CN112259638B - 光伏电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光伏电池的制备方法，包括：提供半导体基材；在所述半导体基材上形成初级钝化接触结构；形成所述初级钝化接触结构后，在所述半导体基材上形成电极；形成所述电极后，对所述电极以及所述初级钝化接触结构进行烧结处理，以激活所述初级钝化接触结构形成钝化接触结构。本发明实施例提供的光伏电池的制备方法将钝化接触结构的激活以及电极的烧结集成在同一工艺中，能够简化生产工艺，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明实施例涉及太阳能领域，特别涉及一种光伏电池的制备方法。
背景技术
光伏电池用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池。硅太阳能电池主要包括：包括钝化发射极背面局部场接触电池、交叉指式背接触电池、硅异质结电池、交叉指式背接触异质结电池、钝化接触电池等。
目前，钝化接触电池因其优异的全表面钝化和载流子选择性，被认为是综合性能最优的晶硅电池之一。钝化接触电池能够完全避免激光开孔工艺，投资成本低，适于大规模工业生产。
然而，现有光伏电池的制备过程仍然较为复杂。
发明内容
本发明实施例解决的技术问题为提供一种光伏电池的制备方法，解决光伏电池的制备过程较为复杂的问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种光伏电池的制备方法，包括：提供半导体基材；在所述半导体基材上形成初级钝化接触结构；形成所述初级钝化接触结构后，在所述半导体基材上形成电极；形成所述电极后，对所述电极以及所述初级钝化接触结构进行烧结处理，以激活所述初级钝化接触结构形成钝化接触结构。
另外，所述烧结处理具有最高温度区间，且所述最高温度区间的温度为700℃-1000℃。
另外，形成所述初级钝化接触结构的步骤包括：在所述半导体基材上形成隧穿层；在所述隧穿层上形成硅层，所述硅层内具有N型掺杂离子或者P型掺杂离子；所述烧结处理具有最高温度区间，且所述最高温度区间的温度随着所述隧穿层的厚度的增加而升高。
另外，所述隧穿层的厚度为0.5nm-1nm，且所述最高温度区间的温度为700℃-850℃，在所述最高温度区间的加热时间为30s-10min。
另外，所述隧穿层的厚度为1nm-1.5nm，且所述最高温度区间为750℃-950℃，在所述最高温度区间的加热时间为1min-20min。
另外，所述最高温度区间的温度还随着所述硅层的厚度的增加而升高。
另外，所述硅层的厚度为40nm-150nm，且所述最高温度区间为700℃-900℃，在所述最高温度区间的加热时间为30s-10min。
另外，所述硅层的厚度为150nm-300nm，且所述最高温度区间为800℃-1000℃，在所述最高温度区间的加热时间为5min-30min。
另外，所述隧穿层的材料包括氧化硅。
另外，采用链式退火工艺进行所述烧结处理；所述链式退火的工艺区包括：上料区、低温区、中温区、高温区、最高温区以及下料区；所述低温区的温度为400℃-600℃，所述中温区的温度为500℃-700℃，所述高温区的温度为600℃-700℃，所述最高温区的温度为700℃-1000℃；且所述低温区、所述中温区、所述高温区及所述最高温区的温度依次升高。
与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：
在半导体基材上形成初级钝化接触结构，形成初级钝化接触结构后，形成电极；形成电极后，对电极以及初级钝化接触结构进行烧结处理，以激活初级钝化接触结构形成钝化接触结构。因此，本发明实施例能够将初级钝化接触结构的激活过程与电极烧结集成在同一工艺步骤中，从而简化生产过程，降低生产的难度，降低生产成本。
另外，本发明实施例采用链式退火工艺进行烧结处理，相比于管式工艺，链式退火工艺使得初级钝化接触结构的受热更加均匀，进而使得硅层的晶化率更高，掺杂离子的分布更为均匀，因此，激活形成的钝化接触结构的质量更好。链式退火工艺还能够将烧结的各个温区进行集成，且链式退火工艺的上下料对设备精度要求较低，能够降低光伏电池的碎片率。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本实施例提供的光伏电池的制备流程图；
图2-图8为本实施例提供的光伏电池的制备方法中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术的光伏电池的制备过程较为复杂。
经分析发现，主要原因包括：在生产光伏电池时，形成钝化接触结构的工艺步骤较为复杂。钝化接触结构的形成方法一般有两种，第一种方法是沉积了本征硅层后，采用高温管式扩散的方式进行掺杂；第二种方法是沉积原位掺杂的硅层后，采用高温管式退火方式对硅层进行晶化退火。第一种方法额外增加管式扩散的工艺步骤，第二种方法额外增加管式退火工艺，从而会提高光伏电池工艺成本和工序复杂性。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种光伏电池的制备方法，将钝化接触结构的激活与电极的烧结集成到同一工艺步骤中，从而简化光伏电池的制备工艺，降低生产成本。提高电池量产良率。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明第一实施例提供一种光伏电池的制备方法，图1为本实施例提供的光伏电池的制备流程图，图2-图8为本实施例提供的光伏电池的制备方法中各步骤对应的结构示意图。以下将结合图1至图8对本发明第一实施例提供的光伏电池的制备方法进行详细说明。
结合参考图1及图2，步骤S100：提供半导体基材110。
半导体基材110的材料包括硅或锗；半导体基材110中还具有N型离子或P型离子。
本实施例中，制备的光伏电池为钝化接触结构电池，并采用N型掺杂硅作为半导体基材110；利用N型掺杂硅制备的光伏电池的钝化效果和接触效果较好，且没有铝浆烧穿效应，在性能上优于P型掺杂硅制备的钝化接触电池。钝化是指减小硅电池表面的载流子复合。接触是指半导体基材110与后续形成的电极116(参考图8)之间的欧姆接触，以实现多数载流子的传输。铝浆烧穿效应是指制备电极116的铝浆被烧进光伏电池内的PN结中，导致光伏电池短路。在其他实施例中，也可采用P型掺杂硅作为半导体基材，或者制备指交叉背接触电池等其他类型的电池。
参考图3，本实施例中，还对提供的半导体基材110进行去损伤和织构化处理。利用半导体基材110的各向异性，通过酸处理或者碱处理在半导体基材110正面形成绒面结构。利用陷光原理，减少光的反射，提高光的吸收率。处理后的半导体基材110表面可以是金字塔、抛光或者黑硅等表面。
参考图4，本实施例中，还在去损伤和织构化处理后的半导体基材110的正面形成PN结。具体地，在半导体基材110的一面进行掺杂，掺杂方法可以是高温扩散、浆料掺杂或者离子注入等。N型掺杂离子包括磷、砷或者锑；P型掺杂离子包括硼、镓或者铟。掺杂方阻在80ohm/sq-400ohm/sq之间。
结合参考图1及图5，步骤S101：在半导体基材110上形成初级钝化接触结构112。
初级钝化接触结构112在激活后具有良好的钝化效果及载流子选择性，能够提高光伏电池的性能。本实施例中初级钝化接触结构112位于光伏电池的背面，在其他实施例中，初级钝化接触结构还可以位于光伏电池的正面或位于光伏电池的正反两面。
本实施例中，初级钝化接触结构112包括依次堆叠设置的隧穿层113以及硅层114；相应的形成初级钝化接触结构112的步骤包括：
步骤S111：在半导体基材110上形成隧穿层113。
隧穿层113在其与半导体基材110的界面提供化学钝化，以减少界面态，同时保证多数载流子的输运能够通过直接或缺陷辅助的隧穿来完成，因此，多数载流子可以穿过隧穿层113，而少数载流子则被阻挡。
本实施例中，隧穿层113的材料为氧化硅。在其他实时例中，隧穿层的材料可以为氮化硅或氮氧化硅。
隧穿层113的厚度为0.5nm-1.5nm。如果隧穿层113的厚度小于0.5nm，部分少数载流子会穿过隧穿层113，隧穿层113的载流子选择传输性较差；厚度大于1.5nm，多数载流子的隧穿受到阻碍，电池的转换效率、开路电压、填充因子会减小，从而影响电池的性能。厚度在0.5nm-1.5nm范围内，隧穿层113的钝化效果最好。
本实施例中，通过低压化学气相沉积(LPCVD,Low Pressure Chemical VaporDeposition)在半导体基材110上形成隧穿层113。采用LPCVD形成的隧穿层113的质量和均匀性好、产量高、成本低，且易于实现自动化。可以理解的是，在其他实施例中，还可以采用等离子增强化学气相沉积(PECVD，Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)等工艺形成隧穿层。
步骤S121：在隧穿层113上形成硅层114，硅层114内具有N型掺杂离子或者P型掺杂离子。
其中，N型掺杂离子包括磷、砷或者锑；P型掺杂离子包括硼、镓或者铟。掺杂的硅层114既能获得低表面缺陷态密度，又能获得极佳的场钝化性能，在半导体基材110表面形成能带弯曲，从而实现载流子的选择性传输，减小载流子的复合，提高光伏电池的转换效率。
本实施例中，硅层114的材料为多晶硅。在其他实施例中，硅层的材料也可以为非晶硅或微晶硅。
硅层114的厚度40nm-300nm。若硅层114的厚度小于40nm，在后续烧结过程中，可能会发生隧穿层113被烧穿的现象；若硅层114的厚度大于300nm，后续需要更高的烧结温度来激活硅层114，从而会提高工艺难度。
硅层114的N型掺杂离子或P型掺杂离子的掺杂浓度可以在1×1019cm-3-1×1021cm-3之间。在其他实施例中，也可以根据光伏电池的特性，合理调整硅层中的N型掺杂离子或者P型掺杂离子的掺杂浓度。
本实施例中，半导体基材110为N型掺杂硅，在N型掺杂硅的半导体基材110上形成重掺杂n+硅层114，即硅层114的掺杂浓度需大于半导体基材110的掺杂浓度，从而在半导体基材110与硅层114之间形成内建电场。少数载流子的运动方向与内建电场的方向相反，多数载流子的运动方向与内建电场的方向相同，因此少数载流子被阻挡在硅层114外，而多数载流子可以穿过硅层114，从而实现了载流子的选择性运输。本实施例中少数载流子为空穴，多数载流子为电子。
在其他实施例中，半导体基材也可以为P型掺杂硅，在P型掺杂硅的半导体基材上形成重掺杂p+硅层。因此，少数载流子为电子，电子被阻挡在硅层外，而多数载流子为空穴，空穴可以穿过硅层。
本实施例中，通过PECVD在半导体基材110上形成原位掺杂的硅层114。具体地，在形成硅层114的过程中，除向反应腔室内提供硅源气体外，还提供掺杂源气体，该掺杂源气体包括N型掺杂离子或者P型掺杂离子。在其他实施例中，也可通过LPCVD形成硅层。
相较于先形成本征的硅层，再采用高温热扩散或者离子注入等工艺对本征的硅层进行掺杂的方案相比，本实施例中，采用原位掺杂的方式形成硅层114的工艺步骤更加简单，可以减少一个工序步骤，降低光伏电池工艺成本和工序复杂性。
可以理解的是，在其他实施例中，也可以采用热扩散或者离子注入等工艺形成掺杂的硅层。
参考图6，在形成初级钝化接触结构112后，还在半导体基材110上形成钝化膜层115。本实施例中，形成的钝化膜层115位于光伏电池的正面及背面，在其他实施例中，钝化膜层还可位于光伏电池的正面或背面中的一面。形成钝化膜层115的主要目的是降低载流子复合，从而提高光伏电池的开路电压和转换效率。钝化膜层115的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮氧化硅。
结合参考图1和图7，步骤S102：在半导体基材110上形成电极116。
电极116的主要作用是将光生电流从光伏电池中引出来。电极116的材料包括铝浆、银浆或者银铝浆等。
本实施例中，正面的电极116为栅线设计，栅线设计可以减少正面的电极116对半导体基材110的遮挡；背面的电极116覆盖初始钝化接触结构112，覆盖初始钝化接触结构112的电极116的电阻较小，能够减小电流损失。在其他实施例中，背面的电极也可以为栅线设计，或者电极均位于电池背面。
本实施例中，形成电极116的方法为丝网印刷。在其他实施例中还可以通过溅射或电镀的方式形成电极。
结合参考图1和图8，步骤S103：对电极116以及初级钝化接触结构112(参考图7)进行烧结处理，以激活初级钝化接触结构112形成钝化接触结构117。
烧结处理的主要目的包括三方面：第一：干燥用于制备电极116的浆料，使浆料和半导体基材110之间形成良好的欧姆接触；第二：激活硅层114(参考图7)中的掺杂离子，减少硅层114的缺陷。由于硅层114中还可能包含部分微晶硅或非晶硅，烧结处理能够使其全部转化成多晶硅，以形成改性硅层114a；第三：减少隧穿层113(参考图7)中的缺陷，以形成改性隧穿层113a。
烧结处理具有最高温度区间，且最高温度区间的温度为700℃-1000℃。初级钝化接触结构112(参考图7)中的硅原子以及掺杂离子的迁移速率会随着温度的升高而增加，两者成正相关。因此，若最高温度区间的温度较高，硅原子及掺杂离子能够较快地返回到晶格中的正常位置，从而使得最终形成的钝化接触结构117的晶格缺陷少、掺杂离子分布更为均匀。但若最高温度区间的温度过高，容易使钝化接触结构117被烧穿。因此，700℃-1000℃的最高温度区间能够获得更好的初级钝化接触结构112的激活效果。
烧结处理的最高温度区间的温度随着隧穿层113(参考图7)的厚度的增加而升高。可以理解的是，随着隧穿层113厚度的增加，隧穿层113中的原子数量增加，为提高原子整体的迁移速率，使原子更快地迁移的相应的晶格中，从而减少晶格中的缺陷，减少隧穿层113与半导体基材110界面的复合中心，以获得更好的钝化效果，可以适当提高最高温度区间的温度。
具体地，在一个例子中，隧穿层113(参考图7)的厚度为0.5nm-1nm，且最高温度区间的温度为700℃-850℃，在最高温度区间的加热时间为30s-10min。
在另一个例子中，隧穿层113(参考图7)的厚度为1nm-1.5nm，且最高温度区间为750℃-950℃，在最高温度区间的加热时间为1min-20min。
此外，最高温度区间的温度还随着硅层114(参考图7)的厚度的增加而升高。可以理解的是，随着硅层114厚度的增加，硅层114中的原子数量增加，为提高原子整体的迁移速率，使原子更快地迁移到相应的晶格中，从而提高硅层114的晶化率、以及掺杂离子的分布均匀性，可以适当提高最高温度区间的温度。
具体地，在一个例子中，硅层114(参考图7)的厚度为40nm-150nm，且最高温度区间为700℃-900℃，在最高温度区间的加热时间为30s-10min。
在另一个例子中，硅层114(参考图7)的厚度为150nm-300nm，且最高温度区间为800℃-1000℃，在最高温度区间的加热时间为5min-30min。
采用链式退火工艺进行烧结处理；链式退火的工艺区包括：上料区、低温区、中温区、高温区、最高温区以及下料区；低温区的温度为400℃-600℃，中温区的温度为500℃-700℃，高温区的温度为600℃-700℃，最高温区的温度为700℃-1000℃；且低温区、中温区、高温区及最高温区的温度依次升高。
相比于管式工艺，链式工艺使光伏电池的受热更为均匀，进而使得硅层114(参考图7)的晶化率更高、掺杂离子分布更为均匀，激活形成的钝化接触结构117的质量更好。
链式工艺对各个工艺步骤的兼容性更强，链式退火的各个工艺区间可以根据光伏电池的具体结构进行灵活的设计。例如，本实施例中，对初级钝化接触结构112(参考图7)的激活需要利用烧结处理的最高温度区间，因此，相应的可以在链式退火的设备上设计最高温度区，从而实现初级钝化结构接触112激活与电极116烧结的集成。
另外，链式退火工艺相比于管式工艺，上下料对设备精度要求较低，电池片碎片率更低。链式退火工艺的自动化程度更高、产量更大、工艺更稳定。
值得注意的是，光伏电池还可包括减反层等其它组成结构，以及与这些组成结构相对应的制备方法，本实施例对此不进行限制。
综上所述，本发明实施例将初级钝化接触结构112的激活与电极116的烧结处理集成，简化工艺步骤、降低生产成本；另外，通过链式退火的工艺进行烧结处理，产品良率更高、生产工艺更简单。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种光伏电池的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体基材；
在所述半导体基材上形成初级钝化接触结构；
形成所述初级钝化接触结构后，在所述半导体基材上形成电极，形成所述电极前不对所述初级钝化接触结构进行激活；
形成所述电极后，同时对所述电极以及所述初级钝化接触结构进行烧结处理，以激活所述初级钝化接触结构形成钝化接触结构，以将所述初级钝化接触结构的激活过程与电极烧结集成在同一工艺步骤中；
形成所述初级钝化接触结构的步骤包括：在所述半导体基材上形成隧穿层；在所述隧穿层上形成硅层，所述硅层内具有N型掺杂离子或者P型掺杂离子；所述烧结处理具有最高温度区间，且所述最高温度区间的温度随着所述隧穿层的厚度的增加而升高；
所述隧穿层的厚度为1nm-1.5nm，且所述最高温度区间为750℃-950℃，在所述最高温度区间的加热时间为1min-20min。
2.根据权利要求1所述的光伏电池的制备方法，其特征在于，所述最高温度区间的温度还随着所述硅层的厚度的增加而升高。
3.根据权利要求2所述的光伏电池的制备方法，其特征在于，所述硅层的厚度为40nm-150nm，且所述最高温度区间为700℃-900℃，在所述最高温度区间的加热时间为30s-10min。
4.根据权利要求2所述的光伏电池的制备方法，其特征在于，所述硅层的厚度为150nm-300nm，且所述最高温度区间为800℃-1000℃，在所述最高温度区间的加热时间为5min-30min。
5.根据权利要求1所述的光伏电池的制备方法，其特征在于，所述隧穿层的材料包括氧化硅。
6.根据权利要求1所述的光伏电池的制备方法，其特征在于，采用链式退火工艺进行所述烧结处理；所述链式退火的工艺区包括：上料区、低温区、中温区、高温区、最高温区以及下料区；所述低温区的温度为400℃-600℃，所述中温区的温度为500℃-700℃，所述高温区的温度为600℃-700℃，所述最高温区的温度为700℃-1000℃；且所述低温区、所述中温区、所述高温区及所述最高温区的温度依次升高。
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