CN112736164A - 一种正面载流子的选择性钝化方法、基于该方法的太阳能电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池领域，公开了一种正面载流子的选择性钝化方法、基于该方法的太阳能电池及制备方法，本发明的方法是在第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底正面沉积正面隧穿层和正面非晶硅层，掺杂形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层，然后进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层实现区域晶化，形成激光晶化区，再进行湿法蚀刻，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区。该方法在太阳能电池的正面采用钝化技术进行正面载流子的选择性钝化，而且可以避免光被钝化层吸收。基于该方法制备的太阳能电池解决了光致衰减的问题，避免电极下面的载流子复合损失，大幅度提高了太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池技术领域，特别是太阳能电池制备过程中正面载流子的选择性钝化方法、基于该方法的太阳能电池及制备方法。
背景技术
太阳能电池作为一种清洁能源已经在航空航天、军事等领域得到了比较广泛的应用。但是在民用方面，人们希望能更进一步地降低其生产及使用的成本，才能使其得到更为普及的应用。太阳能电池的光电转换效率一直以来被视为影响其推广使用的重要因素。目前常见的高效晶硅太阳能电池主要有以下几种：钝化发射极背场点接触太阳能电池(P-PERC,Passivated Emitter and Rear Cell)、钝化发射极背表面全扩散太阳能电池(N-PERT,Passivated Emitter Rear Totally-diffused cell)，异质结太阳能电池(HJT,Heterojunction)，插指背结背接触太阳能电池(IBC,Inter-digitated back-contact)，金属穿孔卷绕太阳能电池(MWT,Metal Wrap Through)和隧穿氧化钝化接触太阳能电池(TOPCon,Tunnel Oxide Passivated Contact)。
其中，P-PERC电池将背面的接触范围限制在开孔区域，增加了工艺的复杂度，但是开孔处的高复合速率依然存在，光致衰减(LID)问题依然没有完全解决。N型晶硅电池具有少子(空穴)寿命高，无LID问题，弱光效应好，温度系数小等优点，是晶硅太阳能电池迈向理论最高效率的希望。N-PERT电池的特点是背表面扩散全覆盖以减小和降低电池的背面接触电阻和复合速率，由此，越来越多的人把目光投向TOPCon电池。
根据量子隧穿效应制造的太阳能电池称为隧穿氧化钝化接触太阳能电池(TunnelOxide Passivated Contact,简称TOPCon)。这类电池的最大特点是采用了选择性载流子钝化技术。所谓选择性载流子的概念是：在某一半导体层中，掺入合适的元素，使得只有一种电特性的载流子(电子或空穴)通过这层半导体层，金属电极在这半导体层上，就可以避免在电极下面的载流子复合损失，从而大幅度提高光伏电池的转换效率。
以TOPCon电池为例，在电池背面制备一层超薄的可隧穿的氧化层和一层高磷掺杂的多晶硅薄膜层，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的表面钝化。由于氧化层很薄，载流子电子和空穴可以隧穿这层薄氧化层，而少子(空穴)则被磷掺杂硅薄层阻挡，如果在其上再沉积金属层，就可以得到没有载流子复合的金属电极。但是由于多晶硅薄层对太阳光的吸收率过高，选择性载流子钝化技术无法直接用在电池的正面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种正面载流子的选择性钝化方法，在太阳能电池的正面采用钝化技术进行正面载流子的选择性钝化，而且可以避免光被钝化层吸收。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种正面载流子的选择性钝化方法，包括以下步骤为：
(1)在第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底的正面进行第二导电类型元素的掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底的正面沉积正面隧穿层；
(3)在步骤(2)处理的半导体硅基底的正面沉积正面非晶硅层，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层；
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层实现区域晶化，形成激光晶化区；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区。
所述的第一导电类型元素是N型的，第二导电类型元素是P型的。
步骤(2)中正面隧穿层的材料是氧化铝、氧化硅或碳化硅电介质材料中的一种或多种，隧穿层的厚度为1～4nm。
步骤(3)中正面非晶硅层的沉积方法为物理沉积法、化学沉积法或等离子体加强沉积法，正面非晶硅层的厚度为25～200nm；第二导电类型元素掺杂的方法为原位掺杂法、等离子体掺杂法或离子注入掺杂法。
步骤(4)中激光选择性照射的激光波长为紫外、蓝光、绿光或可见光波段；激光晶化区的形状为条形，长度为30～300μm。
步骤(5)中湿法刻蚀的刻蚀液体有KOH、EDP、N2H4、TMAH或NH4OH。
本发明的正面载流子的选择性钝化方法能够避免光被钝化层吸收，实现在电池正面进行载流子选择性钝化的目的。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种太阳能电池的制作方法，该制备方法是在正面载流子的选择性钝化方法的基础是进行的，具体包括以下步骤：
(1)在第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底的正面进行第二导电类型元素的掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底的正面沉积正面隧穿层；
(3)在步骤(2)处理的半导体硅基底的正面沉积正面非晶硅层，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层；
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层实现区域晶化，形成激光晶化区；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区；
(6)在步骤(5)处理的半导体硅基底的背面沉积背面隧穿层；
(7)在步骤(6)处理的半导体硅基底的背面沉积背面非晶硅层，同时第一导电类型元素掺杂到背面非晶硅层中，形成第一导电类型元素掺杂的背面非晶硅层；
(8)将步骤(7)处理的半导体硅基底进行退火处理，退火处理的峰值温度为780～900℃；
(9)在步骤(8)处理的半导体硅基底的正面和背面镀氮化硅沉积层，氮化硅沉积层的厚度为70～150nm；
(10)在步骤(9)处理的半导体硅基底的正面和背面丝网印刷电极，然后共烧结形成太阳能电池。
附图说明
图1是本发明实施例中太阳能电池的制作方法中第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底的截面示意图。
图2是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(1)后的电池结构截面示意图。
图3是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(2)后的电池结构截面示意图。
图4是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(3)后的电池结构截面示意图。
图5是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(4)后的电池结构截面示意图。
图6是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(5)后的电池结构截面示意图。
图7是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(6)后的电池结构截面示意图。
图8是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(7)后的电池结构截面示意图。
图9是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(9)后的电池结构截面示意图。
图10是本发明实施例中太阳能电池的制作方法步骤(10)后的电池结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种正面载流子的选择性钝化方法，包括以下步骤：
(1)在如图1所示的第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底1的正面进行第的二导电类型元素掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底11，如图2所示，所述的第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底11的正面沉积正面隧穿层2a，如图3所示，正面隧穿层2a的材料是氧化铝、氧化硅或碳化硅电介质材料中的一种或多种，正面隧穿层2a的厚度为1～4nm；
(3)采用物理沉积法、化学沉积法或等离子体加强沉积法在步骤(2)处理的半导体硅基底11的正面沉积正面非晶硅层，正面非晶硅层的厚度为25～200nm，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层3a，如图4所示，第二导电类型元素掺杂的方法为原位掺杂法、等离子体掺杂法或离子注入掺杂法。
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底11的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层3a实现区域晶化，形成激光晶化区31a，如图5所示，所述的激光的波长为紫外、蓝光、绿光或可见光波段，激光晶化区31a的形状为条形，长度为30～300μm；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底11的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区31a，如图6所示，湿法刻蚀的刻蚀液体有KOH、EDP、N2H4、TMAH或NH4OH。
一种太阳能电池的制作方法，是在上述正面载流子的选择性钝化方法的基础上进行的，包括以下步骤：
(1)在如图1所示的第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底1的正面进行第的二导电类型元素掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底11，如图2所示，所述的第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底11的正面沉积正面隧穿层2a，如图3所示，正面隧穿层2a的材料是氧化铝、氧化硅或碳化硅电介质材料中的一种或多种，正面隧穿层2a的厚度为1～4nm；
(3)采用物理沉积法、化学沉积法或等离子体加强沉积法在步骤(2)处理的半导体硅基底11的正面沉积正面非晶硅层，正面非晶硅层的厚度为25～200nm，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层3a，如图4所示，第二导电类型元素掺杂的方法为原位掺杂法、等离子体掺杂法或离子注入掺杂法。
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底11的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层3a实现区域晶化，形成激光晶化区31a，如图5所示，所述的激光的波长为紫外、蓝光、绿光或可见光波段，激光晶化区31a的形状为条形，长度为30～300μm；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底11的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区31a，如图6所示，湿法刻蚀的刻蚀液体有KOH、EDP、N2H4、TMAH或NH4OH；
(6)在步骤(5)处理的半导体硅基底的背面沉积背面隧穿层2b，如图7所示，背面隧穿层2b的材料是氧化铝、氧化硅或碳化硅电介质材料中的一种或多种，背面隧穿层2b的厚度为1～4nm；
(7)在步骤(6)处理的半导体硅基底的背面沉积背面非晶硅层，同时第一导电类型元素掺杂到背面非晶硅层中，形成第一导电类型元素掺杂的背面非晶硅层3b，如图8所示；
(8)将步骤(7)处理的半导体硅基底进行退火处理，退火处理的峰值温度为780～900℃；
(9)在步骤(8)处理的半导体硅基底的正面和背面镀氮化硅沉积层4，氮化硅沉积层4的厚度为70～150nm，如图9所示；
(10)在步骤(9)处理的半导体硅基底的正面和背面分别丝网印刷正面电极5a和背面电极5b，然后共烧结形成太阳能电池，如图10所示。
该方法制作的太阳能电池，如图10所示，包括N型和P型共掺杂的半导体硅基底11，半导体硅基底11正面由内向外依次为正面隧穿层2a、只保留激光晶化区31a的P型元素掺杂的正面非晶硅层3a、氮化硅沉积层4和正面电极5，半导体硅基底11背面由内向外依次为背面隧穿层2b、N型元素掺杂的背面非晶硅层3b、氮化硅沉积层4和背面电极5b。其中正面隧穿层2a的材料是Al2O3、SiO2或SiNx电介材料中的一种或多种，厚度为1～4nm；P型掺杂的正面非晶硅层3a的厚度为25～200nm；激光晶化区31a的形状为条形，长度为30～300μm。
以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于，包括以下步骤为：
(1)在第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底的正面进行第二导电类型元素的掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底的正面沉积正面隧穿层；
(3)在步骤(2)处理的半导体硅基底的正面沉积正面非晶硅层，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层；
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层实现区域晶化，形成激光晶化区；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区。
2.根据权利要求1所述的正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于：所述的第一导电类型元素是N型的；第二导电类型元素是P型的。
3.根据权利要求1或2所述的正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于：步骤(2)中正面隧穿层的材料是氧化铝、氧化硅或碳化硅电介质材料中的一种或多种，正面隧穿层的厚度为1～4nm。
4.根据权利要求1或2所述的正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于：步骤(3)中正面非晶硅层的沉积方法为物理沉积法、化学沉积法或等离子体加强沉积法，正面非晶硅层的厚度为25～200nm；第二导电类型元素掺杂的方法为原位掺杂法、等离子体掺杂法或离子注入掺杂法。
5.根据权利要求1或2所述的正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于：步骤(4)中激光选择性照射的激光波长为紫外、蓝光、绿光或可见光波段；激光晶化区的形状为条形，长度为30～300μm。
6.根据权利要求1或2所述的正面载流子的选择性钝化方法，其特征在于：步骤(5)中湿法刻蚀的刻蚀液体有KOH、EDP、N2H4、TMAH或NH4OH。
7.一种太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤为：
(1)在第一导电类型元素掺杂的半导体硅基底的正面进行第二导电类型元素的掺杂，形成第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底；
(2)在步骤(1)处理的半导体硅基底的正面沉积正面隧穿层；
(3)在步骤(2)处理的半导体硅基底的正面沉积正面非晶硅层，同时第二导电类型元素掺杂到正面非晶硅层中，形成第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层；
(4)在步骤(3)处理的半导体硅基底的正面进行激光选择性照射，使第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层实现区域晶化，形成激光晶化区；
(5)根据晶化硅与非晶硅刻蚀速率不同的特点，湿法蚀刻步骤(4)处理的半导体硅基底的正面，去除未区域晶化的区域，仅保留激光晶化区；
(6)在步骤(5)处理的半导体硅基底的背面沉积背面隧穿层；
(7)在步骤(6)处理的半导体硅基底的背面沉积背面非晶硅层，同时第一导电类型元素掺杂到背面非晶硅层中，形成第一导电类型元素掺杂的背面非晶硅层；
(8)将步骤(7)处理的半导体硅基底进行退火处理，退火处理的峰值温度为780～900℃；
(9)在步骤(8)处理的半导体硅基底的正面和背面镀氮化硅沉积层，氮化硅沉积层的厚度为70～150nm；
(10)在步骤(9)处理的半导体硅基底的正面和背面分别丝网印刷正面电极和背面电极，然后共烧结形成太阳能电池。
8.一种太阳能电池，包括第一导电类型元素和第二导电类型元素共掺杂的半导体硅基底，其特征在于：半导体硅基底正面由内向外依次为正面隧穿层、只保留激光晶化区的第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层、氮化硅沉积层和正面电极，半导体硅基底背面由内向外依次为背面隧穿层、第一导电类型元素掺杂的背面非晶硅层、氮化硅沉积层和背面电极，所述的第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于：正面隧穿层的材料是Al2O3、SiO2或SiNx电介材料中的一种或多种，厚度为1～4nm。
10.根据权利要求8或9所述的太阳能电池，其特征在于：第二导电类型元素掺杂的正面非晶硅层的厚度为25～200nm；激光晶化区的形状为条形，长度为30～300μm。
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