CN112490325A - 一种太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池的制备方法，该方法包括：S1、对硅片进行预处理；S2、在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层；S3、在硅片的背面制备背面p+poly发射极；S4、对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构；S5、对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场；S6、对硅片进行后处理。本发明先在硅片背面制备整面p+poly发射极，然后选择反掺杂的方式形成背面n+poly背场，从而可以避免使用复杂的光刻掩膜等技术；并且，本发明的n+poly背场反掺杂时采用磷浆印刷工艺，不但可以制备n+poly背场，同时也可形成电池的前表面场，对前表面起到很好地钝化作用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着太阳电池技术的不断发展，人们对电池效率和成本的要求愈来愈高，为了同时满足这两种需求，多种不同结构的高效太阳电池被陆续开发，如PERC、IBC、HIT、TOPCon等，电池转换效率越来越接近晶硅电池理论极限。效率的提高将会伴随着系统端度电成本的降低，所以，提高太阳电池转换效率是光伏企业和各类光伏专家需重点关注的方向。
其中，TOPCon是Tunnel Oxide Passivating Contacts的缩写，中文翻译为“隧穿氧化层钝化接触”。该概念由德国夫琅禾费太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)于2014年提出。与常规N型太阳电池或N-PERT电池无本质区别，主要是背面多了一层c-Si/SiOx/poly-Si的钝化接触结构，原理是将超薄的隧穿氧化层与重掺杂的多晶硅层相结合，氧化硅通过化学钝化降低Si基底与Poly-Si之间的界面态密度。多数载流子通过隧穿原理实现输运，少数载流子则由于势垒以及Poly-Si场效应的存在难以隧穿通过该氧化层，故可获得较好的表面钝化和接触性能，使电池具有较高的开路电压。
对于IBC电池，因电池前表面无金属栅线，带来如下优势：(1)正面无栅线，可以提高入射光子的数量，进而增加短路电流密度；(2)因不用考虑正面金属接触问题，前表面的陷光和表面钝化可以最大程度优化；(3)正负电极均在背面，不用考虑遮光问题，金属电极可以最大程度得到优化。
TOPCon电池高开压，IBC电池高电流，且因两者的高效率均在n型硅片上取得，故已有研究学者选择将两者的优势结合制备新型结构的太阳电池。如：ISFH研究所报道了在IBC电池上应用c-Si/SiOx/poly-Si的钝化金属接触结构，制备出POLO-IBC电池，具有较明显的电流和开压优势，目前已获得26.1％(Voc＝726.6mV，Jsc＝42.62mA/cm2，FF＝84.28％)的较高效率。
众所周知，一般的IBC电池制备工艺已经相当复杂，需用到多次光刻掩膜工艺，如果要与钝化接触结构相融合，不但会增加电池制备工艺的复杂度，更会使制造成本大大提升，并且很难实现量产化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太阳能电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1、对硅片进行预处理；
S2、在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层；
S3、在硅片的背面制备背面p+poly发射极；
S4、对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构；
S5、对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场；
S6、对硅片进行后处理。
本发明提供的一种太阳能电池的制备方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤S3中，所述在硅片的背面制备背面p+poly发射极的方法包括：
高温扩散法、离子注入法或硼浆印刷法；其中，
高温扩散法包括：将硅片置于常压管中，采用三溴化硼作为硼源，设置扩散温度为800～1000℃，扩散50～100min，制备得到背面p+poly发射极。
其中，在步骤S4中，所述对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构包括：
将网板置于距离硅片1.0～2.0mm的位置处，设置印刷速度为200～400mm/s，回墨速度为200～400mm/s，压力为60～85N，印刷背面磷浆；
印刷完成后，对硅片进行烘干处理，烘干时间为5～20min，烘干温度为100～200℃。
其中，所述对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场包括：
先将硅片插入石英舟中，硅片在卡槽中的方向为一个硅片的正面与另一个硅片的背面相对；然后将石英舟送入退火炉管中，先对退火炉管进行抽真空处理，然后充入氮气作为保护气体；其中，
退火炉的真空度为450～950mbar，退火温度为900～1000℃，退火30～60min。
其中，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层之前，所述方法还包括：
S2‘、在硅片的正面沉积掩膜层，所述掩膜层能够阻挡后续工艺对硅片的制绒面的破坏，其制作材料包括氧化硅或氮化硅。
其中，所述对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构之前，所述方法还包括：
S4‘、对硅片进行清洗，以去除所述掩膜层和制备背面p+poly发射极的过程中沉积在硅片背面的背面硼硅玻璃层。
其中，在步骤S4‘中：
采用质量浓度为40％～50％的HF溶液对硅片进行清洗处理，HF溶液的温度为20～30℃，清洗5～15min。
其中，在步骤S2中，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层包括：
LPCVD，PECVD或PVD法；其中，
LPCVD法包括：
首先将硅片置于质量分数为45～60％的硝酸溶液中，在温度为90～100℃下反应4～8min后，对硅片进行快速吹干处理，制备得到隧穿氧化层，其厚度为1～2nm；
接着将硅片置于石英舟上，两片置于一个槽中，非晶硅薄膜沉积面朝内相贴，沉积非晶硅薄膜面朝外；将石英舟送入LPCVD管内，管内抽真空至压力为7×10-3Torr时，通入SiH4，沉积10～40min后，抽干净管内SiH4，并通入氮气至常压，冷却降温，制备得到非晶硅薄膜层，其厚度为100～200nm。
其中，在步骤S6中，所述对硅片进行后处理包括：
S61、先将硅片置于质量分数为10～20％的HF溶液中，在常温下清洗5～10min；然后将硅片置于纯水中喷淋冲洗3～10min；最后氮气烘干处理，以去除正背面的磷硅玻璃层；
S62、对硅片进行钝化处理和金属化处理；其中，
钝化处理包括：在硅片的正面制备SiOX/SiNX叠层钝化结构，在硅片背面制备Al2O3/SiOX/SiNX叠层钝化结构；
金属化处理包括：在硅片的背面p+poly发射极采用银铝浆印刷p+电极，并高温烧结；在硅片的背面n+poly背场采用银浆印刷n+金属电极，并高温烧结。
其中，在步骤S1中，所述对硅片进行预处理包括：
S11、对硅片的前后表面进行清洗并制绒处理；
S12、对硅片的任一面进行刻蚀处理，经刻蚀处理的一面作为硅片背面。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明先在硅片背面制备整面p+poly发射极，然后选择反掺杂的方式形成背面n+poly背场，从而可以避免使用复杂的光刻掩膜等技术；并且，本发明的n+poly背场反掺杂时采用磷浆印刷工艺，不但可以制备n+poly背场，同时也可形成电池的前表面场，对前表面起到很好地钝化作用；再者，本发明的工艺步骤简单，成本较低，易于实现规模化量产。
附图说明
图1为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S12后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S2‘后的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S2后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S3后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S4‘后的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S4后的电池结构截面示意图。
图7为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S5后的电池结构截面示意图。
图8为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S61后的电池结构截面示意图。
图9为本发明实施例的一种太阳能电池的制备方法步骤S62后的电池结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合实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。
本发明的一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、对硅片进行预处理；
在一个实施例中，在步骤S1中，所述对硅片进行预处理包括：
S11、对硅片的前后表面进行清洗并制绒处理；
S12、对硅片的任一面进行刻蚀处理，经刻蚀处理的一面作为硅片背面。
具体地，在步骤S11中，选择1～9Ω·cm电阻率的N型硅片，对硅片前后表面进行碱制绒处理，去除表面损伤层及形成陷光结构的金字塔绒面。
步骤S12中，将制绒处理后的N型硅片，选择一面在HF/HNO3/H2SO4-HF溶液中进行刻蚀处理，得到平缓的金字塔表面，称之为背表面。
本步骤中，对硅片的背面进行刻蚀处理，主要为了降低表面复合，提高开路电压。
步骤S2、在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层；
在一个实施例中，在步骤S2中，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层包括：
在步骤S2中，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层包括：
LPCVD，PECVD或PVD法；其中，
LPCVD法包括：首先将硅片置于质量分数为45～60％的硝酸溶液中，在温度为90～100℃下反应4～8min后，对硅片进行快速吹干处理，制备得到隧穿氧化层，其厚度为1～2nm；
接着将硅片置于石英舟上，两片置于一个槽中，非晶硅薄膜沉积面朝内相贴，沉积非晶硅薄膜面朝外；将石英舟送入LPCVD管内，管内抽真空至压力为7×10-3Torr时，通入SiH4，沉积10～40min后，抽干净管内SiH4，并通入氮气至常压，冷却降温，制备得到非晶硅薄膜层，其厚度为100～200nm。
步骤S3、在硅片的背面制备背面p+poly发射极；
在一个实施例中，在步骤S3中，所述在硅片的背面制备背面p+poly发射极的方法包括：
高温扩散法、离子注入法或硼浆印刷法；其中，
高温扩散法包括：将硅片置于常压管中，采用三溴化硼作为硼源，设置扩散温度为800～1000℃，扩散50～100min，制备得到背面p+poly发射极。
本步骤中，通过高温扩散法在硅片的背面制备背面p+poly发射极的过程中，高温过程不仅可以使得原有的非晶结构被破坏，形成晶粒尺寸小而均匀的多晶硅结构；同时还能使硼原子经过高温推结进入多晶硅中，形成p+poly发射极。
步骤S4、对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构；
在一个实施例中，在步骤S4中，所述对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构包括：
将网板置于距离硅片1.0～2.0mm的位置处，设置印刷速度为200～400mm/s，回墨速度为200～400mm/s，压力为60～85N，印刷背面磷浆；
印刷完成后，对硅片进行烘干处理，烘干时间为5～20min，烘干温度为100～200℃。
步骤S5、对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场；
在一个实施例中，在步骤S4中，所述对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场包括：
先将硅片插入石英舟中，硅片在卡槽中的方向为一个硅片的正面与另一个硅片的背面相对；然后将石英舟送入退火炉管中，先对退火炉管进行抽真空处理，然后充入氮气作为保护气体；其中，
退火炉的真空度为450～950mbar，退火温度为900～1000℃，退火30～60min。
本步骤中，通过退火处理，可以将印刷的磷浆经过高温推结扩散进硅中，当扩散过量时，一部分磷原子与原掺杂的硼原子中和，显示电中性，另一部分形成n+重掺杂的背场。同时，由于磷原子的外扩可以在另一片的正面形成浅掺杂的前场区。退火完成后，n+poly重掺杂的背场区方阻20～50Ω/sq，n+浅掺杂的前场区方阻600～850Ω/sq。
步骤S6、对硅片进行后处理。
在一个实施例中，在步骤S5中，所述对硅片进行后处理包括：
步骤S61、先将硅片置于质量分数为10～20％的HF溶液中，在常温下清洗5～10min；然后将硅片置于纯水中喷淋冲洗3～10min；最后氮气烘干处理，以去除正背面的磷硅玻璃层；
步骤S62、对硅片进行钝化处理和金属化处理；其中，
钝化处理包括：在硅片的正面制备SiOX/SiNX叠层钝化结构，在硅片背面制备Al2O3/SiOX/SiNX叠层钝化结构；
金属化处理包括：在硅片的背面p+poly发射极采用银铝浆印刷p+电极，并高温烧结；在硅片的背面n+poly背场采用银浆印刷n+金属电极，并高温烧结。
在本步骤中，烧结温度为860℃，p+电极为110～150根，n+电极为111～151根。
可选地，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层之前，所述方法还包括：
步骤S2‘、在硅片的正面沉积掩膜层，所述掩膜层能够阻挡后续工艺对硅片的制绒面的破坏，其制作材料包括氧化硅或氮化硅。
在本实施例中，采用PECVD法制备一层氧化硅或氮化硅掩膜。其中，PECVD法包括：在压力为1300～1500mTorr，功率为7000～9000W，SiH4与N2O的比为1：10，温度为400～500℃的条件下，沉积25～35min，氧化硅或氮化硅薄膜厚度为150～250nm。
可选地，所述对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构之前，所述方法还包括：
步骤S4‘、对硅片进行清洗，以去除所述掩膜层和制备背面p+poly发射极的过程中沉积在硅片背面的背面硼硅玻璃层。
优选地，在步骤S4‘中：采用质量浓度为40％～50％的HF溶液对硅片进行清洗处理，HF溶液的温度为20～30℃，清洗5～15min。
本发明先在硅片背面制备整面p+poly发射极，然后选择反掺杂的方式形成背面n+poly背场，从而可以避免使用复杂的光刻掩膜等技术；并且，本发明的n+poly背场反掺杂时采用磷浆印刷工艺，不但可以制备n+poly背场，同时也可形成电池的前表面场，对前表面起到很好地钝化作用；再者，本发明的工艺步骤简单，成本较低，易于实现规模化量产。
下面将以具体的实施例对本发明的制备方法进行详细地说明。
步骤S11、选择厚度为150～180nm，电阻率为1～9Ω·cm，尺寸为158.75mm×158.75mm的N型硅片4，并对硅片前后表面进行碱制绒处理，去除表面损伤层及形成陷光结构的金字塔绒面。
步骤S12、将制绒处理后的N型硅片4，选择任一面在HF/HNO3/H2SO4-HF溶液中进行刻蚀处理，得到平缓的金字塔表面，称之为背表面。完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
步骤S2‘、在硅片正面采用PECVD法制备一层氧化硅或氮化硅掩膜层16。其中，PECVD法包括：在压力为1300～1500mTorr，功率为7000～9000W，SiH4与N2O的比为1：10，温度为400～500℃的条件下，沉积25～35min，氧化硅或氮化硅薄膜厚度为150～250nm。完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
本步骤中，该掩膜层能够阻挡后续工艺对硅片的制绒面的破坏，其制作材料包括氧化硅或氮化硅。
步骤S2、先在硅片的背面通过硝酸氧化法制备一层超薄隧穿氧化层5。具体地，首先将硅片置于质量分数为2％的HF溶液中，去除硅片背面绕镀的氧化硅和自然氧化层，接着将硅片置于质量分数为45～60％的硝酸溶液中反应4～8min，反应温度为90～100℃。反应结束后，采用氮气枪对硅片进行快速吹干处理，制备得到超薄隧穿氧化层5，其厚度为1～2nm；
接着将硅片置于石英舟上，两片置于一个槽中，非非晶硅薄膜沉积面朝内相贴，非晶硅薄膜沉积面朝外。将石英舟通过自动化传输至LPCVD管内，管内抽真空，压力至7×10- 3Torr，温度至600～700℃，通入SiH4沉积10～40min后，工艺完成后，再次抽真空，确认危险气体SiH4抽干净后通入氮气至常压，冷却降温并取出硅片，沉积得到非晶硅薄膜层6，其厚度为100～200nm。完成本步骤的太阳能电池结构如图3所示。
步骤S3、将硅片置于常压管中，采用三溴化硼作为硼源，设置扩散温度为800～1000℃，扩散50～100min，制备得到背面p+poly发射极7，扩散后的方阻为75～100Ω/sqr。完成本步骤的太阳能电池结构如图4所示。
本步骤中，通过高温扩散法在硅片的背面制备背面p+poly发射极7的过程中，高温过程不仅可以使得原有的非晶结构被破坏，形成晶粒尺寸小而均匀的多晶硅结构；同时还能使硼原子经过高温推结进入多晶硅中，形成p+poly发射极；并且在进行硼扩散的过程中，会在p+poly发射极形成背面硼硅玻璃层8。
步骤S4‘、对硅片进行清洗。采用质量浓度为40％～50％的HF溶液对硅片进行清洗处理，HF溶液的温度为20～30℃，清洗5～15min，HF溶液清洗结束后，将硅片快速放入纯水中喷淋冲洗5min，最后氮气烘干处理5min，以去除所述掩膜层16和制备背面p+poly发射极7的过程中沉积在硅片上的背面硼硅玻璃层8。完成本步骤的太阳能电池结构如图5所示。
步骤S4、将网板置于距离硅片1.5mm的位置处，设置印刷速度为250mm/s，回墨速度为350mm/s，压力为75N的条件下，印刷背面磷浆17；印刷完成后，对硅片进行烘干处理，烘干时间为10min，烘干温度为110℃。完成本步骤的太阳能电池结构如图6所示。
步骤S5、先将硅片插入石英舟中，硅片在卡槽中的方向为一个硅片的正面与另一个硅片的背面相对；然后将石英舟送入退火炉管中，先对退火炉管进行抽真空处理，然后充入氮气作为保护气体；其中，退火炉的真空度为450～950mbar，退火温度为900～1000℃，退火30～60min。完成本步骤的太阳能电池结构如图7所示。
本步骤中，通过退火处理，可以将印刷的磷浆经过高温推结扩散进硅中，当扩散过量时，一部分磷原子与原掺杂的硼原子中和，显示电中性，另一部分形成n+重掺杂的背面n+poly背场9。同时，由于磷原子的外扩可以在另一片的正面形成浅掺杂的n+前场3。退火完成后，重掺杂的背面n+poly背场9的方阻为20～50Ω/sq，浅掺杂的n+前场3的方阻为600～850Ω/sq。
步骤S61、先将硅片置于质量分数为15％的HF溶液中，在常温下清洗5min，以去除退火后在硅片正面和背面形成的硼硅玻璃层10及其它杂质物；然后将硅片置于纯水中喷淋冲洗5min；最后氮气烘干处理。完成本步骤的太阳能电池结构如图8所示。
步骤S62、对硅片进行钝化处理和金属化处理；其中，
钝化处理包括：在硅片的正面制备SiOX/SiNX叠层钝化结构，在硅片背面制备Al2O3/SiOX/SiNX叠层钝化结构。具体地，在压力为1200mTorr，功率为7600W，SiH4与N2O的比为1:50，沉积温度为445℃的条件下，沉积时间1min，制备成正面氧化硅膜2和背面氧化硅膜12，其厚度均为5nm：在压力为1700mTorr，功率为6600W～8600W，SiH4与NH3的比为1:6，沉积温度为445℃的条件下，沉积时间12min，制备成正面氮化硅钝化膜1和背面氮化硅钝化膜13，其厚度为55nm；用ALD设备沉积，沉积温度为250℃，压力为1×10-4Pa，TMA和H2O的脉冲时间分别为2s和3s，吹扫时间分别为6s和8s，沉积循环数为30cycle，制备成背面氧化铝膜11，其厚度为3～4nm。
金属化处理包括：在硅片的背面p+poly发射极7采用银铝浆印刷p+电极14，并高温烧结；在硅片的背面n+poly背场9采用银浆印刷n+金属电极15，并高温烧结，烧结温度为860℃，p+电极为130根，n+电极为131根。完成本步骤的太阳能电池结构如图9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)
1.一种太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对硅片进行预处理；
S2、在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层；
S3、在硅片的背面制备背面p+poly发射极；
S4、对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构；
S5、对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场；
S6、对硅片进行后处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述在硅片的背面制备背面p+poly发射极的方法包括：
高温扩散法、离子注入法或硼浆印刷法。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述对硅片进行退火处理，形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场包括：
先将硅片插入石英舟中，硅片在卡槽中的方向为一个硅片的正面与另一个硅片的背面相对；然后将石英舟送入退火炉管中，先对退火炉管进行抽真空处理，然后充入氮气作为保护气体，进行退火处理，以形成正面n+前场和反掺杂的背面n+poly背场。
4.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层之前，所述方法还包括：
S2‘、在硅片的正面沉积掩膜层，所述掩膜层能够阻挡后续工艺对硅片的制绒面的破坏，其制作材料包括氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述对硅片的背面进行局部磷浆印刷，并烘干处理，制备图案化结构之前，所述方法还包括：
S4‘、对硅片进行清洗，以去除所述掩膜层和制备背面p+poly发射极的过程中沉积在硅片背面的背面硼硅玻璃层。
6.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述在硅片的背表面制备隧穿氧化层和多晶硅薄膜层包括：
LPCVD，PECVD或PVD法。
7.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，所述对硅片进行后处理包括：
S61、去除正背面的磷硅玻璃层；
S62、对硅片进行钝化处理和金属化处理；其中，
钝化处理包括：在硅片的正面制备SiOX/SiNX叠层钝化结构，在硅片背面制备Al2O3/SiOX/SiNX叠层钝化结构；
金属化处理包括：在硅片的背面p+poly发射极采用银铝浆印刷p+电极，并高温烧结；在硅片的背面n+poly背场采用银浆印刷n+金属电极，并高温烧结。
8.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述对硅片进行预处理包括：
S11、对硅片的前后表面进行清洗并制绒处理；
S12、对硅片的任一面进行刻蚀处理，经刻蚀处理的一面作为硅片背面。
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