CN112349809B - 一种局域发射极的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种局域发射极的太阳能电池及其制备方法。该方法包括：S1、对硅片进行预处理，形成双面制绒结构；S2、采用模具对硅片的正面制绒结构进行局域反应离子刻蚀，使得局域刻蚀部分的制绒结构的宽度和高度同时减小；S3、在硅片的正面进行掺杂，以在局域刻蚀部分形成低方阻的重掺杂区，在未刻蚀部分形成高方阻的轻掺杂区；S4、对硅片进行后处理。本发明利用电池表面微观形貌的差异，通过单次扩散在电池前表面引入局域发射极结构，制备的局域重掺杂区域的表面离子浓度高，方阻低，降低了金属复合和接触电阻；轻掺杂区域离子浓度相对较低，方阻较高，降低了发射极复合。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种局域发射极的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，改善金属-半导体接触电阻和复合电流成为N型和P型电池提效的重要方向。在N型电池中，当P+发射极的方阻降低时，金属复合电流降低，但P+界面复合会升高；P+方阻升高时，界面复合降低，但金属复合和接触电阻率会升高。因此，保持P+面整体方阻较高，在金属化区域制备高浓度低方阻的局域P++结构，成为提高电池效率的关键。普通结构N型电池的金属复合约为700～1000fA/cm2，发射极界面复合约为50fA/cm2。2020年，天合光能在156.75*156.75mm2 N型太阳电池上制备了方阻分别为95.0Ω/m2和54.3Ω/m2的P+和P++发射极，将电池效率提升至23.12％。相对于P+方阻为88.9Ω/m2的普通结构电池，J0e,total降低了14.2fA/cm2；局域发射极技术也在P型电池的提效和量产中有广泛的应用。
目前，国内已有厂商将局域发射极(SE)技术应用到太阳电池的批量生产中，制备SE结构的方法包括激光掺杂法和Mask掩膜法。这两种方法均在单次扩散后，通过增加工序制备局域的重掺杂结构。这两种方法均存在一些弊端：
在激光掺杂过程中，高温会对硅基体带来不可逆的损伤。
在Mask掩膜法中，化学浆料的使用对发射极带来污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种局域发射极的太阳能电池及其制备方法。
本发明的一种局域发射极的太阳能电池制备方法，其包括以下步骤：
S1、对N型(或P型)硅片进行预处理，形成双面制绒结构；
S2、采用模具对硅片的正面制绒结构进行局域反应离子刻蚀，使得局域刻蚀部分的制绒结构的宽度和高度同时减小；
S3、在硅片的正面进行硼(或磷)掺杂，以在局域刻蚀部分形成低方阻的P++(N++)重掺杂区，在未刻蚀部分形成高方阻的P+(N+)轻掺杂区；
S4、对硅片进行后处理。
本发明提供的一种局域发射极的太阳能电池制备方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤S2中，所述局域刻蚀部分的制绒结构的面积占硅片正面的制绒结构的总面积的1％～10％。
其中，在步骤S2中，
所述局域刻蚀部分的制绒结构的高度为200-800nm，宽度为20-200nm。
其中，在步骤S3中，
对于N型电池，所述P++重掺杂区的方阻为60-120Ω/sq，所述轻掺杂区的方阻为180-220Ω/sq。对于P型电池，所述N++重掺杂区的方阻为40-80Ω/sq，所述N+轻掺杂区的方阻为120-180Ω/sq。
其中，在步骤S3中，
当硅片为N型硅片时，采用硼扩散的方式在硅片的正面进行硼掺杂，硼源为三溴化硼。当硅片为P型硅片时，采用磷扩散的方式在硅片正面进行磷掺杂，磷源为三氯氧磷。
其中，在步骤S4中，所述对硅片进行后处理包括：
S41、对硅片进行普通刻蚀，去除硅片背面和四边的多余掺杂区；并在硅片的背面依次制备隧穿氧化层和掺杂多晶硅层，并进行清洗、退火处理；
S42、在硅片背面的所述多晶硅层上制备钝化减反射膜，并进行清洗处理；
S43、在硅片的正面制备氧化硅层；
S44、在硅片正面的所述氧化硅层上制备氮化硅薄膜层；
S45、对硅片的正面和背面进行金属化处理。
其中，在步骤S41中，
所述隧穿氧化层的厚度为0.5～1.5nm，掺杂多晶硅层厚度为60-300nm；其中，制备所述掺杂多晶硅层的磷源采用三氯氧磷，扩散温度为800-950℃，磷扩散方阻为20-50Ω/sq。
其中，在步骤S42中，
所述钝化减反射膜为氧化硅层和氮化硅层的叠层膜。
其中，在步骤S44中，将氨气和硅烷气体进行离子化后沉积在硅片的正面，形成所述氮化硅薄膜层。
本发明还提供了一种局域发射极的太阳能电池，所述局域发射极的太阳能电池根据权利要求上述所述的方法制备。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明创造性地利用电池表面微观形貌的差异，通过单次硼扩或磷扩在电池前表面引入局域发射极结构，电池前表面主要分为两个部分，第一区域的P+发射极或N+发射极和第二区域的P++发射极或N++发射极。从电学的角度，本发明制备的局域P++区域或局域N++区域的表面离子浓度高，方阻低，降低了金属复合和接触电阻；P+区域或N+区域离子浓度相对较低，方阻较高，降低了发射极复合。从光学的角度，局域反应离子刻蚀后的绒面对波长300～950nm波长的光反射率比普通绒面低，局域反应离子刻蚀区域占P+区域或N+区域面积的11％，细栅占面积的3.2％左右，因此，从光学的角度来看，本发明可以微弱地提升电池的电流。
附图说明
图1为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S1后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S2中的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S3后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S41后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S42后的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S43后的电池结构截面示意图。
图7为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S44后的电池结构截面示意图。
图8为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法步骤S45的电池结构截面示意图。
图9为本发明实施例的局域发射极结构及其制备方法ECV曲线示意图。
图10a与10b为本实施例局域反应离子刻蚀前的硅片正面的制绒结构的示意图。
图10c与10d为本实施例局域反应离子刻蚀后的硅片正面的制绒结构的示意图。
图中，1-N型硅基体，2-正面RIE刻蚀区，3-P+发射极，4-隧穿氧化层，5-多晶硅层，6-背面氧化硅层，7-氮化硅层，8-正面氧化硅层，9-氮化硅薄膜层，10-栅线，11-P++发射极。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到保护。
本发明的一种局域发射极的太阳能电池制备方法，其包括以下步骤：
S1、对硅片进行预处理，形成双面制绒结构；
S2、采用模具对硅片的正面制绒结构进行局域反应离子刻蚀，使得局域刻蚀部分的制绒结构的宽度和高度同时减小；
S3、在硅片的正面进行掺杂，以在局域刻蚀部分形成低方阻的重掺杂区，在未刻蚀部分形成高方阻的轻掺杂区；
S4、对硅片进行后处理。
本发明创造性地利用电池表面微观形貌的差异，通过单次硼扩或磷扩在电池前表面引入局域发射极结构，电池前表面主要分为两个部分，第一区域的P+发射极或N+发射极和第二区域的P++发射极或N++发射极。从电学的角度，本发明制备的局域P++区域或局域N++区域的表面离子浓度高，方阻低，降低了金属复合和接触电阻；P+区域或N+区域离子浓度相对较低，方阻较高，降低了发射极复合。从光学的角度，局域反应离子刻蚀后的绒面对波长300～950nm波长的光反射率比普通绒面低，局域反应离子刻蚀区域占P+区域或N+区域面积的11％，细栅占面积的3.2％左右，因此，从光学的角度来看，本发明可以微弱地提升电池的电流。
在一个实施例中，在步骤S2中，所述局域刻蚀部分的制绒结构的面积占硅片正面的制绒结构的总面积的1％～10％。
优选地，在步骤S2中，所述局域刻蚀部分的制绒结构的高度为200-800nm，宽度为20-200nm。
优选地，在步骤S3中，所述重掺杂区的方阻为60-120Ω/sq，所述轻掺杂区的方阻为180-220Ω/sq。
优选地，在步骤S3中，采用硼扩散的方式在硅片的正面进行掺杂，硼源为三溴化硼。
优选地，在步骤S4中，所述对硅片进行后处理包括：
S41、对硅片进行普通刻蚀，去除硅片背面和四边的多余掺杂区；并在硅片的背面依次制备隧穿氧化层和掺杂多晶硅层，并进行清洗、退火处理；
S42、在硅片背面的所述多晶硅层上制备钝化减反射膜，并进行清洗处理；
S43、在硅片的正面制备氧化硅层；
S44、在硅片正面的所述氧化硅层上制备氮化硅薄膜层；
S45、对硅片的正面和背面进行金属化处理。
本实施例中，正面的氧化硅层能够实现场钝化效应。
可选地，在步骤S41中，所述隧穿氧化层的厚度为0.5～1.5nm，掺杂多晶硅层厚度为60-300nm；其中，制备所述掺杂多晶硅层的磷源采用三氯氧磷，扩散温度为800-950℃，磷扩散方阻为20-50Ω/sq。
可选地，在步骤S42中，
所述钝化减反射膜为氧化硅层和氮化硅层的叠层膜。
可选地，在步骤S44中，将氨气和硅烷气体进行离子化后沉积在硅片的正面，形成所述氮化硅薄膜层。
本实施例中，将氨气和硅烷气体进行离子化后沉积在硅片的正面，形成所述氮化硅薄膜层，以加强P+面的钝化并降低光反射。
本发明从工艺创新和流程优化的角度出发，利用硼扩在随机正金字塔绒面上和反应离子刻蚀加工后的绒面上产生不同的结型，其ECV曲线如图9所示，图9中，TEX区为轻掺杂区，其为低掺杂区；RIE区为重掺杂区，其为高掺杂区，在单次扩散后制备出SE结构。相比于现有技术，本发明中的SE结构主要涉及表观形貌的改造，是一个物理过程，工艺流程相对简单，不会引入化学杂质污染。
具体地，本发明取用制绒后正面形成金字塔结构的硅片，结合具有特定图案和尺寸的模板，对硅片进行反应离子刻蚀，使得硅片第二区域的表面形貌由如图10a和10b所示的宽度为1-5μm的金字塔结构转变成图10c和10d所示的高度为200-800纳米，宽度为20-200纳米的针尖状结构；然后去除损伤，通过单次扩散，制备出电池的高方阻轻掺杂发射极和低方阻的重掺杂发射极。
下面将以具体的实施例对本发明局域发射极的太阳能电池制备方法和钝化接触电池的制备方法进行详细地说明。
实施例1
步骤S1、对N型硅基体1清洗去除机械损伤层并制绒，形成随机金字塔结构，其中，硅基体电阻率为1Ω·cm，硅片厚度为170μm。完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
步骤S2、搭配机械模具通过遮挡的方式，对硅基体部分表面进行反应离子刻蚀，制备反应离子刻蚀区2，刻蚀面积为1％。完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
步骤S3、撤除模具后，前表面通过硼扩散的方式形成PN结，并刻蚀去除边缘和背面多余的掺杂；其中，硼源采用三溴化硼，硼扩后第一区域的P+发射极3的方阻为200Ω/sq，第二区域的P++发射极11的方阻为60Ω/sq。完成本步骤之后的电池结构如图3所示。
步骤S41、对硅片进行普通刻蚀，去除硅片背面和四边的多余P+掺杂区，对N型晶体硅基体1用低压化学气相沉积的方式沉积一层隧穿氧化层4和多晶硅层5；其中，隧穿氧化层4的厚度范围为0.5nm，掺杂多晶硅层5的厚度为60nm；磷源使用三氯氧磷，扩散温度为800℃，磷扩散方阻为20Ω/sq；清洗并退火处理。完成本步骤之后的电池结构如图4所示。
步骤S42、用PECVD的方法在背面制备背面氧化硅层6和氮化硅层的叠层背钝化减反射膜，通过化学微刻蚀清洗去除绕度的多晶硅和杂质。完成本步骤之后的电池结构如图5所示。
步骤S43、用LPCVD的方法在正背面制备0.5nm厚度的正面氧化硅层8，以实现场钝化效应。完成本步骤之后的电池结构如图6所示。
步骤S44、用PECVD的方法，把氨气和硅烷气体离子化后沉积在硅片正面形成氮化硅薄膜层9，以加强P+面的钝化并降低光反射。完成本步骤之后的电池结构如图7所示。
步骤S45、通过二次印刷的方法，在N型电池正背面印刷并烧结“H”型栅线10，主栅数量为4根，线宽为100μm，高度为10μm；细栅数量为80根，线宽为20μm，高度为10μm；烧结峰值温度为700℃。完成本步骤之后的电池结构如图8所示。
实施例2
步骤S1、对P型硅基体1清洗去除机械损伤层并制绒，形成随机金字塔结构，其中，硅基体电阻率为1Ω·cm，硅片厚度为170μm。完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
步骤S2、搭配机械模具通过遮挡的方式，对硅基体部分表面进行反应离子刻蚀，制备反应离子刻蚀区2，刻蚀面积为1％。完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
步骤S3、撤除模具后，前表面通过磷扩散的方式形成PN结，并刻蚀去除边缘和背面多余的掺杂；其中，磷源采用三氯氧磷，磷扩后第一区域的N+发射极3的方阻为160Ω/sq，第二区域的N++发射极11的方阻为70Ω/sq。完成本步骤之后的电池结构如图3所示。
步骤S41、对硅片进行普通刻蚀，去除硅片背面和四边的多余N+掺杂区，对P型晶体硅基体1用低压化学气相沉积的方式沉积一层隧穿氧化层4和多晶硅层5；其中，隧穿氧化层4的厚度范围为0.5nm，掺杂多晶硅层5的厚度为60nm；磷源使用三氯氧磷，扩散温度为800℃，磷扩散方阻为20Ω/sq；清洗并退火处理。完成本步骤之后的电池结构如图4所示。
步骤S42、用PECVD的方法在背面制备背面氧化硅层6和氮化硅层的叠层背钝化减反射膜，通过化学微刻蚀清洗去除绕度的多晶硅和杂质。完成本步骤之后的电池结构如图5所示。
步骤S43、用LPCVD的方法在正背面制备0.5nm厚度的正面氧化硅层8，以实现场钝化效应。完成本步骤之后的电池结构如图6所示。
步骤S44、用PECVD的方法，把氨气和硅烷气体离子化后沉积在硅片正面形成氮化硅薄膜层9，以加强N+面的钝化并降低光反射。完成本步骤之后的电池结构如图7所示。
步骤S45、通过二次印刷的方法，在P型电池正背面印刷并烧结“H”型栅线10，主栅数量为4根，线宽为100μm，高度为10μm；细栅数量为80根，线宽为20μm，高度为10μm；烧结峰值温度为700℃。完成本步骤之后的电池结构如图8所示。实施例3
步骤S1、对N型硅基体1清洗去除机械损伤层并制绒，形成随机金字塔结构，其中，硅基体电阻率为5Ω·cm，硅片厚度为170μm。完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
步骤S2、搭配机械模具通过遮挡的方式，对硅基体部分表面进行反应离子刻蚀，制备反应离子刻蚀区2，刻蚀面积为10％。完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
步骤S3、撤除模具后，前表面通过硼扩散的方式形成PN结，并刻蚀去除边缘和背面多余的掺杂；其中，硼源采用三溴化硼，硼扩后第一区域的P+发射极3的方阻为200Ω/sq，第二区域的P++发射极11的方阻为120Ω/sq。完成本步骤之后的电池结构如图3所示。
步骤S41、对N型晶体硅基体1用低压化学气相沉积的方式沉积一层隧穿氧化层4和多晶硅层5；其中，隧穿氧化层4的厚度范围为1.5nm，掺杂多晶硅层5的厚度为300nm；磷源使用三氯氧磷，扩散温度为950℃，磷扩散方阻为50Ω/sq；清洗并退火处理。完成本步骤之后的电池结构如图4所示。
步骤S42、用PECVD的方法在背面制备背面氧化硅层6和氮化硅层7的叠层背钝化减反射膜，通过化学微刻蚀清洗去除绕度的多晶硅和杂质。完成本步骤之后的电池结构如图5所示。
步骤S43、用LPCVD的方法在正背面制备1.5nm厚度的正面氧化硅层8，以实现场钝化效应。完成本步骤之后的电池结构如图6所示。
步骤S44、用PECVD的方法，把氨气和硅烷气体离子化后沉积在硅片正面形成氮化硅薄膜层9，以加强P+面的钝化并降低光反射。完成本步骤之后的电池结构如图7所示。
步骤S45、通过二次印刷的方法，在N型电池正背面印刷并烧结“H”型栅线10，主栅数量为12根，线宽为800μm，高度为30μm；细栅数量为140根，线宽为80μm，高度为30μm；烧结峰值温度为900℃。完成本步骤之后的电池结构如图8所示。
实施例4
步骤S1、对N型硅基体1清洗去除机械损伤层并制绒，形成随机金字塔结构，其中，硅基体电阻率为3Ω·cm，硅片厚度为170μm。完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
步骤S2、搭配机械模具通过遮挡的方式，对硅基体部分表面进行反应离子刻蚀，制备反应离子刻蚀区2，刻蚀面积为5％。完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
步骤S3、撤除模具后，前表面通过硼扩散的方式形成PN结，并刻蚀去除边缘和背面多余的掺杂；其中，硼源采用三溴化硼，硼扩后第一区域的P+发射极3的方阻为200Ω/sq，第二区域的P++发射极11的方阻为80Ω/sq。完成本步骤之后的电池结构如图3所示。
步骤S41、对N型晶体硅基体1用低压化学气相沉积的方式沉积一层隧穿氧化层4和多晶硅层5；其中，隧穿氧化层4的厚度范围为1nm，掺杂多晶硅层5的厚度为200nm；磷源使用三氯氧磷，扩散温度为900℃，磷扩散方阻为30Ω/sq；清洗并退火处理。完成本步骤之后的电池结构如图4所示。
步骤S42、用PECVD的方法在背面制备背面氧化硅层6和氮化硅层7的叠层背钝化减反射膜，通过化学微刻蚀清洗去除绕度的多晶硅和杂质。完成本步骤之后的电池结构如图5所示。
步骤S43、用LPCVD的方法在正背面制备1nm厚度的正面氧化硅层8，以实现场钝化效应。完成本步骤之后的电池结构如图6所示。
步骤S44、用PECVD的方法，把氨气和硅烷气体离子化后沉积在硅片正面形成氮化硅薄膜层9，以加强P+面的钝化并降低光反射。完成本步骤之后的电池结构如图7所示。
步骤S45、通过二次印刷的方法，在N型电池正背面印刷并烧结“H”型栅线10，主栅数量为4-12根，线宽为600μm，高度为20μm；细栅数量为100根，线宽为60μm，高度为20μm；烧结峰值温度为800℃。完成本步骤之后的电池结构如图8所示。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种局域发射极的太阳能电池制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对硅片进行预处理，形成双面制绒结构；
S2、采用模具对硅片的正面制绒结构进行局域反应离子刻蚀，使得局域刻蚀部分的制绒结构的宽度和高度同时减小；
S3、在硅片的正面进行掺杂，以在局域刻蚀部分形成低方阻的重掺杂区，在未刻蚀部分形成高方阻的轻掺杂区；
S4、对硅片进行后处理；
在步骤S2中，所述局域刻蚀部分的制绒结构的高度为200-800nm，宽度为20-200nm；
在步骤S3中，采用扩散的方式在硅片的正面进行掺杂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述局域刻蚀部分的制绒结构的面积占硅片正面的制绒结构的总面积的1％～10％。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述重掺杂区的方阻为60-120Ω/sq，所述轻掺杂区的方阻为180-220Ω/sq。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述对硅片进行后处理包括：
S41、对硅片进行普通刻蚀，去除硅片背面和四边的多余掺杂区；并在硅片的背面依次制备隧穿氧化层和掺杂多晶硅层，并进行清洗、退火处理；
S42、在硅片背面的所述多晶硅层上制备钝化减反射膜，并进行清洗处理；
S43、在硅片的正面制备氧化硅层；
S44、在硅片正面的所述氧化硅层上制备氮化硅薄膜层；
S45、对硅片的正面和背面进行金属化处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S41中，
所述隧穿氧化层的厚度为0.5～1.5nm，掺杂多晶硅层厚度为60-300nm；其中，制备所述掺杂多晶硅层的磷源采用三氯氧磷，扩散温度为800-950℃，磷扩散方阻为20-50Ω/sq。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S42中，所述钝化减反射膜为氧化硅层和氮化硅层的叠层膜。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S44中，将氨气和硅烷气体进行离子化后沉积在硅片的正面，形成所述氮化硅薄膜层。
8.一种局域发射极的太阳能电池，其特征在于，所述局域发射极的太阳能电池根据权利要求1-7任一项所述的方法制备。
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