CN112186049A - 正面栅线钝化接触的perc太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，涉及一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池及其制备方法，包括P型单晶硅衬底，P型单晶硅衬底背面由内向外依次设有背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，P型单晶硅衬底正面由内向外依次设有正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层，P型单晶硅衬底正面设有贯穿正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层的正面金属银栅线，所述的P型单晶硅衬底正面且位于正面金属银栅线下方由内而外依次设有超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层。本发明能提高电池的开路电压，同时降低金属接触区域的载流子复合，又能够降低掺杂多晶硅层对光的寄生吸收，减少电流损失，进而提高PERC电池的效率。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，涉及一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在晶体硅太阳能电池中，表面钝化是制约效率的重要因素。PERC(PassivatedEmitter and Rear Cell)，即钝化发射极和背面电池技术，最早在1983年由澳大利亚科学家Martin Green提出，目前已成为太阳能电池新一代的常规技术。PERC技术通过在电池的背面增加全覆盖的钝化层来降低背表面复合、提高转换效率，然后通过激光开槽打开接触区的钝化层，实现金属接触。
PERC技术的优势还体现在能够与多主栅、选择性发射极和钝化接触等技术叠加，进一步提升电池效率。其中的多主栅、选择性发射极已经广泛应用于产业化生产中，但钝化接触技术仍处于尚未成熟的阶段。
在晶体硅太阳能电池中，金属和半导体接触区域存在的严重复合，制约着太阳能电池效率的提升。钝化接触技术是近年来显著提升光伏电池光电转换效率的技术。钝化接触(或接触钝化)结构是一种在晶体硅上叠加一层超薄的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层形成的结构。其中氧化硅作为钝化层、掺杂多晶硅作为载流子选择性接触材料，可以显著降低金属接触区域的载流子复合，同时具有良好的接触性能，从而极大地提升太阳能电池的效率。
一些专利公布了在P型单晶硅电池背面的隧穿氧化硅/P型多晶硅结构，如：申请号201811158665.X、CN201910322856.3、CN201910474322.2、CN201910475066.9、CN201910733946.1等。但研究表明，P型多晶硅层的钝化性能和接触电阻率都不如N型多晶硅层。目前PERC太阳能电池背面采用Al2O3/SiNx叠层钝化，反向饱和电流J0低于10fA/cm2，钝化性能甚至优于P型多晶硅，使P型多晶硅在太阳能电池中丧失优势。若要在PERC电池上叠加钝化接触技术，在晶体硅正面叠加隧穿氧化层/N型多晶硅层无疑是一个较好的选择。一些专利公布了一种在PERC电池正面叠加整面隧穿氧化层/N型多晶硅层的结构，如：申请号CN201910124067.9、CN201910968143.4、CN201921705511.8等。但是，由于多晶硅对光的寄生吸收严重，会造成电池的短路电流损失。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池。
本发明的另一目的是提供一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，包括P型单晶硅衬底，P型单晶硅衬底背面由内向外依次设有背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，P型单晶硅衬底正面由内向外依次设有正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层，P型单晶硅衬底正面设有贯穿正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层的正面金属银栅线，所述的P型单晶硅衬底正面且位于正面金属银栅线下方由内而外依次设有超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层。
进一步的，所述的超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层的印刷图形分别与正面金属银栅线的印刷图形一致。
进一步的，所述的超薄隧穿氧化硅层的厚度为1-2nm，磷掺杂多晶硅层的厚度为100-300nm。
进一步的，所述的背面氧化铝钝化层、背面氮化硅钝化层、正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层的厚度分别为5-30nm、20-150nm、1-5nm和20-150nm。
一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，包括以下步骤，
1)制绒：以P型单晶硅片作为衬底，放置在制绒液中制成金字塔绒面，之后在在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中将硅片表面清洗干净，
2)制备超薄隧穿氧化硅层：在单晶硅衬底的正面和背面同时制备一层超薄隧穿氧化硅，隧穿氧化硅厚度为1-2nm，
3)制备磷掺杂多晶硅层：采用LPCVD设备在单晶硅衬底的正面和背面的超薄隧穿氧化硅上同时沉积一层磷掺杂的磷掺杂多晶硅层，厚度为100-300nm，
4)制备图形化的掩膜：采用APCVD或PECVD在硅衬底的正面沉积一层掩膜，之后在掩膜上印刷耐腐蚀油墨，印刷图形和正面金属栅线图形一致，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去除非油墨保护区域的掩膜，再用氨水和双氧水的混合水溶液去除油耐腐蚀油墨，留下与正面金属栅线图形一致的掩膜图形，
5)刻蚀：在刻蚀液中去除无掩膜保护区域的磷掺杂多晶硅层，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去残留的掩膜和隧穿氧化层，从而在P型单晶硅片正面留下与正面金属栅线图形一致的超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层，
6)磷扩散和退火：在不低于850摄氏度的条件下进行磷扩散，同时非晶硅会全部转变为多晶硅，同步完成退火晶化过程，非接触区的扩散方阻在100-250ohm/sq之间。
7)后清洗和背面抛光：对在P型单晶硅片的背面进行单面清洗，去除背面的磷硅玻璃层，然后对背面进行抛光处理，去除背面的扩散层并形成抛光面，
8)钝化：在P型单晶硅片正面依次制备正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层，在P型单晶硅片背面依次制备背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，
9)金属化：P型单晶硅片背面用激光烧蚀打开背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，然后进行丝网印刷和烧结，形成电学接触，P型单晶硅片正面的磷掺杂多晶硅层上印刷银栅线，P型单晶硅片背面印刷铝栅线。
进一步的，在步骤1)中，制绒液包括KOH水溶液，制绒温度为75-85℃。
进一步的，在步骤2)中，超薄隧穿氧化硅层的制备温度为400-700℃，
进一步的，在步骤2)中，超薄隧穿氧化硅层采用热氧法、湿化学法、PECVD或准分子源干氧法方法或设备制得。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用的正面栅线钝化接触结构，在PERC电池的衬底和正面金属栅线之间依次叠加一层超薄的隧穿氧化层和N型掺杂多晶硅层，既能够钝化晶体硅表面，提高电池的开路电压，同时降低金属接触区域的载流子复合，保证良好的接触性能，又能够降低掺杂多晶硅层对光的寄生吸收，减少电流损失，进而提高PERC电池的效率。
2、本发明公开的制备方法简单，不需要二次制绒，将磷扩散和退火晶化同步完成，减少电池经历的热过程，降低体寿命和效率损失，显著提高电池效率。同时降低生产成本，适用于产业化生产。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：P型单晶硅衬底1、背面氧化铝钝化层2、背面氮化硅钝化层3、正面氧化硅钝化层4、正面氮化硅钝化层5、正面金属银栅线6、超薄隧穿氧化硅层7、磷掺杂多晶硅层8、背面局部背场9、背面金属铝栅线10。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1所示，一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，包括P型单晶硅衬底1，P型单晶硅衬底1背面由内向外依次设有背面氧化铝钝化层2和背面氮化硅钝化层3，P型单晶硅衬底1正面由内向外依次设有正面氧化硅钝化层4和正面氮化硅钝化层5，P型单晶硅衬底1正面设有贯穿正面氧化硅钝化层4和正面氮化硅钝化层5的正面金属银栅线6，其特征在于，所述的P型单晶硅衬底1正面且位于正面金属银栅线6下方由内而外依次设有超薄隧穿氧化硅层7和磷掺杂多晶硅层8。
由于多晶硅对光的寄生吸收严重，会造成电池的短路电流损失。因此，减少正面钝化接触结构的面积占比，采用只在金属栅线下叠加钝化接触结构的方法，是解决这一问题的有效途径。
本发明采用的正面栅线钝化接触结构，在PERC电池的衬底和正面金属栅线之间依次叠加一层超薄的隧穿氧化层和N型掺杂多晶硅层，既能够钝化晶体硅表面，提高电池的开路电压，同时降低金属接触区域的载流子复合，保证良好的接触性能。又能够降低掺杂多晶硅层对光的寄生吸收，减少电流损失，进而提高PERC电池的效率。
超薄隧穿氧化硅层7和磷掺杂多晶硅层8的印刷图形分别与正面金属银栅线6的印刷图形一致。超薄隧穿氧化硅层7的厚度为1-2nm，磷掺杂多晶硅层8的厚度为100-300nm。背面氧化铝钝化层2、背面氮化硅钝化层3、正面氧化硅钝化层4和正面氮化硅钝化层5的厚度分别为15-30nm、50-100nm、1-3nm和50-100nm。
P型单晶硅衬底1背面具有背面氧化铝钝化层2和背面氮化硅钝化层3，在需要印刷金属栅线的地方用激光烧蚀打开背面氧化铝钝化层2和背面氮化硅钝化层3，然后印刷背面金属铝栅线10。背面金属铝栅线10直接与P型单晶硅衬底1接触，经过高温退火形成背面局部背场9。
实施例2
一种制备实施例1的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，包括以下步骤，
1)制绒：以P型单晶硅片作为衬底，放置在制绒液中制成金字塔绒面，之后在在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中将硅片表面清洗干净，
2)制备超薄隧穿氧化硅层：在单晶硅衬底的正面和背面同时制备一层超薄隧穿氧化硅，隧穿氧化硅厚度为1-2nm，
3)制备磷掺杂多晶硅层：采用LPCVD设备在单晶硅衬底的正面和背面的超薄隧穿氧化硅上同时沉积一层磷掺杂的磷掺杂多晶硅层，厚度为100-300nm，
4)制备图形化的掩膜：采用APCVD或PECVD在硅衬底的正面沉积一层掩膜，之后在掩膜上印刷耐腐蚀油墨，印刷图形和正面金属栅线图形一致，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去除非油墨保护区域的掩膜，再用氨水和双氧水的混合水溶液去除油耐腐蚀油墨，留下与正面金属栅线图形一致的掩膜图形，氨水浓度为25-28wt％，双氧水浓度为25-30wt％，氨水和双氧水以1:0.5-2混合，
5)刻蚀：在刻蚀液中去除无掩膜保护区域的磷掺杂多晶硅层，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去残留的掩膜和隧穿氧化层，从而在P型单晶硅片正面留下与正面金属栅线图形一致的超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层，
6)磷扩散和退火：在不低于850摄氏度的条件下进行磷扩散，同时非晶硅会全部转变为多晶硅，同步完成退火晶化过程，非接触区的扩散方阻在100-250ohm/sq之间。
7)后清洗和背面抛光：对在P型单晶硅片的背面进行单面清洗，去除背面的磷硅玻璃层，然后对背面进行抛光处理，去除背面的扩散层并形成抛光面，
8)钝化：在P型单晶硅片正面依次制备正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层，在P型单晶硅片背面依次制备背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，
9)金属化：P型单晶硅片背面用激光烧蚀打开背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，然后进行丝网印刷和烧结，形成电学接触，P型单晶硅片正面的磷掺杂多晶硅层上印刷银栅线，P型单晶硅片背面印刷铝栅线。
在步骤1)中，制绒液包括KOH水溶液，制绒温度为75-85℃。制绒液可采用市售产品。在步骤2中，超薄隧穿氧化硅层的制备温度为400-700℃，，超薄隧穿氧化硅层采用热氧法、湿化学法、PECVD或准分子源干氧法等方法或设备制得。
本发明提出的一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，将磷扩散和退火晶化同步完成，减少电池经历的热过程，降低体寿命和效率损失，不需要经历二次制绒，制备方法简单，显著提高电池效率，同时降低生产成本，适用于产业化生产。用以上工艺制备的PERC电池开路电压超过700mV，相对于主流PERC电池增加10mV以上，短路电流并没有明显降低，最终导致电池效率增加1％左右。
实施例3
一种制备实施例1的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，将P型单晶硅片作为衬底，进行常规的制绒。经过氢氟酸和RCA标准清洗后，在硅衬底的正面和背面同时制备一层厚度为1-2nm的超薄隧穿氧化硅，再采用LPCVD设备在硅衬底的正面和背面同时沉积一层厚度为100-300nm的磷掺杂的非晶/微晶硅层。采用APCVD或PECVD在硅衬底的正面沉积一层掩膜，然后在掩膜上印刷和正面金属栅线图形一致的耐腐蚀油墨。在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去除非油墨保护区域的掩膜，在氨水和双氧水的混合水溶液去除油墨材料。接着在KOH和刻蚀添加剂的混合水溶液中去除无掩膜保护区域的掺杂非晶/微晶硅层，保证金字塔绒面和其上的隧穿氧化层不被破坏。然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去残留的掩膜和隧穿氧化层。接下来，在不低于850摄氏度的条件下进行磷扩散，同步完成退火晶化过程。对硅衬底的背面进行单面清洗，去除背面的磷硅玻璃层，接着对背面进行抛光处理，去除背面的扩散层并形成抛光面。然后在正面依次制备氧化硅、氮化硅钝化膜，在背面依次制备氧化铝、氮化硅钝化膜。最后用激光烧蚀打开背面的氧化铝和氮化硅钝化层，进行常规的丝网印刷和烧结，形成电学接触。
本发明提出的一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，将磷扩散和退火晶化同步完成，减少电池经历的热过程，降低体寿命和效率损失，不需要经历二次制绒，制备方法简单，显著提高电池效率，同时降低生产成本，适用于产业化生产。用以上工艺制备的PERC电池开路电压超过700mV，相对于主流PERC电池增加10mV以上，短路电流并没有明显降低，最终导致电池效率增加1％左右。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神。
Claims (8)
1.一种正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，包括P型单晶硅衬底(1)，P型单晶硅衬底(1)背面由内向外依次设有背面氧化铝钝化层(2)和背面氮化硅钝化层(3)，P型单晶硅衬底(1)正面由内向外依次设有正面氧化硅钝化层(4)和正面氮化硅钝化层(5)，P型单晶硅衬底(1)正面设有贯穿正面氧化硅钝化层(4)和正面氮化硅钝化层(5)的正面金属银栅线(6)，其特征在于，所述的P型单晶硅衬底(1)正面且位于正面金属银栅线(6)下方由内而外依次设有超薄隧穿氧化硅层(7)和磷掺杂多晶硅层(8)。
2.根据权利要求1所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，其特征在于，所述的超薄隧穿氧化硅层(7)和磷掺杂多晶硅层(8)的印刷图形分别与正面金属银栅线(6)的印刷图形一致。
3.根据权利要求1所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，其特征在于，所述的超薄隧穿氧化硅层(7)的厚度为1-2nm，磷掺杂多晶硅层(8)的厚度为100-300nm。
4.根据权利要求1所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池，其特征在于，所述的背面氧化铝钝化层(2)、背面氮化硅钝化层(3)、正面氧化硅钝化层(4)和正面氮化硅钝化层(5)的厚度分别为5-30nm、20-150nm、1-5nm和20-150nm。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)制绒：以P型单晶硅片作为衬底，放置在制绒液中制成金字塔绒面，之后在在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中将硅片表面清洗干净，
2)制备超薄隧穿氧化硅层：在单晶硅衬底的正面和背面同时制备一层超薄隧穿氧化硅，隧穿氧化硅厚度为1-2nm，
3)制备磷掺杂多晶硅层：采用LPCVD设备在单晶硅衬底的正面和背面的超薄隧穿氧化硅上同时沉积一层磷掺杂的磷掺杂多晶硅层，厚度为100-300nm，
4)制备图形化的掩膜：采用APCVD或PECVD在硅衬底的正面沉积一层掩膜，之后在掩膜上印刷耐腐蚀油墨，印刷图形和正面金属栅线图形一致，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去除非油墨保护区域的掩膜，再用氨水和双氧水的混合水溶液去除油耐腐蚀油墨，留下与正面金属栅线图形一致的掩膜图形，
5)刻蚀：在刻蚀液中去除无掩膜保护区域的磷掺杂多晶硅层，然后在体积浓度为1-10％的氢氟酸溶液中去残留的掩膜和隧穿氧化层，从而在P型单晶硅片正面留下与正面金属栅线图形一致的超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂多晶硅层，
6)磷扩散和退火：在不低于850摄氏度的条件下进行磷扩散，同时非晶硅会全部转变为多晶硅，同步完成退火晶化过程，非接触区的扩散方阻在100-250ohm/sq之间。
7)后清洗和背面抛光：对在P型单晶硅片的背面进行单面清洗，去除背面的磷硅玻璃层，然后对背面进行抛光处理，去除背面的扩散层并形成抛光面，
8)钝化：在P型单晶硅片正面依次制备正面氧化硅钝化层和正面氮化硅钝化层，在P型单晶硅片背面依次制备背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，
9)金属化：P型单晶硅片背面用激光烧蚀打开背面氧化铝钝化层和背面氮化硅钝化层，然后进行丝网印刷和烧结，形成电学接触，P型单晶硅片正面的磷掺杂多晶硅层上印刷银栅线，P型单晶硅片背面印刷铝栅线。
6.根据权利要求5所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，在步骤1)中，制绒液包括KOH水溶液，制绒温度为75-85℃。
7.根据权利要求5所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，在步骤2)中，超薄隧穿氧化硅层的制备温度为400-700℃。
8.根据权利要求5所述的正面栅线钝化接触的PERC太阳能电池的制备方法，在步骤2)中，超薄隧穿氧化硅层采用热氧法、湿化学法、PECVD或准分子源干氧法方法或设备制得。
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