜以及p型掺杂结的保护膜；
在所述晶体硅衬底正面依次制备隧穿氧化硅层和本征非晶硅，在所述本征非晶硅表面局部覆盖磷掺杂剂；
采用碱溶液对硅衬底进行刻蚀，去除晶体硅衬底正面覆盖磷掺杂剂之外区域的非晶硅，所述磷掺杂剂区域的非晶硅被保留；随即对所述晶体硅衬底进行制绒，在正面形成绒面结构；
对局部覆盖磷掺杂剂的晶体硅衬底进行退火处理，实现非晶硅到多晶硅的转变，同时局部覆盖的磷掺杂剂被激活并在多晶硅薄膜内再分布，以形成局部磷掺杂；
在所述晶体硅衬底正面局部覆盖磷掺杂剂区域之外的非晶硅区域进行n型掺杂，以形成整面均匀的n型掺杂或局部覆盖磷掺杂剂之外区域的选择性n型掺杂；
在所述晶体硅衬底正面制备钝化减反膜；
在所述晶体硅衬底正面和背面制备金属电极，所述正面金属电极位于局部掺磷多晶硅区域正上方。
21.如权利要求20所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，采用碱溶液对硅衬底进行刻蚀后，对局部覆盖磷掺杂剂的晶体硅衬底进行退火处理前，通过采用选择性离子注入方式在晶体硅衬底正面局部覆盖磷掺杂剂之外区域进行选择性n型掺杂，在退火处理中，实现非晶硅到多晶硅的转变，以及局部覆盖的磷掺杂剂和选择性离子注入的磷掺杂剂同时被激活并在多晶硅薄膜内再分布，从而形成局部磷掺杂和选择性n型掺杂结。
22.如权利要求20所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述磷掺杂剂中含有用于帮助实现阻挡碱溶液刻蚀非晶硅的辅助成分，所述辅助成分以有机化合物为主，所述有机化合物包括脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸共聚物、苯甲酸钠、甜菜碱、马来酸中的一种或组合。
23.如权利要求20所述的晶体硅太阳能电池制备方法，其特征在于，还包括采用激光边缘隔离工艺对金属化后的晶体硅衬底的边缘进行电学隔离。
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