CN112054090A - 一种叠加tco透明导电薄膜的高效双面topcon电池工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，包括以下步骤：S1.制绒；S2.氧化；S3.正面掺磷非晶硅/背面掺硼非晶硅；S4.退火；S5.双面沉积TCO/SiNx‑S6.丝网印刷烧结。整个工艺无需在低温环境下进行，双面性更好两面均能发电。在多晶硅层表面增加AZO透明导电层，能够阻挡浆料烧穿多晶硅层，提升电池片的效率、良率，使得太阳能电池的导电浆料选择变得更加容易。对多晶硅层的导电性能要求降低，可以降低多晶硅的掺杂浓度，提升少子寿命，改善膜的质量和钝化效果，电池效率更高。具有更高的兼容性，原有p型硅片产能可得到继续利用，相比现有PERC、常规TOPCON技术，工序更简单效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，特别涉及一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺。
背景技术
晶硅太阳能电池是一种有效吸收太阳辐射能，利用光生伏打效应把光能转换成电能的期间，当太阳光照射在半导体PN结上，形成电子-空穴对，在PN结电场作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后形成电流。
传统晶硅太阳能电池采用P型硅片作为基底，正面扩磷形成N型区，在硅片正表面沉积SiNx膜层实现太阳能电池表面钝化和减反射，可以降低少子在前表面的复合速率，大幅度提升晶硅电池的开路电压和短路电流，背面印刷铝浆料形成铝背结，从而提升晶硅太阳能电池的转换效率。
目前各个光伏公司都在积极开发高效电池，目前比较成熟的高效电池结构主要有两种，一种为TOPCON另一种为HIT电池，TOPCon电池结构背面由一层超薄的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层组成，可以显著降低金属接触区域的复合，同时兼具良好的接触性能，能够进一步提升太阳能电池的效率。TOPCon电池的掺杂多晶硅表面也需要沉积SiNx膜层保护，但是SiNx本身是绝缘介质，太阳能电池要实现电子收集，需要导电浆料烧穿SiNx，与底层的多晶硅层接触，电子还需要在poly层内横向移动至电极处才能实现收集。掺杂多晶硅层极易烧穿，并且需要高的掺杂浓度才能得到良好的导电性，因此掺杂多晶硅层厚度和掺杂浓度都会影响电池的效率，现有的浆料烧结窗口要求使用厚膜高掺杂工艺，对镀膜机台的产出和良品率都会有很大影响。HIT电池结构简单包括N型硅片基底上下表面分别为本征非晶硅和掺P的掺B的非晶硅然后分别沉积TCO透明导电薄膜，最后进行丝网印刷烧结制备电极。但是HIT电池的有个致命缺点，整个电池制备工艺必须在低温下进行，因为其高效钝化效果主要通过非晶硅里的H实现，高温工艺下非晶硅内的H极易释放形成气泡，因此工艺窗口极窄，浆料也必须要使用低温浆料成本极高。现有技术具有以下技术缺陷：
1.目前的TOPCon结构需要浆料烧穿氮化硅层后与poly层有良好接触，但是又不能烧穿poly层，浆料穿透poly层即失去钝化接触的效果，对太阳能电池浆料的要求很高；
2.为防止poly层烧穿，需要增加poly的厚度，目前在120-200nm范围，导致镀膜机台的产能降低，成本增高；
3.厚的poly层对光线也有明显的吸收，导致进入硅片内部的可利用的光减少，影响太阳能电池的转换效率；
4.薄的poly层横向导电性能会减弱，电阻增大，需要对poly层进行重掺杂，重掺杂也会导致膜层中复合中心增多，少子寿命下降。
专业术语介绍：
TOPCon电池：隧穿氧化钝化接触电池，双面均进行钝化，理论效率极限更高；
HIT电池：一种新型高效电池，以n型硅片作为基底正反面沉积本征、掺杂非晶硅形成的异质结电池；
TCO：透明导电氧化物；
AZO：铝掺杂氧化锌；
PECVD：等离子增强化学气相沉积；
DEZ：二乙基锌；
TMA：三甲基铝。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种能够降低多晶硅层对厚度的要求，可以降低多晶硅的掺杂浓度，提升少子寿命，改善膜的质量和钝化效果，电池效率更高的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺。
具体技术方案如下：一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，包括以下步骤：S1.制绒；S2.氧化；S3.正面掺磷非晶硅/背面掺硼非晶硅；S4.退火；S5.双面沉积TCO/SiNx-S6.丝网印刷烧结。
以下是本发明的附属技术方案：
作为优选方案，步骤S1中，硅片先后经过槽式单晶制绒机在78~84度的工艺温度，在3%-8%体积浓度的KOH和0.01-2%体积浓度的制绒添加剂混合溶液中反应400-600S，通过碱和硅的各向异性反应原理制备金字塔状陷光结构；
作为优选方案，步骤S2中，制绒后的硅片在90-100%浓硝酸溶液中，20-60度工艺温度下反应20~300S氧化制备SiO2层，所述氧化硅层厚度在0.2-5nm范围内，
作为优选方案，步骤S3中，正反两面通过PECVD设备在氧化硅表面分别沉积掺杂磷和硼的多晶硅；
作为优选方案，所述PECVD基底在腔体真空度低于0.1pa时，对衬底进行升温，所述衬底沉积温度优选的在400~800度范围内，衬底达到目标温度后通入混合反应气体包括PH3、B2H6、SiH4，所述气体流量通过质量流量控制器进行控制，总的气体流量根据炉管体积进行相应调整；
作为优选方案，沉积气压控制在20-80pa，射频功率控制在100-200W，反应气体氢稀释比[PH3/SiH4]、[B2H6/ SiH4]分别控制在10-4-10-2范围内，沉积时间2-60min，实现薄膜沉积厚度10-120nm；
作为优选方案，步骤S4中，退火工序在氮气氛围内550-850温度下退火10-60Min；
作为优选方案，TCO薄膜的沉积进一步的包括：特气DEZ/TMA/N2O/H20/N2/NH3/SiH4供应系统和射频电源，温控系统控制炉管内温度在200-450℃范围内均匀且稳定；真空系统控制炉管内压力恒定，范围在500-3000mtorr内调整；特气系统为工艺过程提供反应气体，气体流量可控；射频电源提供高频微波，将反应气体等离子化，增强气体反应活性；
作为优选方案，所述的AZO膜生长可以使用PECVD方式或者ALD方式生长，PECVD方式的生长过程如下：按比例通入DEZ/TMA/N2O（H2O）气体，其比例为1:100:200-1:30:20范围，经过射频电源将气体离子化后沉积在硅片表面，控制反应压力在1000-3000mtorr，沉积时间为0.5-10min，沉积温度200-450℃，形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围；所述的ALD方式生长掺杂氧化锌过程如下：控制腔体温度150-400℃内，压力500-3000mtorr，依次通入前驱体DEZ 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为ZnO沉积的一个循环；依次通入前驱体TMA 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为Al2O3沉积的一个循环。通过不同的循环数得到[ZnO] n [Al2O3] m的掺杂AZO膜，其中n：m在100:1-100:5范围内，形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围；
作为优选方案，完成AZO镀膜后通N2吹扫腔体并抽空，再次通入SiH4、NH3混合气体，其体积比为1:0.5~3，压力控制1000~3000mtorr，温度控制350-450℃，开启射频电源使反应气体离子化并生成SiNx沉积在AZO表面，沉积时间3~20min，沉积厚度10~80nm。最后通过丝网印刷的方式在电池正反两面分别印刷银或银铝浆料，并在400-800温度下进行高温烧结。
本发明的技术效果：（1）整个工艺无需在低温环境下进行，双面性更好两面均能发电。（2）在多晶硅层表面增加AZO透明导电层，能够阻挡浆料烧穿多晶硅层，提升电池片的效率、良率，使得太阳能电池的导电浆料选择变得更加容易。（3）能够降低多晶硅层对厚度的要求，厚度在20-50nm即可满足钝化要求，低的多晶硅厚度可以降低生产制造成本，提升单机台产能，并且减少多晶硅对光线的吸收，提升电池转换效率。（4）对多晶硅层的导电性能要求降低，可以降低多晶硅的掺杂浓度，提升少子寿命，改善膜的质量和钝化效果，电池效率更高。（5）具有更高的兼容性，原有p型硅片产能可得到继续利用。（6）相比现有PERC、常规TOPCON技术，工序更简单效率更高。
附图说明
图1是本发明实施例的一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺的示意图。
图2是本发明实施例的电池结构示意图。
具体实施方式
下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
如图1和图2所示，本实施例的一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，包括以下步骤：S1.制绒；S2.氧化；S3.正面掺磷非晶硅/背面掺硼非晶硅；S4.退火；S5.双面沉积TCO/SiNx-S6.丝网印刷烧结。
本发明实施例将TOPCON和HIT的优点整合到一起，基于TOPCON氧化硅遂穿层掺杂多晶硅上再沉积一层TCO透明导电膜，TCO导电薄膜具有良好的导电性能，增强了多晶硅层的横向传导能力，进一步提升了电池效率，同时其能够保证掺杂多晶硅不被导电浆料烧穿，其钝化依靠的是TOPCON结构的SiO2遂穿层物理钝化，不存在高温氢释放影响钝化效果的问题，因此可以兼容目前普遍使用的高温浆料，有效控制了生产成本。本电池结构在P型或N型硅片基底上都可制作，而常规TOPCON/HIT电池必须在N型硅片上进行，而目前整个光伏行业90%的硅片产能均为基于P型硅片的电池技术，因此该技术对现有产能具有很强的兼容性。
本发明实施例采用管式PECVD或ALD技术，使用DEZ/TMA/H20（N2O）在硅片背面poly层上沉积铝掺杂氧化锌（AZO）+SiNx复合膜，制作高效TOPCon电池，AZO和SiNx在同一个炉管中沉积，集成化的工艺可以节省上下料的时间，降低碎片率和卡点印不良。AZO具有良好的导电性能，是一种常用的透明导电氧化物（TCO），在氮化硅与n型poly-Si之间先沉积一层AZO，既可以增强多晶硅层的横向传导能力，又能够保护掺杂多晶硅不被导电浆料烧穿，不影响多晶硅的钝化性能。
本实施例中，步骤S1中，硅片先后经过槽式单晶制绒机在78~84度的工艺温度，在3%-8%体积浓度的KOH和0.01-2%体积浓度的制绒添加剂混合溶液中反应400-600S，通过碱和硅的各向异性反应原理制备金字塔状陷光结构。
本实施例中，步骤S2中，制绒后的硅片在90-100%浓硝酸溶液中，20-60度工艺温度下反应20~300S氧化制备SiO2层，所述氧化硅层厚度在0.2-5nm范围内，本实施例中，步骤S3中，正反两面通过PECVD设备在氧化硅表面分别沉积掺杂磷和硼的多晶硅。
本实施例中，所述PECVD基底在腔体真空度低于0.1pa时，对衬底进行升温，所述衬底沉积温度优选的在400~800度范围内，衬底达到目标温度后通入混合反应气体包括PH3、B2H6、SiH4，所述气体流量通过质量流量控制器进行控制，总的气体流量根据炉管体积进行相应调整。
本实施例中，沉积气压控制在20-80pa，射频功率控制在100-200W，反应气体氢稀释比[PH3/SiH4]、[B2H6/ SiH4]分别控制在10-4-10-2范围内，沉积时间2-60min，实现薄膜沉积厚度10-120nm。
本实施例中，步骤S4中，退火工序在氮气氛围内550-850温度下退火10-60Min。
本实施例中，TCO薄膜的沉积进一步的包括：特气DEZ/TMA/N2O/H20/N2/NH3/SiH4供应系统和射频电源，温控系统控制炉管内温度在200-450℃范围内均匀且稳定；真空系统控制炉管内压力恒定，范围在500-3000mtorr内调整；特气系统为工艺过程提供反应气体，气体流量可控；射频电源提供高频微波，将反应气体等离子化，增强气体反应活性。
本实施例中，所述的AZO膜生长可以使用PECVD方式或者ALD方式生长，PECVD方式的生长过程如下：按比例通入DEZ/TMA/N2O（H2O）气体，其比例为1:100:200-1:30:20范围，经过射频电源将气体离子化后沉积在硅片表面，控制反应压力在1000-3000mtorr，沉积时间为0.5-10min，沉积温度200-450℃，形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围。所述的ALD方式生长掺杂氧化锌过程如下：控制腔体温度150-400℃内，压力500-3000mtorr，依次通入前驱体DEZ 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为ZnO沉积的一个循环；依次通入前驱体TMA 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为Al2O3沉积的一个循环。通过不同的循环数得到[ZnO] n [Al2O3] m的掺杂AZO膜，其中n：m在100:1-100:5范围内。形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围。
本实施例中，完成AZO镀膜后通N2吹扫腔体并抽空，再次通入SiH4、NH3混合气体，其体积比为1:0.5~3，压力控制1000~3000mtorr，温度控制350-450℃，开启射频电源使反应气体离子化并生成SiNx沉积在AZO表面，沉积时间3~20min，沉积厚度10~80nm。最后通过丝网印刷的方式在电池正反两面分别印刷银或银铝浆料，并在400-800温度下进行高温烧结。
如图2所示，本实施例的电池结构如图所示，1是SiNX；2是AZO；31是n+poly-Si；32是p+poly-Si;4是Sio2；5是SiNX；6是metal。
本实施例的一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺具有以下优势：
（1）整个工艺无需在低温环境下进行，双面性更好两面均能发电；
（2）在多晶硅层表面增加AZO透明导电层，能够阻挡浆料烧穿多晶硅层，提升电池片的效率、良率，使得太阳能电池的导电浆料选择变得更加容易；
（3）能够降低多晶硅层对厚度的要求，厚度在20-50nm即可满足钝化要求，低的多晶硅厚度可以降低生产制造成本，提升单机台产能，并且减少多晶硅对光线的吸收，提升电池转换效率；
（4）对多晶硅层的导电性能要求降低，可以降低多晶硅的掺杂浓度，提升少子寿命，改善膜的质量和钝化效果，电池效率更高；
（5）具有更高的兼容性，原有p型硅片产能可得到继续利用；
（6）相比现有PERC、常规TOPCON技术，工序更简单效率更高。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制绒；
S2.氧化；
S3.正面掺磷非晶硅/背面掺硼非晶硅；
S4.退火；
S5.双面沉积TCO/SiNx-S6.丝网印刷烧结。
2.根据权利要求1所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，步骤S1中，硅片先后经过槽式单晶制绒机在78~84度的工艺温度，在3%-8%体积浓度的KOH和0.01-2%体积浓度的制绒添加剂混合溶液中反应400-600S，通过碱和硅的各向异性反应原理制备金字塔状陷光结构。
3.根据权利要求2所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，步骤S2中，制绒后的硅片在90-100%浓硝酸溶液中，20-60度工艺温度下反应20~300S氧化制备SiO2层，所述氧化硅层厚度在0.2-5nm范围内。
4.根据权利要求3所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，步骤S3中，正反两面通过PECVD设备在氧化硅表面分别沉积掺杂磷和硼的多晶硅。
5.根据权利要求4所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，所述PECVD基底在腔体真空度低于0.1pa时，对衬底进行升温，所述衬底沉积温度优选的在400~800度范围内，衬底达到目标温度后通入混合反应气体包括PH3、B2H6、SiH4，所述气体流量通过质量流量控制器进行控制，总的气体流量根据炉管体积进行相应调整。
6.根据权利要求5所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，沉积气压控制在20-80pa，射频功率控制在100-200W，反应气体氢稀释比[PH3/SiH4]、[B2H6/ SiH4]分别控制在10-4-10-2范围内，沉积时间2-60min，实现薄膜沉积厚度10-120nm。
7.根据权利要求6所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，步骤S4中，退火工序在氮气氛围内550-850温度下退火10-60Min。
8.根据权利要求7所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，TCO薄膜的沉积进一步的包括：特气DEZ/TMA/N2O/H20/N2/NH3/SiH4供应系统和射频电源，温控系统控制炉管内温度在200-450℃范围内均匀且稳定；真空系统控制炉管内压力恒定，范围在500-3000mtorr内调整；特气系统为工艺过程提供反应气体，气体流量可控；射频电源提供高频微波，将反应气体等离子化，增强气体反应活性。
9.根据权利要求8所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，所述的AZO膜生长可以使用PECVD方式或者ALD方式生长，PECVD方式的生长过程如下：按比例通入DEZ/TMA/N2O（H2O）气体，其比例为1:100:200-1:30:20范围，经过射频电源将气体离子化后沉积在硅片表面，控制反应压力在1000-3000mtorr，沉积时间为0.5-10min，沉积温度200-450℃，形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围；
所述的ALD方式生长掺杂氧化锌过程如下：控制腔体温度150-400℃内，压力500-3000mtorr，依次通入前驱体DEZ 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为ZnO沉积的一个循环；依次通入前驱体TMA 0.5-3s，抽空，通入N2O（H2O）气体0.5-3s，抽空，作为Al2O3沉积的一个循环；通过不同的循环数得到[ZnO] n [Al2O3] m的掺杂AZO膜，其中n：m在100:1-100:5范围内，形成Al掺杂的氧化锌薄膜，膜的厚度控制3-60nm范围。
10.根据权利要求9所述的叠加TCO透明导电薄膜的高效双面TOPCON电池工艺，其特征在于，完成AZO镀膜后通N2吹扫腔体并抽空，再次通入SiH4、NH3混合气体，其体积比为1:0.5~3，压力控制1000~3000mtorr，温度控制350-450℃，开启射频电源使反应气体离子化并生成SiNx沉积在AZO表面，沉积时间3~20min，沉积厚度10~80nm；最后通过丝网印刷的方式在电池正反两面分别印刷银或银铝浆料，并在400-800温度下进行高温烧结。
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