CN111969071A - 一种金属化方法和太阳能电池 - Google Patents

一种金属化方法和太阳能电池 Download PDF

Info

Publication number
CN111969071A
CN111969071A CN202010861421.9A CN202010861421A CN111969071A CN 111969071 A CN111969071 A CN 111969071A CN 202010861421 A CN202010861421 A CN 202010861421A CN 111969071 A CN111969071 A CN 111969071A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aluminum
silicon
annealing
substrate
silver
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010861421.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111969071B (zh
Inventor
黄海冰
符黎明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou Shichuang Energy Co Ltd
Original Assignee
Changzhou Shichuang Energy Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou Shichuang Energy Co Ltd filed Critical Changzhou Shichuang Energy Co Ltd
Priority to CN202010861421.9A priority Critical patent/CN111969071B/zh
Publication of CN111969071A publication Critical patent/CN111969071A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111969071B publication Critical patent/CN111969071B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Abstract

本发明给出一种新的金属化方法，主要是通过物理气相沉积结合退火热处理来制备一种铝‑硅/银叠层金属结构。所述铝‑硅/银叠层金属结构可以应用到p型或n型PERC、PERT、PERL电池、TOPCon电池以及IBC电池等高效电池中，实现对硅材料的p型（铝）掺杂和对p型掺杂结的金属化（包括形成欧姆接触和电导互联）。在铝‑硅/银叠层金属中，铝用于完成p型掺杂或形成p型掺杂结的欧姆接触，银用于增强互联电导的同时也能增加叠层金属的反射率，而添加一定含量的硅则用于抑制和防止铝尖楔效应和铝硅空洞效应。

Description

一种金属化方法和太阳能电池
技术领域
本发明属于晶体硅太阳电池技术领域，具体涉及一种制备铝-硅/银叠层金属的方法以及具有铝-硅/银叠层金属结构的太阳能电池。
背景技术
光伏发电利用半导体材料的光电效应把太阳辐射能直接转换成电能。作为一种可再生能源，光伏发电不受环境和地域限制，能够可持续发展、绿色环保，可以解决人类的能源危机和环境问题，从而在未来能源发展中占据重要战略地位。因此开发高效率、低成本的太阳能电池、组件和系统，是推动光伏产业稳定、全面和快速发展的关键。在各类太阳能电池中，晶体硅太阳能电池（以下简称晶硅电池）由于光电转换效率高、稳定性好以及制造成本低，在太阳能电池的工业化研究和和实际应用中最为普及。在晶硅电池的研究发展过程中，掺杂结、表面钝化、金属化和光学等先进技术的不断发展也带动着电池效率的逐步提升和电池制造成本的逐渐降低，也发展出了多种具有竞争力的高效晶硅电池，比如p型或n型PERC（passivated emitter and rear cell）、PERT（passivated emitter, rear totally-diffused）和PERL（passivated emitter, rear locally-diffused）电池，钝化接触（TOPCon）电池，背接触（IBC）电池等等。在上述的晶硅电池中，p型PERC电池已经实现了工业化，而其他几种晶硅电池距离工业化生产仍有些差距，这其中一个重要原因是p型掺杂结的金属-半导体接触区域的复合速率较高，欧姆接触性能也仍有差距。因此，开发高性能、低成本的p型掺杂结金属化技术可以进一步提升电池效率，对上述这些高效晶硅电池的工业化发展至关重要。
目前在晶硅电池工业化技术中，p型掺杂结的金属化主要采用丝网印刷金属浆料结合烧结的工艺路线，具体分为以下两类。第一类是在p型PERC电池中，采用丝网印刷的铝浆来形成电池的铝背场，以及此p型背场的金属化-包括金属半导体之间的欧姆接触（以下简称欧姆接触）和电导互联。由于铝的导电性仍不够出色，所以要印刷足够厚的铝浆以及在其上再印刷一层银电极，以更进一步降低电池的串联电阻。第二类是在p型或n型PERT和PERL电池中，p型掺杂结一般采用硼掺杂工艺完成，然后通过丝网印刷银铝浆料完成金属化，银铝浆料中的铝用于形成欧姆接触，银用于增强电导。在上述两类情况中，金属浆料中都需要有铝和银，其中铝的作用更为关键。在高温烧结过程中，铝和硅会发生相互作用，包括铝从固态转变为液态（熔点660°C）、铝和硅互扩散、铝在硅中的掺杂，以及铝硅共晶（温度577°C）等一系列物理化学过程。由于硅在铝中具有更高的扩散系数和溶解度（相比于铝在硅中而言）以及铝和硅相互作用的不均匀分布特点，在此过程中会伴随着发生铝尖楔（Spike）效应和铝硅空洞（Voids）效应。其中铝尖楔效应会更加集中在铝硅作用面的某些接触点，并且更易于垂直扩展（不易于横向扩展）而使得尖楔深度比较深，这就给硅衬底带来金属复合的增加，也会使pn结分流从而降低其质量甚至使其失效。铝硅空洞效应在局部金属/半导体接触的情形下更显著（比如PERC电池），会显著地降低铝背场质量、欧姆接触性能和铝的电导能力。铝硅作用的尖楔效应和空洞效应会显著地降低电池效率，由于电池的烧结工艺的快速热处理特点，这种负面影响更大。因此在上述第一类情况的铝浆和第二类情况的银铝浆中，会添加一定含量的硅粉，以使得铝和添加的硅在快速热处理中形成铝硅合金，这会有效地减少在高温快速热处理过程中硅往铝中的扩散和铝在铝中的溶解，从而能比较有效的抑制和防止铝尖楔效应和铝硅空洞效应。
采用丝网印刷技术路线的金属化技术在现阶段确实具有更低的电池生产制造成本，这也是由于其他更先进的金属化技术还不够成熟、工艺成本仍然较高所致。然而从长远看，金属浆料作为电池加工制造中不断消耗的材料，还需要首先通过金属（银和铝）来加工提炼制备（也就是说，金属浆料本身的研发和制造成本都是不可忽略的），这就在一定程度上潜在制约着电池工业化制造成本。更重要的是，采用丝网印刷铝浆和银铝浆来实现p型掺杂结的金属化技术会制约着电池效率的进一步提升，原因如下所述。第一，铝浆（以及银铝浆）的制备是将纳米级的铝粉和硅粉（以及银粉）混合成浆料形式的混合体。由这种制备工艺形成的材料，其微观尺度上的均匀性仍不够好，这会影响铝和银作为互联金属材料（也包括铝对掺杂的作用）的宏观性能。第二，浆料中金属铝和银的纯度不够高，在浆料制备中也难免会引入其他杂质，这势必会影响到铝在硅中形成的p型掺杂结的质量，给硅衬底带来各种杂质引起的表面和体内复合，以及影响金属化性能。第三，一般地，银铝浆料中的银含量会更高些。在烧结后，与硅表面接触的金属实际上是同时有铝和银。由于银对实现p型掺杂结的欧姆接触并没有任何实质贡献，这反而会增加不希望有的金属复合。而且，在银铝浆中添加硅粉的目的是为了有效抑制和防止铝尖楔效应和铝硅空洞效应；但由于银的加入，也会在一定程度上影响铝和硅的相互作用（铝硅合金），影响了添加硅粉应有的作用。综上所述，需要开发更高性能的p型掺杂结的金属化技术来解决上述问题，进而提高电池效率和推动工业化进展。
发明内容
为解决上述问题，本发明给出一种新的金属化方法，主要是通过物理气相沉积（PVD），来制备一种铝-硅/银（Al-Si/Ag）叠层金属。其中的物理气相沉积方式可以是常用的溅射工艺、蒸发工艺，但并不限于此。具体制备方法，概况地说，是首先通过共溅射或共蒸发等物理气相沉积方式来沉积铝和硅，然后继续采用物理气相沉积方式沉积一层银，再经过退火完成合金化形成Al-Si/Ag叠层金属结构，其中的铝和硅形成铝硅合金。
本发明给出的Al-Si/Ag叠层金属的金属化方法，可以有两类功能目的。第一类是实现对裸硅衬底的p型（铝）掺杂以及对该p型掺杂结的金属化。第二类是实现对硅衬底上已有的p型掺杂结（比如硼掺杂结）的金属化。需要注意的是，本发明所述的金属化包括欧姆接触和电导互联。在上述两类功能中，Al用于完成p型掺杂或形成p型掺杂结的欧姆接触，Ag用于增强互联电导的同时也能增加叠层金属的反射率，而添加一定含量的Si则用于抑制和防止铝尖楔效应和铝硅空洞效应。所述Al-Si/Ag叠层金属可以应用到p型或n型PERC、PERT、PERL电池、TOPCon电池以及IBC电池等高效电池中，有效地提升电池效率。
在Al-Si/Ag叠层金属（以下简写为Al-Si/Ag）中，通过共溅射或共蒸发等物理气相沉积方式沉积的铝和硅，在高温退火（真实峰值温度一般在660-850°C）的冷却过程中会形成铝硅合金。一般地，铝硅合金要依据合金中铝和硅的相对含量来准确地表达，也即Al-xat.%Si或Al-y wt.%Si，其中at.%表示原子百分含量，x是具体值，wt.%表示重量百分含量，y是具体值。但为简洁起见，本发明采用Al-Si表示铝硅合金。所述Al-Si/Ag中的银是在共溅射或共蒸发等物理气相沉积方式硅和铝之后再单独沉积的，因此从宏观上看，银和铝不会形成合金。从微观上看，经过高温退火后，在铝-硅合金和银的界面处，可能会形成比较复杂的Al-Si-Ag三元系统（Ag熔点约是962°C，银铝共晶温度约是562°C，Si熔点约是1410°C，银硅共晶温度约是840°C，铝-硅-银三元系统共晶温度约是550°C），这层界面处的Al-Si-Ag膜非常薄，能够改善Al-Si和Ag的界面，同时也不影响对Al-Si/Ag叠层金属材料的整体设计和宏观上所能实现的材料性能。因此本发明所述的Al-Si/Ag可以忽略界面处的薄层Al-Si-Ag膜，从宏观上看成是Al-Si/Ag叠层金属。
在所述Al-Si/Ag叠层金属的制备中，原材料铝、硅和银尽可能选择足够高的纯度，同时要兼顾原材料成本，一般地，重量纯度可以在99.99％以上。对于铝中所添加的硅含量，除需要考虑主要目的之外，还需要综合考虑多种因素。硅含量太低不利于抑制铝尖楔效应和铝硅空洞效应；增加硅含量除了能有效地抑制和防止铝尖楔效应和铝硅空洞效应，还会一定程度地降低铝的金属复合，但同时也会增加接触电阻、降低铝的电导能力和反射率。硅含量设计需要考虑到铝-硅二元系统的相平衡，并结合实际的高温退火热处理工艺参数，这是因为在实际中，PVD沉积铝、硅和银之后的退火工艺往往需要整合到太阳能电池工艺中去，这就需要权衡太阳能电池制备工艺所需求的各方面实际因素，这往往会使退火热处理中的铝硅共晶过程偏离理想的相平衡。一般地，设计原则是综合考虑纯铝中加入硅的饱和溶解度，以及满足铝硅共晶反应的理想相平衡条件下的硅含量（约为12.6wt%），并在此基础上结合实际的热处理工艺参数，有一个优化的区间范围。在Al-Si/Ag中，银的厚度设计需考虑整个叠层金属的电导和反射率，由于是贵金属，也需要考虑成本。综上，基于所述Al-Si/Ag所实现功能的不同，铝硅合金中铝和硅的含量设计以及叠层中铝硅合金层和银层的厚度设计都会有所不同，需结合具体应用来看。
采用本发明所述的Al-Si/Ag叠层金属应用于晶硅电池的p型掺杂或p型掺杂结的金属化，具有以下有益效果：
（1）由于PVD工艺是在真空条件下，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积薄膜。因此采用PVD方法制备的Al-Si/Ag叠层金属，金属成膜质量非常出色，具体体现在：微观尺度上具有更好的均匀性，Al、Si和Ag相互之间的结合更佳，Al-Si合金层和Ag层之间的界面匹配良好等，这使得其应用于太阳能电池金属化中会具有更出色的性能。
（2）由于相比于金属浆料，在PVD工艺中采用的是更高纯度的金属，会显著地减少杂质引入从而减少给硅衬底带来的表面和体内复合，因此可以实现更高质量的p型掺杂结、欧姆接触和电导互联性能。
（3）对于采用所述Al-Si/Ag应用于已有p型掺杂结的金属化，由于直接接触硅衬底的是铝（也即铝硅合金）而不是银铝浆中的铝和银，欧姆接触性能更佳，金属复合更低。
（4）由于银和铝本身具有很高的反射率，基于上述的PVD方法的优点，采用PVD制备的银和铝的反射率会更高，虽然所添加的一定含量的硅会一定程度降低铝的反射率，但可以通过银层的厚度调整来提高叠层金属的反射率，因此所述Al-Si/Ag应用于电池背面金属化时可以更有效地提高电池背面的内反射率，从而增强陷光效应。
（5）用PVD方法制备的Al-Si/Ag可以获得更佳的金属化互联性能，从另一个角度看就是实现相同水平的电导互联性能时可以采用更少量的金属。虽然使用的金属纯度更高，但只需要通过金属原料直接加工提炼获得即可，而不需要像金属浆料那样额外再增加一步制备过程；而且PVD沉积铝、硅和银可以在同一个真空镀膜设备中连续完成，工艺简洁，因此PVD金属化技术会从长远上降低电池制造成本。
综上，所述Al-Si/Ag金属化技术可以有效地提升电池效率（开路电压、短路电流、填充因子的全面提升），也能潜在地从长远来降低电池制造成本。
附图说明
图1：Al-Si/Ag叠层金属制备过程示意图。
图2为p型PERC电池结构示意图。其中，11-p型衬底，12-n型发射结，13-正面钝化减反膜，14-正面银电极，15-局部铝背场，16-背面钝化膜，17和18是Al-Si/Ag叠层金属（其中17是Al-Si合金，18是Ag）。
图3为p型PERL电池结构示意图。其中，21-p型衬底，22-n型发射结，23-正面钝化减反膜，24-正面银电极，25-局部硼背场，26-背面钝化膜，27和28是 Al-Si/Ag叠层金属（其中27是Al-Si合金，28是Ag）。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。显然，所述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所公开的Al-Si/Ag叠层金属制备方法，概况地说，是首先通过共溅射或共蒸发等物理气相沉积法来沉积铝和硅，然后继续采用物理气相沉积的方式沉积一层银；再经过退火完成合金化，其中铝和硅形成铝硅合金；可选地，在完成合金化后，对Al-Si/Ag叠层金属进行图案化。下面将对Al-Si/Ag叠层金属制备过程中各阶段的具体实现方法给予详细说明。
首先公开本发明Al-Si/Ag叠层金属中铝-硅合金含量和金属厚度的设计方案。下面对所述Al-Si/Ag叠层金属结构所能实现的两种功能分别给出设计方案，具体如下：
1）第一种功能：对裸硅衬底实施p型（铝）掺杂以及对该p型掺杂结的金属化
Al-Si合金中的Si含量范围，一般地，在1wt.%-30wt.%（优选：10wt.%-20wt.%）。叠层金属中的Al-Si合金层和Ag层的厚度设计如下：靠近裸硅衬底的Al-Si合金层厚度是0.1-2 μm（优选是0.5-1 μm），外层Ag的厚度是0.1-2 μm（优选是0.5-1 μm）。
2）第二种功能：对硅衬底上已有的p型掺杂结（比如硼结）的金属化
Al-Si合金中的Si含量范围，一般地在1wt.%-30wt.%（优选：10wt.%-15wt.%）。Al-Si合金层和Ag层的厚度设计如下：靠近p型掺杂结的Al-Si合金层厚度是0.1-2 μm（优选是0.2-0.5 μm），外层银的厚度是0.1-2 μm（优选是0.5-1 μm）。
然后给出本发明所述的Al-Si/Ag叠层金属的沉积工艺。具体来说，是通过物理气相沉积的方法制备的，例如，蒸发、溅射、电弧等离子体镀、离子镀，以及分子束外延等。溅射和蒸发作为优选方案。其中，溅射主要包括磁控溅射、射频溅射、直流溅射等，但也不限于此；其中，蒸发主要包括电子束蒸发、热蒸发、反应蒸镀等，但也不限于此。其中沉积铝和硅的工艺可以采用铝靶材和硅靶材共溅射或共蒸发，也可以采用铝-硅合金靶材溅射等，也不限于此；而银层沉积，一般优选地，会在铝硅共沉积完成后，在同一个真空腔室内继续完成，但也不限于此，例如，也可在铝硅共沉积完后将硅片取出再放入另一个准备好的真空腔室内沉积银。PVD的优点是，所沉积膜的杂质含量低、成分控制精确、质量好，而且沉积速率高。其中溅射对膜成分的控制更为精确，可以作为制备Al-Si/Ag的首选方法。
下面给出两个PVD工艺沉积Al-Si/Ag的具体实施例，即：实施例1采用磁控溅射工艺，实施例2采用电子束蒸发工艺。
实施例1（磁控溅射沉积Al-Si/Ag）
A1：选取足够高纯度的铝、硅和银作为靶材，其中，Al的重量纯度≥99.999％，Si的重量纯度≥99.99%，Ag的重量纯度≥99.99％。
A2：将需要镀膜的硅片和溅射靶材（铝、硅和银）分别放置于溅射镀膜设备中的基底样品台和溅射靶位上，其中铝硅比例是85wt.%的Al和15wt.%的Si。所述溅射镀膜设备工作区充有高纯氩气（99.999％）作为溅射气体。
A3：开启溅射镀膜设备的各级真空泵，经过各级真空泵抽真空，使镀膜腔室的本底真空度达到6 ·10-5 Pa以满足溅射工艺条件。
A4：将基底样品台的温度加热到300-400°C，恒温2 min。
A5：磁控溅射镀膜：首先共溅射铝和硅，得到由85wt.%的Al和15wt.%的Si组成的铝硅膜，其厚度是1 μm。当铝硅膜层达到目标值后，停止共溅射，通过传送装置将基底样品移动到与银靶材相对应的工作位置。将基底样品台的温度保持在300-400°C，恒温1-2 min；然后继续溅射银，厚度1 μm，厚度达到目标值后停止溅射镀膜。
A6：将基底样品台的温度降到50-100°C以下，对真空镀膜腔室内充惰性气体，使腔室内气压达到常压，打开镀膜腔室取出硅片样品。至此完成整个溅射镀膜过程。
实施例2（电子束蒸发沉积Al-Si/Ag）
B1：选取足够高纯度的铝、硅和银作为蒸发材料，其中，Al的重量纯度≥99.995％，Si的重量纯度≥99.99%，Ag的重量纯度≥99.99％。
B2：打开镀膜室门，将硅片放置在蒸发工件盘上，将铝、硅和银放在蒸发坩埚内，其中铝硅比例是88wt.%的Al和12wt.%的Si，关好镀膜室门。
B3：开启蒸发镀膜设备的各级真空泵，经过各级真空泵抽真空，使镀膜腔室的本底真空度达到1·10-3 Pa以满足蒸发工艺条件。
B4：将蒸发工件盘的温度加热到300-400°C，恒温2 min。
B5：电子束蒸发镀膜：首先共蒸发铝和硅，得到由88wt.%的Al和12wt.%的Si组成的铝硅膜，其厚度是0.5 μm。待铝硅膜层达到目标值后，停止共蒸发。将蒸发工件盘的温度保持在300-400°C，恒温1-2 min；然后继续电子束蒸发银，厚度1 μm，厚度达到目标值后停止蒸发镀膜。
B6：将蒸发工件盘的温度降到50-100°C以下。对真空镀膜腔室内充惰性气体，使腔室内气压达到常压，打开镀膜腔室取出样品。至此完成整个蒸发镀膜过程。
在以上两个实施例中，PVD沉积金属层的膜厚监控方法是：首先用表面轮廓仪预先测试PVD沉积的某种金属膜层的厚度，再由膜厚和沉积时间计算出平均沉积速率。在实际的PVD工艺中，由平均沉积速率和沉积时间来间接计算和监控这种金属的膜厚。
最后讨论Al-Si/Ag叠层金属在PVD沉积后的退火工艺。在铝-硅和银沉积完成之后，需要进行退火热处理完成合金化过程。这步退火工艺可以将PVD沉积金属工艺（尤其是溅射）中给硅衬底带来的晶格损伤进行良好地修复，还可以形成铝和p型掺杂结的欧姆接触、完成铝背场掺杂和铝硅共晶过程等，以及在AlSi合金和Ag界面处形成薄层的Al-Si-Ag三元合金而使其界面结合更佳。
具体的退火方式不限，既可以在PVD过程中的真空腔室内通过在线加热退火样品来完成，也可以在沉积金属完成后将样品移出真空腔室再进行离线退火。离线退火可以采用炉管退火或链式炉快速热处理退火，也可以采用激光退火，也不限于此。由于太阳能电池制造工艺中，经常需要在金属化阶段进行丝网印刷金属电极浆料和烧结快速热处理，所以更为典型和优选地，一般会采用链式快速热处理炉来进行PVD金属沉积后的退火。退火工艺参数（包括温度、时间和气氛等）的选择需要综合考虑铝和p型掺杂结的欧姆接触形成、铝背场掺杂、铝硅共晶和Al-Si-Ag三元系统的相平衡，修复PVD中给硅衬底带来的晶格损伤，以及与太阳能电池工艺整合等多方面因素。
对于所述Al-Si/Ag金属化技术应用于晶硅电池的两种功能，采用链式快速热处理炉进行退火的典型工艺参数给出如下。
1）第一种功能：对裸硅衬底实施p型（铝）掺杂以及对该p型掺杂结的金属化
快速热处理退火的真实峰值温度是660-850°C（优选：700-800°C），时间1-120 sec（取决于峰值温度），气氛是氮气或压缩空气。经退火后，形成的铝背场表面掺杂浓度一般是5·1017-1·1018 cm-3（优选：8·1017-1·1018 cm-3），结深是7-15 μm（优选：10-15 μm），方块电阻是20-100 Ω/□（优选：30-50 Ω/□）。铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是 0.5-5 mΩ·cm2（优选：0.5-2 mΩ·cm2）。经退火后，前述PVD沉积的铝硅膜也形成了Al-y wt.%Si合金，即Al-Si合金，其中y是具体含量值，主要取决于前述铝-硅合金含量的设计。
2）第二种功能：对硅衬底上已有的p型掺杂结（比如硼结）的金属化
快速热处理退火的真实峰值温度是660-850°C（优选675-750°C），时间1-120 sec（取决于峰值温度），气氛是氮气或压缩空气。经退火后，铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是0.5-5 mΩ·cm2（优选：0.5-2 mΩ·cm2）。经退火后，前述PVD沉积的铝硅膜也形成Al-ywt.%Si合金，即Al-Si合金，其中y是具体含量值，主要取决于前述铝-硅合金含量的设计。
在经过上述的退火后，本发明所述的Al-Si/Ag叠层金属制备完成。
此外，在实际应用到电池中，本发明所述PVD方法沉积的Al-Si/Ag叠层金属，根据具体电池结构设计的需要有可能需要进行图案化（比如应用于电池正面金属化时，或者应用于双面电池的背面），也可能不需要图案化（也即整面的金属镀膜）。值得强调的是，所述Al-Si/Ag应用于电池背面时，由于Al-Si/Ag出色的背反射镜作用（陷光性能）从而可以提升电池效率（短路电流和开路电压），所以如果所制备的电池不是应用于双面发电的环境，比较优选地是不对Al-Si/Ag进行图案化处理。
如果需要对Al-Si/Ag叠层金属进行图案化，具体的实现方法不限：可以采用光刻法、化学浆料刻蚀法（分为印刷保护型浆料结合化学刻蚀，或者印刷化学腐蚀型浆料），也可以采用通过溅射直接形成金属化图案的方法，等等。其中通过溅射直接形成金属化图案的方法会使太阳能电池制备工艺更加简洁。
基于上述给出的Al-Si/Ag叠层金属的制备方法，本发明又继续将这种金属化技术应用于具体的晶硅电池，下面给出两个有代表性的具体实施例。实施例3是应用于p型PERC电池（图2），所述Al-Si/Ag叠层金属的作用是对裸硅衬底实施p型掺杂以及对该p型掺杂结的金属化。实施例4是应用于p型PERL电池（图3），所述Al-Si/Ag叠层金属的作用是实现对硅衬底上已有的p型掺杂结（硼结）的金属化。在这两个实施例中，所述Al-Si/Ag都是应用于电池背面，为能更好的发挥Al-Si/Ag出色的陷光性能以提高电池效率，对Al-Si/Ag不进行图案化；在实际应用中，如果电池是应用于双面发电，则可以按照前述给出的方法对Al-Si/Ag进行图案化。
实施例3公开了一种将本发明所述Al-Si/Ag叠层金属化技术应用于p型PERC电池的制备方法，本实施例所给出的电池结构如图2所示。具体电池制备工艺如下。
C1：选取一种156mm*156mm的（100）晶向的p型单晶硅片，电阻率1 Ω·cm。
C2：使用碱制绒的方法在所述p 型硅片表面制备随机金字塔形貌的绒面。工艺条件是：采用质量浓度是2-3%的氢氧化钾，温度是70-75°C，制绒时间是5-7 min。
C3: 采用三氯氧磷炉管扩散的方法在所述p型硅片的正面制备均匀的n型发射结，磷表面掺杂浓度是1 ·1020 cm-3，方块电阻是90-100 Ω/□。
C4：采用硝酸和氢氟酸的混合溶液结合水上漂的湿法刻蚀工艺，刻蚀掉在C3步中绕扩散到所述p型硅片背面的磷掺杂结。经过这步化学刻蚀，硅片背面的绒面被刻蚀为酸抛光面。所述硝酸和氢氟酸混合溶液中，硝酸质量浓度是40%，氢氟酸质量浓度是4%，溶液温度是7°C，刻蚀时间是10-20 sec。
C5：采用炉管氧化的方法对所述p型硅片进行氧化，以钝化硅片正面的n型发射结和背面的硅衬底，SiO2厚度约4-6 nm。
C6：在所述p型硅片正面制备钝化减反膜。采用PECVD工艺沉积氮化硅，厚度是70-75 nm，折射率是为2.0。
C7：在所述p型硅片背面制备钝化膜。采用PECVD工艺沉积氧化铝和氮化硅叠层膜，其中氧化铝厚度为5 nm，折射率是1.65，氮化硅厚度约100 nm，折射率为2.0。
C8：采用激光消融工艺刻蚀掉所述p型硅片背面的氧化硅/氧化铝/氮化硅叠层膜。激光开膜工艺参数是，采用Nd:YVO4激光器，波长532 nm，脉冲宽度< 15ps，脉冲重复频率200-1000 KHz，激光功率5-10 W。激光开膜的图案采用栅线分布设计，线宽是25-30 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）是1.6 mm，此图案也就是后续将实施的铝背场掺杂区域的图案。
C9：采用磁控溅射工艺在所述p型硅片背面的整面，沉积本发明所述的Al-Si/Ag叠层金属。铝硅含量和各层金属的厚度如下：由86.5wt.%的Al和13.5wt.%的Si组成的铝硅膜，厚度是1 μm；Ag层，厚度是1 μm。本步的具体实施方案可参见实施例1，此处不再赘述。
C10：采用丝网印刷银浆的方法在所述p型硅片正面印刷银电极，其图案采用栅线分布设计。采用链式快速热处理炉的共烧结工艺，同时完成对所述p型硅片正面银浆的金属化过程以及硅片背面Al-Si/Ag的铝背场掺杂和金属化过程。共烧结真实峰值温度是750°C，峰值温度下的时间2-4 sec，气氛是压缩空气。经此步后，局部铝背场表面掺杂浓度是9·1017 cm-3，结深在14 μm左右。铝和局部p型背场之间的比接触电阻率是0.5-2 mΩ·cm2。
至此完成所述p型PERC电池制备。
实施例4公开了一种将本发明所述Al-Si/Ag叠层金属化技术应用于p型PERL电池的制备方法，本实施例所给出的电池结构如图3所示。具体电池制备工艺如下。
D1：选取一种156mm*156mm的（100）晶向的p型单晶硅片，电阻率1 Ω·cm。
D2：利用氢氧化钠溶液抛光去除所述p型硅片表面的损伤层。
D3: 通过丝网印刷的方法在所述p型硅片背面印刷硼浆，并将其烘干（烘干温度150-200°C，烘干时间1-2 min）。丝网印刷硼浆的图案采用栅线分布设计，其线宽是100 μm，两根相邻栅线的间距（轴心线之间）是1.5 mm。
D4：采用炉管退火工艺对D3步中印刷的硼浆进行再分布，在所述p型硅片背面形成局部硼背场。炉管退火温度是950-1000°C，时间30-45 min，氮气气氛。所述局部硼背场的硼掺杂表面浓度是5·1019-6·1019 cm-3，方块电阻是40-50 Ω/□。
D5：在所述p型硅片背面制备钝化膜。采用PECVD工艺沉积氮氧化硅和氮化硅，氮氧化硅厚度约60nm，折射率为1.8，氮化硅厚度约50 nm，折射率是2.0。叠层膜中的氮化硅，还可以兼作为后续电池工艺步骤（D6-D8）中对所述p型硅片背面的保护膜。
D6：使用碱制绒的方法对所述p型硅片正面进行制绒。工艺条件是：采用质量浓度
是2-3%的氢氧化钠，温度是70°C，制绒时间是5-7 min。在本步碱制绒中，由D3和D4步在硅片背面制备局部硼背场过程中所绕掺杂到硅片正面的浓度比较低的硼（表面浓度一般低于1·1018 cm-3）也被碱溶液刻蚀掉。而前述D5步中制备的背面氮化硅膜在本步的碱制绒工艺中对硅片背面起到了很好的保护作用。
D7：采用离子注入磷（磷烷）结合高温炉管退火的方法在所述p型硅片的正面制备均匀的n型发射结，在退火中也会在硅片正面在线生长一层约为5 nm的SiO2膜以钝化n型发射结。炉管退火温度是830-850°C，时间30-45 min。此步完成后，n型发射结的磷表面浓度是9·1019 cm-3，方块电阻是100 Ω/□。
D8：在所述p型硅片正面制备钝化减反膜。采用PECVD工艺沉积氮化硅，厚度是70-75 nm，折射率约为2.0。
D9：采用丝网印刷化学腐蚀性浆料的方法，对所述p型硅片背面的氮氧化硅和氮化硅叠层膜进行刻蚀开膜。所述化学腐蚀性浆料中一般会含有磷酸或磷酸根的成分，从而可以有效地对氮氧化硅/氮化硅叠层膜进行刻蚀，并且不会对已有局部硼背场进行刻蚀。化学刻蚀完成后，在常温下用稀碱溶液（质量浓度为0.1%的氢氧化钠溶液或氨水溶液）以及稀盐酸将所述p型硅片背面的化学浆料洗净。需要强调，本步浆料化学刻蚀的图案需要和前述D3步印刷硼浆的图案实现对准，从而使开膜区域正好是局部硼背场区域。
D10：采用电子束蒸发工艺在所述p型硅片背面的整面，沉积本发明所述的Al-Si/Ag叠层金属。铝硅含量和各层金属的厚度如下：由87.5wt.%的Al和12.5wt.%的Si组成的铝硅膜，厚度是0.5 μm；Ag层，厚度是1 μm。本步的具体实施方案可参见实施例2，此处不再赘述。
D11：采用丝网印刷银浆的方法在所述p型硅片正面印刷银电极，其图案采用栅线分布设计。采用链式快速热处理炉的共烧结工艺，同时完成对所述p型硅片正面银浆和背面Al-Si/Ag的金属化过程。共烧结真实峰值温度是725°C，峰值温度下的时间2-4 sec，气氛是压缩空气。经此步后，铝和局部硼背场之间的比接触电阻率是0.5-2 mΩ·cm2。
至此完成所述p型PERL电池制备。
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和指导性的，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，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，在不脱离本发明的原理和权利要求所保护的范围的情况下，在具体实施方式和应用范围上还可以做出很多种形式的变更、改进和等效实施，这些也均应视为本发明保护范围。

Claims (15)

1.一种金属化方法，其特征在于，包括：
通过物理气相沉积的方式在基片表面共沉积铝和硅；
铝和硅共沉积完后，通过物理气相沉积方式在所述基片表面沉积一层银；
银沉积完后，通过退火完成合金化，以形成Al-Si/Ag叠层金属结构；所述Al-Si/Ag叠层金属结构包括由铝和硅形成Al-Si合金以及形成于Al-Si合金表面的Ag；
所述基片为裸硅衬底时，所述Al-Si/Ag叠层金属结构用于实现对硅衬底进行p型掺杂以及对所形成的p型掺杂结进行金属化；
或者，所述基片为具有p型掺杂结的硅衬底时，所述Al-Si/Ag叠层金属结构用于实现对已有的p型掺杂结进行金属化。
2.如权利要求1所述的金属化方法，其特征在于，所述Al-Si合金中，Si含量范围在1wt.%-30wt.%；所述Al-Si/Ag叠层金属结构中，Al-Si合金层的厚度是0.1-2 μm，银的厚度是0.1-2 μm。
3.如权利要求2所述的金属化方法，其特征在于，所述基片为裸硅衬底时，所述Al-Si合金中，Si含量范围在10wt.%-20wt.%；所述Al-Si/Ag叠层金属结构中，Al-Si合金层的厚度是0.5-1 μm，银的厚度是0.5-1 μm。
4.如权利要求2所述的金属化方法，其特征在于，所述基片为具有p型掺杂结的硅衬底时，所述Al-Si合金中，Si含量范围在10wt.%-15wt.%；所述Al-Si/Ag叠层金属结构中，Al-Si合金层的厚度是0.2-0.5 μm，银的厚度是0.5-1 μm。
5.如权利要求1所述的金属化方法，其特征在于，所述铝和硅的共沉积以及银的沉积是在同一真空腔内完成。
6.如权利要求1所述的金属化方法，其特征在于，所述物理气相沉积的方式包括但不限于蒸发、溅射、电弧等离子体镀、离子镀、分子束外延。
7.如权利要求6所述的金属化方法，其特征在于，所述物理气相沉积的方式为溅射，所述溅射包括但不限于磁控溅射、射频溅射、直流溅射。
8.如权利要求7所述的金属化方法，其特征在于，所述物理气相沉积的方式为溅射时，选用铝-硅合金作为硅铝共溅射的靶材。
9.如权利要求6所述的金属化方法，其特征在于，所述物理气相沉积的方式为蒸发，所述蒸发包括但不限于电子束蒸发、热蒸发、反应蒸镀。
10.如权利要求1所述的金属化方法，其特征在于，所述退火方式包括：在物理气相沉积的真空腔室内通过在线加热基片进行退火；或者，在银沉积完后将基片从物理气相沉积的真空腔室内取出进行离线退火，所述离线退火方式包括但不限于炉管退火、链式炉快速热处理退火、激光退火。
11.如权利要求10所述的金属化方法，其特征在于，所述退火的真实峰值温度是660-850°C；所述退火时间与真实峰值温度相关，设定范围在1-120 sec；所述退火气氛是氮气或压缩空气；
所述基片为裸硅衬底时，退火后，形成的铝背场表面掺杂浓度是5·1017-1·1018 cm-3，结深是7-15 μm，方块电阻是20-100 Ω/□；铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是 0.5-5mΩ·cm2；
或者，所述基片为具有p型掺杂结的硅衬底时，退火后，铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是 0.5-5 mΩ·cm2。
12.如权利要求11所述的金属化方法，其特征在于，所述基片为裸硅衬底时，退火的真实峰值温度是700-800°C；退火后，形成的铝背场表面掺杂浓度是8·1017-1·1018 cm-3，结深是10-15 μm，方块电阻是30-50 Ω/□；铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是0.5-2 mΩ·cm2。
13.如权利要求11所述的金属化方法，其特征在于，所述基片为具有p型掺杂结的硅衬底时，退火的真实峰值温度是675-750°C；退火后，铝和p型掺杂结之间的比接触电阻率是0.5-2 mΩ·cm2。
14.如权利要求1至13任意一项所述的金属化方法，其特征在于，还包括对所述Al-Si/Ag叠层金属结构进行图案化，所述图案化方式包括但不限于溅射法、光刻法、化学浆料刻蚀法。
15.一种太阳能电池，其特征在于，具有采用权利要求1至14任意一项所述金属化方法在裸硅衬底表面或硅衬底上已有的p型掺杂结表面制备的Al-Si/Ag叠层金属结构。
CN202010861421.9A 2020-08-25 2020-08-25 一种金属化方法和太阳能电池 Active CN111969071B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010861421.9A CN111969071B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种金属化方法和太阳能电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010861421.9A CN111969071B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种金属化方法和太阳能电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111969071A true CN111969071A (zh) 2020-11-20
CN111969071B CN111969071B (zh) 2022-03-15

Family

ID=73390007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010861421.9A Active CN111969071B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种金属化方法和太阳能电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111969071B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112713224A (zh) * 2021-01-19 2021-04-27 苏州腾晖光伏技术有限公司 基于p型硅片的太阳能电池片及其制备方法
CN113270521A (zh) * 2021-05-27 2021-08-17 天津爱旭太阳能科技有限公司 降低接触电阻的perc电池的电路制作方法和电池
CN115207156A (zh) * 2022-06-27 2022-10-18 常州时创能源股份有限公司 一种p型ibc电池的制备方法
CN115548142A (zh) * 2022-11-28 2022-12-30 浙江晶科能源有限公司 一种太阳能电池及光伏组件

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5898985A (ja) * 1981-12-09 1983-06-13 Seiko Epson Corp 薄膜太陽電池
JP2008294209A (ja) * 2007-05-24 2008-12-04 Mitsubishi Electric Corp 太陽電池基板の製造方法
CN102414833A (zh) * 2009-04-29 2012-04-11 三菱电机株式会社 太阳能电池单元及其制造方法
CN102832268A (zh) * 2012-09-10 2012-12-19 中国科学院半导体研究所 硼铝共掺背面场硅太阳能电池及其制备方法
CN104167468A (zh) * 2014-06-27 2014-11-26 浙江晶科能源有限公司 一种改良的晶体硅太阳电池背面结构制备方法
CN106356294A (zh) * 2015-07-15 2017-01-25 北大方正集团有限公司 一种功率器件背面电极制作方法及其结构
CN107994084A (zh) * 2017-11-24 2018-05-04 云南大学 一种基于磁控溅射技术联合退火工艺制备金属复合电极的方法
CN108022672A (zh) * 2016-11-02 2018-05-11 东洋铝株式会社 膏状组合物

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5898985A (ja) * 1981-12-09 1983-06-13 Seiko Epson Corp 薄膜太陽電池
JP2008294209A (ja) * 2007-05-24 2008-12-04 Mitsubishi Electric Corp 太陽電池基板の製造方法
CN102414833A (zh) * 2009-04-29 2012-04-11 三菱电机株式会社 太阳能电池单元及其制造方法
CN102832268A (zh) * 2012-09-10 2012-12-19 中国科学院半导体研究所 硼铝共掺背面场硅太阳能电池及其制备方法
CN104167468A (zh) * 2014-06-27 2014-11-26 浙江晶科能源有限公司 一种改良的晶体硅太阳电池背面结构制备方法
CN106356294A (zh) * 2015-07-15 2017-01-25 北大方正集团有限公司 一种功率器件背面电极制作方法及其结构
CN108022672A (zh) * 2016-11-02 2018-05-11 东洋铝株式会社 膏状组合物
CN107994084A (zh) * 2017-11-24 2018-05-04 云南大学 一种基于磁控溅射技术联合退火工艺制备金属复合电极的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112713224A (zh) * 2021-01-19 2021-04-27 苏州腾晖光伏技术有限公司 基于p型硅片的太阳能电池片及其制备方法
CN113270521A (zh) * 2021-05-27 2021-08-17 天津爱旭太阳能科技有限公司 降低接触电阻的perc电池的电路制作方法和电池
CN115207156A (zh) * 2022-06-27 2022-10-18 常州时创能源股份有限公司 一种p型ibc电池的制备方法
CN115548142A (zh) * 2022-11-28 2022-12-30 浙江晶科能源有限公司 一种太阳能电池及光伏组件
US11961924B1 (en) 2022-11-28 2024-04-16 Zhejiang Jinko Solar Co., Ltd. Solar cell and photovoltaic module

Also Published As

Publication number Publication date
CN111969071B (zh) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111969071B (zh) 一种金属化方法和太阳能电池
US10526538B2 (en) Methods, process and fabrication technology for high-efficiency low-cost crystalline silicon solar cells
CN106449876A (zh) 选择性发射极双面perc晶体硅太阳能电池的制作方法
NL2000248C2 (nl) Werkwijze voor het vervaardigen van kristallijn-silicium zonnecellen met een verbeterde oppervlaktepassivering.
CN102598308B (zh) 太阳能电池、其制造方法及太阳能电池组件
US8426236B2 (en) Method and structure of photovoltaic grid stacks by solution based processes
US20140261666A1 (en) Methods of manufacturing a low cost solar cell device
TWI440203B (zh) 包含選擇性射極之太陽能電池的製造方法
JP6185845B2 (ja) 酸化アルミニウムベースの金属配線バリア
JP2011514011A (ja) 低級原材料に基づく結晶シリコンを用いた太陽電池および製造方法
CN102800745A (zh) 一种背面钝化双面太阳电池的生产方法
EP2157622A2 (en) Solar cell substrates and methods of manufacture
WO2011143404A2 (en) Photovotaic device conducting layer
JP3801342B2 (ja) 太陽電池用基板、その製造方法及び半導体素子
Derbali et al. Electrical properties improvement of multicrystalline silicon solar cells using a combination of porous silicon and vanadium oxide treatment
CN108878570B (zh) 空穴选择型MoOx/SiOx(Mo)/n-Si异质结、太阳电池器件及其制备方法
JP2002222973A (ja) 光電変換素子およびその製造方法
WO2023216652A1 (zh) 一种双面太阳能电池及其制备方法
JP6502147B2 (ja) 太陽電池の製造方法および太陽電池モジュールの製造方法
CN112768554B (zh) 基于背面全接触钝化材料的碱抛光方法、晶硅太阳能电池及制备方法
WO2013002285A1 (ja) アルミナ膜の形成方法および太陽電池素子
CN114420854A (zh) 一种太阳能电池基底制绒的方法
Lorenz et al. Comparison of illumination level dependency and rear internal reflectance of PERC-type cells with different dielectric passivation stacks
KR20130100432A (ko) 태양전지의 제조 방법 및 제조 시스템
JPH0818084A (ja) 太陽電池の製造方法及び製造装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant