CN112331742A - 一种选择性发射极钝化接触太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种选择性发射极钝化接触太阳电池的制备方法，在背面的N+多晶硅掺杂层进行局部掺杂，形成N++重掺杂区；在N型硅片的正面和背面分别进行电极金属化时，背面电极套印在所述的N++重掺杂区上。本发明通过在背面制备选择性发射极，在保证钝化效果、高填充因子的前提下，尽可能减薄N+多晶硅掺杂层厚度和降低整体掺杂浓度，提升短路电流，提升太阳电池转换效率。

Description

一种选择性发射极钝化接触太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种选择性发射极钝化接触太阳电池及其制备方法。
背景技术
隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact，Topcon)技术是基于超薄氧化硅和掺杂多晶硅(poly-Si)的一种钝化接触结构，此钝化结构使得多数载流子可以隧穿氧化层，对少数载流子起阻挡作用，实现了载流子选择性通过，极大地降低少数载流子的复合速率，即规避了金属电极接触高复合风险，因而Topcon电池具有较高的开路电压，是目前产业化高效太阳电池表面钝化研究发展的重要方向之一。
但是，目前TOPCon电池产业化中虽然开路电压和填充因子上有较大幅度的提升，带来转化效率有明显提升，但是在短路电流提升上则持平，甚至有些降低(与N-PERTbaseline对比)。
申请人在研究中发现，背面多晶硅层厚度和掺杂浓度是阻碍其短路电流提升的重要因素。通过对钝化接触结构进行光学测试，发现其背表面钝化接触区域对于长波段反射率较差，即在长波段(800～1200nm)出现了吸收损失。其根本原因为高多晶硅掺杂层在红外波段主要为自由载流子吸收(free carrier absorption)效应，其作为寄生吸收过程存在，不能形成有效的光生载流子，此现象在高掺杂浓度半导体中体现更为明显；而较低的掺杂浓度和较薄的多晶硅层，虽然不影响整体钝化效果，但会导致背电极接触电阻偏大，进而影响填充因子FF提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种选择性发射极钝化接触太阳电池及其制备方法，能够减薄N+多晶硅掺杂层厚度和降低整体掺杂浓度，即最大限度降低自由载流子吸收效应，提升短路电流，进而提升太阳电池转换效率。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种选择性发射极钝化接触太阳电池的制备方法，本方法包括：
S1、N型硅片预处理和双面制绒；
S2、N型硅片的正面处理：
在N型硅片的正面制备P+掺杂层；
S3、N型硅片的背面处理：
在N型硅片的背面依次制备隧穿氧化层和一定厚度的本征非晶硅层，然后将本征非晶硅层转化为多晶硅层，并在硅片背面形成N+多晶硅掺杂层；
S4、背面选择性重掺杂：
在所述的N+多晶硅掺杂层进行选择性重掺杂，形成N++重掺杂区；
S5、去除因工艺带来的其它非必要层；
S6、在N型硅片的正面形成正面钝化减反射层，同时在N型硅片的背面形成背面钝化减反射层；
S7、在N型硅片的正面和背面分别进行电极金属化，得到正面电极和背面电极；其中，背面电极套印在所述的N++重掺杂区上。
按上述方法，所述的S2具体为：
通过正面硼扩散工艺形成PN结；刻蚀，单面去除背面和边缘硼发射极结，保留正面硼硅玻璃层作为下一道工序的掩膜层。
按上述方法，所述的S5包括：去除正面绕镀多晶硅层；去除正面的掩膜层和背面的残余掺杂源。
按上述方法，还包括正面选择性重掺杂的步骤，在所述的P+掺杂层进行正面选择性重掺杂，形成P++重掺杂区；
所述正面选择性重掺杂的步骤，在去除正面绕镀多晶硅之后，去除正面的掩膜层和背面的残余掺杂源之前进行；
所述正面电极套印在所述的P++重掺杂区上。
按上述方法，所述背面选择性重掺杂和/或正面选择性重掺杂采用激光掺杂的方式进行。
按上述方法，激光掺杂时，激光模式为脉冲纳秒模式、连续模式或准连续模式，激光波长为200nm～1100nm。
按上述方法，激光掺杂时，激光能量分布为高斯分布或平顶分布。
按上述方法，激光掺杂时，激光加工方式为振镜扫描方式，或者是XY模组带动激光模组或N型硅片相对运动进行加工。
按上述方法，所述的S3中的本征非晶硅层厚度为40～120nm，得到的N+多晶硅掺杂层的厚度为40～120nm，所述的S3中的N+多晶硅掺杂层的方阻为100～300Ω/□，所述N++重掺杂区方阻为40～70Ω/□。
按上述方法，P+掺杂层方阻为120～200Ω/□，P++重掺杂区的方阻为70～90Ω/□。
按上述方法，所述的去除正面绕镀多晶硅层，采用化学腐蚀方式或者激光扫描加工方式。
一种选择性发射极钝化接触太阳电池，采用所述的方法制备得到。
本发明的有益效果为：
1、通过在背面制备选择性发射极，可以有效降低电极和N++重掺杂区的接触电阻，同时降低金属栅线下N++重掺杂区的金属接触复合速率，在保证钝化效果、高填充因子的前提下，尽可能减薄N+多晶硅掺杂层厚度和降低整体掺杂浓度，即最大限度降低自由载流子吸收效应，提升短路电流，进而提升太阳电池转换效率。
2、本发明正面和背面双面重掺杂的设置，由于正面重掺杂的导入，降低了银铝浆和P++重掺杂区的接触电阻，同时降低了金属栅线下P++重掺杂区的复合速率，进一步提高电池的开路电压；P+掺杂层的扩散方阻提高，一定程度上也提高电池的开路电压和短路电流，从而进一步提高电池的转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的方法流程图。
图2为本发明实施例一的电池结构示意图。
图3为本发明实施例三的电池结构示意图。
图中：201-N型硅衬底，202-隧穿氧化层，203-N+多晶硅掺杂层，204-N++重掺杂区，205-背面钝化减反射层，206-P+掺杂层，207-正面钝化减反射层，208-背面电极，209-正面电极，210-P++层。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
如图1所示，本发明提供一种选择性发射极钝化接触太阳电池的制备方法，本方法包括：
一、N型硅片预处理和双面制绒。
二、N型硅片的正面处理：
在N型硅片的正面设置P+掺杂层。具体的，硅片进入扩散炉管中进行正面硼扩散工艺，形成PN结。
三、刻蚀，单面去除背面和边缘硼发射极结，同时保留正面BSG(硼硅玻璃)作为下一道工序的掩膜层，保护正面PN结。
四、N型硅片的背面制备隧穿氧化层：
具体的，在N型硅片背面生长一层隧穿氧化层。
五、背面制备本征非晶硅层：
具体的，在隧穿氧化层上沉积一定厚度的本征非晶硅层。本实施例中，本征非晶硅层的厚度为40～120nm。目前常规topcon电池背面非晶硅厚度在150-200nm左右，而本发明因为后续在背面进行选择性重掺杂，所以这里能够减少为40-120nm。
六、晶化及磷扩
具体的，硅片进入扩散炉管中进行晶化处理，将本征非晶硅层转化为多晶硅层，并在硅片背面形成N+多晶硅掺杂层。N+多晶硅掺杂层厚度为40～120nm，其方阻为100～200Ω/□，优选为140Ω/□。
七、背面选择性重掺杂：
在所述的N+多晶硅掺杂层进行选择性重掺杂，形成N++重掺杂区。所述的选择性重掺杂是为了形成的N++重掺杂区与后续制备的背面电极(也叫栅线)是对应的，即N++重掺杂区在栅线的正下方(此时N型硅片的背面朝上)。本实施例中，采用激光掺杂的方式，激光对背面栅线区域进行掺杂推进，形成N++重掺杂区。激光模式为脉冲ns(纳秒)模式、连续(CW)模式或准连续(QCW)模式；激光能量分布为高斯分布或平顶分布；激光波长为200nm～1100nm；激光光斑为圆形或方形；激光加工方式为振镜扫描方式或XY模组带动激光模组和产品相对运动进行加工等不限。得到的N++重掺杂区的方阻为40～70Ω/□。
八、去除正面绕镀多晶硅层。本实施例中，可采用化学腐蚀方式：酸体系溶液(HF/HNO3+添加剂混合液)、碱体系溶液(NaOH、KOH、TMAH等溶液)，或者激光扫描加工方式。
九、去除正面的掩膜层和背面的残余掺杂源。在本实施例中，由于正面是采用的是硼扩散工艺，因此正面的掩膜层为BSG(硼硅玻璃)；背面采用的是激光掺杂的方式，因此背面残余掺杂源为PSG(磷硅玻璃)。
十、在N型硅片的正面形成正面钝化减反射层，同时在N型硅片的背面形成背面钝化减反射层。
具体的，采用双面沉积的方式。所述背面钝化减反射层为SiNx膜或从内到外的SiOx/SiNx双层膜，或者从内到外的SiOx/SiNx/SiONx三层膜，所述正面钝化减反射层为SiNx膜或从内到外的AlOx/SiNx双层膜，或者AlOx/SiNx/SiONx三层膜等不同组合，遂穿钝化层为遂穿氧化层。
十一、在N型硅片的正面和背面分别进行电极金属化，得到正面电极和背面电极；其中，背面电极套印在所述的N++重掺杂区上。
本发明还提供一种选择性发射极钝化接触太阳电池，采用所述的方法制备得到。具体的，如图2所示，本电池包括N型硅衬底201，正面为从下到上依次设置的P+掺杂层206，正面钝化减反射层207；背面为依次设置的隧穿氧化层202、N+多晶硅掺杂层203、背面钝化减反射层205，所述N+多晶硅掺杂层203与背面电极208对应的位置为N++重掺杂区204。还包括正面电极209，其与P+掺杂层接触；背面电极208与N+多晶硅掺杂层203的N++重掺杂区204接触，构成选择性发射极。
本发明的电池选择性发射极，可在保证开路电压提升效果前提下，从技术上降低多晶硅层沉积厚度和掺杂浓度，可有效降低自由载流子吸收效应(FCA)，提升短路电流，进而提高Topcon电池转换效率。降低多晶硅层沉积厚度，使得正面绕镀的多晶硅层也薄了，更利于去除。
利用背面掺杂过程中形成的磷硅玻璃或磷源作为激光掺杂源，在栅线接触区域形成局部重掺杂(N++层)，降低了Ag与N++层接触电阻，确保填充因子(FF)的优势。
本发明工艺流程简单，适合应用于现有产线规模化生产中。
实施例二：
本实施例与实施例一的方案和原理基本相同，其不同之处在于：
所选的N型硅片电阻率为0.3～10ohm·cm，厚度为90～200μm。采用现有技术对N型硅片进行预处理和制绒，形成金字塔结构。
采用现有技术将硅片载入管式扩散炉管中，进行正面扩散形成PN结。其中硼源为三溴化硼，扩散温度为900～1100℃，硼扩散后其P+掺杂层方阻为70～110Ω/□，表面浓度大于1E19cm-3。本实施例中具体采用的常规硼扩散工艺，其中扩散温度是920℃，时间35min，硼扩散后其P+掺杂层方阻为90Ω/□，表面浓度为3E19cm-3。
本实施例中，利用HF/HNO3混合溶液对硅片背面和边缘进行单面刻蚀和抛光处理，去除硼扩散时绕扩到背面的P+掺杂层，对边缘刻蚀使得正背面绝缘；同时保留正面BSG，作为阻挡层，即掩膜层。
采用高温热氧、硝酸氧化或臭氧氧化方式，在硅片背面制备一层隧穿氧化层，其厚度为1～3nm，其中优选的厚度为1.5nm。具体的，本实施例中，采用高温热氧化方法，在硅片背面制备一层遂穿氧化层，其厚度为1.5nm。
采用LPCVD或PECVD方式，在硅片背面沉积一层非晶硅层，厚度为40～120nm，其中优选厚度为70nm。此时正面会产生一圈绕镀层。本实施例具体采用LPCVD方式，在硅片背面沉积了一层非晶硅层，其厚度为70nm。
在本征非晶硅层进行晶化和掺杂处理，非晶硅层转化为多晶硅层，同时硅片背面形成多晶硅掺杂层(N+层)。具体的，硅片进入扩散炉管中进行晶化处理，掺杂方式为管式扩散，磷源为三氯氧磷，温度800～865℃，时间10～20min，小氮流量为50～150sccm；多晶硅层方阻为70～90Ω/□。本实施例中，温度为温度825℃，时间15min，小氮气流量为100sccm；多晶硅层方阻为120Ω/□。
背面选择性掺杂，选择性掺杂后，重掺杂区的方阻为40～70Ω/□。优选的，采用激光进行选择性掺杂。其中激光脉宽为ns(纳秒)、CW模式或QCW模式；激光能量分布为高斯分布或均匀分布；激光波长为200nm～1100nm；激光光斑为圆形或方形；激光加工方式为振镜扫描方式或XY模组往复运行加工。本实施例中，采用532nm激光，功率28W，扫描速度26m/s，光斑尺寸120um*120um，对背面金属栅线区域进行振镜扫描局部掺杂推进，激光后方阻在45Ω/□。
利用HNO3/HF混合溶液，单面去除正面绕镀的多晶硅层。采用HF溶液中去除正面硼硅玻璃和背面磷硅玻璃。
为增加正、背表面的钝化特性及光的吸收，正面沉积一层SiNx膜或AlOx/SiNx双层膜或AlOx/SiNx/SiONx三层膜者作为正面钝化减反射层207，背面沉积一层SiNx膜或SiOx/SiNx双层膜或SiOx/SiNx/SiONx三层膜作为背面钝化减反射层205。本实施例中，正面沉积AlOx/SiNx双层膜，其厚度分别为5nm和75nm；背面沉积一层SiNx膜，其厚度为80nm。
采用现有技术对硅片正、反面进行电极金属化，本实施例中，正、背面进行栅线电极印刷，其中背面电极需套印在激光重掺杂区域之上，高温烧结完成电池正、背面金属化。
本实施例与现有技术的TOPCON电池的电性能数据，如表1：
表1
Figure BDA0002769896640000061
其中，上述用于对比的现有技术TOPCON电池也为采用本发明实施例二的方法得到的电池，区别在于，其不经过背面选择性掺杂，且其N+掺杂层的厚度为150nm。
本发明中通过降低背面多晶硅层厚度、掺杂浓度，和局部重掺杂方式，制备选择性发射极Topcon太阳能电池，经过测试效率达到22.69％，相比传统常规Topcon太阳能电池效率提高0.24％，主要是短路电流的提升，说明背面多晶硅其自由载流子吸收效应造成了短路电流损失，本发明通过调整多晶硅厚度、掺杂浓度，局部重掺杂，确保高开路电压、填充因子的同时，提升了短路电流，进而提高Topcon电池转换效率。
实施例三
本实施例与实施例一的方案和原理基本相同，其不同之处在于：
步骤二 硼扩散
其中，步骤二，在N型硅片的正面设置P+掺杂层，硼扩散后其P+掺杂层方阻为120～200Ω/□，表面浓度为3E19～5E19cm-3。
步骤八和步骤九之间，还包括正面选择性掺杂的步骤：
具体的，在所述的P+掺杂层进行选择性重掺杂，形成P++重掺杂区。所述的选择性重掺杂是为了形成的P++重掺杂区与后续制备的正面电极(也叫栅线)是对应的，即P++重掺杂区在正面栅线的正下方(此时N型硅片的正面朝上)。本实施例中，采用激光掺杂的方式，激光对正面栅线区域进行掺杂推进，形成P++重掺杂区。激光模式为脉冲ns(纳秒)模式、连续(CW)模式或准连续(QCW)模式；激光能量分布为高斯分布或平顶分布；激光波长为200nm～1100nm；激光光斑为圆形或方形；激光加工方式为振镜扫描方式或XY模组带动激光模组和产品相对运动进行加工等不限。得到的P++重掺杂区的方阻为70～90Ω/□。
步骤十一中，在N型硅片的正面和背面分别进行电极金属化，得到正面电极和背面电极；其中，背面电极套印在所述的N++重掺杂区上，正面电极套印在所述的P++重掺杂区域上。
本发明还提供一种选择性发射极钝化接触太阳电池，采用所述的方法制备得到。具体的，如图3所示，本电池包括N型硅衬底201，正面为从下到上依次设置的P+掺杂层206，正面钝化减反射层207；背面为依次设置的隧穿氧化层202、N+多晶硅掺杂层203、背面钝化减反射层205，所述N+多晶硅掺杂层203与背面电极208对应的位置为N++重掺杂区204，背面电极208与N+多晶硅掺杂层203的N++重掺杂区204接触，构成选择性发射极；所述P+掺杂层206与正面电极209对应的位置为P++重掺杂区210，正面电极209与P+掺杂层206的P++重掺杂区210接触，构成选择性发射极。
本发明正面和背面双面重掺杂的设置，由于正面重掺杂的导入，降低了银铝浆和P++重掺杂区的接触电阻，同时降低了金属栅线下P++重掺杂区的复合速率，进一步提高电池的开路电压；P+掺杂层的扩散方阻提高，一定程度上也提高电池的开路电压和短路电流，从而进一步提高电池的转换效率。
实施例四
本实施例和实施例二及实施例三的方案和原理基本相同，
其中，正面硼扩时为正面选择性掺杂扩散工艺，其中扩散温度是910℃，时间25min,硼扩散后其P+掺杂层方阻为120～200Ω/□，表面浓度为3E19～5E19cm-3，本实施例中，正面P+层掺杂方阻为150Ω/□，表面浓度为4E19cm-3。
正面重掺杂时，采用532nm激光，功率32W，扫描速度26m/s，光斑尺寸120um*120um，对背面金属栅线区域进行振镜扫描局部掺杂推进，激光后方阻在85Ω/□。
本实施例与实施例二、与现有技术的TOPCON电池的电性能数据，如表2：
表2
Figure BDA0002769896640000081
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种选择性发射极钝化接触太阳电池的制备方法，其特征在于：本方法包括：
S1、N型硅片预处理和双面制绒；
S2、N 型硅片的正面处理：
在N型硅片的正面设置P+掺杂层；
S3、N 型硅片的背面处理：
在N 型硅片的背面依次制备隧穿氧化层和一定厚度的本征非晶硅层，然后将本征非晶硅层转化为多晶硅层，并在硅片背面形成N+多晶硅掺杂层；
S4、背面选择性重掺杂：
在所述的N+多晶硅掺杂层进行选择性重掺杂，形成N++重掺杂区；
S5、去除因工艺带来的其它非必要层；
S6、在N型硅片的正面形成正面钝化减反射层，同时在N型硅片的背面形成背面钝化减反射层；
S7、在N型硅片的正面和背面分别进行电极金属化，得到正面电极和背面电极；其中，背面电极套印在所述的N++重掺杂区上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的S2具体为：
通过正面硼扩散工艺形成PN结；刻蚀，单面去除背面和边缘硼发射极结，保留正面硼硅玻璃层作为下一道工序的掩膜层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的S5包括：去除正面绕镀多晶硅层；去除正面的掩膜层和背面的残余掺杂源。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：还包括正面选择性重掺杂的步骤，在所述的P+掺杂层进行正面选择性重掺杂，形成P++重掺杂区；
所述正面选择性重掺杂的步骤，在去除正面绕镀多晶硅之后，去除正面的掩膜层和背面的残余掺杂源之前进行；
所述正面电极套印在所述的P++重掺杂区上。
5.根据权利要求4任一所述的制备方法，其特征在于：所述背面选择性重掺杂和/或正面选择性重掺杂采用激光掺杂的方式进行。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：激光掺杂时，激光模式为脉冲纳秒模式、连续模式或准连续模式，激光波长为200nm~1100nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：激光掺杂时，激光能量分布为高斯分布或平顶分布。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：激光掺杂时，激光加工方式为振镜扫描方式，或者是XY模组带动激光模组或N型硅片相对运动进行加工。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的S3中的本征非晶硅层厚度为40~120nm，得到的N+多晶硅掺杂层的厚度为40~120nm，所述的S3中的N+多晶硅掺杂层的方阻为100~300Ω/□，所述N++重掺杂区方阻为40~70Ω/□。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：P+掺杂层方阻为120~200Ω/□，P++重掺杂区的方阻为70~90Ω/□。
11.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的去除正面绕镀多晶硅层，采用化学腐蚀方式或者激光扫描加工方式。
12.一种选择性发射极钝化接触太阳电池，其特征在于：采用权利要求1至11中任意一项所述的方法制备得到。
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