CN113078232A - 一种n型电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N型电池结构及其制备方法。包括N型硅体材料及形成于所述N型硅体材料表面的金属栅线电极，其特征在于，所述N型硅体材料的背面设有绒面部分及抛光面部分，所述金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置位于所述绒面部分内。背面金属栅线电极采用绒面结构，增大了金属栅线与硅的接触面积，改善接触电阻；抛光区域的平坦表面，能够改善背面钝化效果，降低表面复合速率，同时增强对长波的内反射，提高正面电流。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，涉及一种N型电池结构及其制备方法。
背景技术
随着太阳能电池技术的发展，电池效率日益提高，主要得益于表面钝化技术的发展，如全铝背场电池发展到PERC电池得益于氧化铝被钝化技术的发展，极大的降低了电池背表面的复合。PERC电池发展到TOPcon电池，得益于遂穿氧化层与poly膜结构对金属接触的钝化作用，极大的降低了背面金属接触下的复合。而随着表面复合速率的日益降低，体材料的寿命逐渐变成了制约电池效率提升的关键因素。而相比P型掺杂的硅材料，N型掺杂的硅材料在相同的电阻率下，掺杂浓度低，杂质含量少，因而具有寿命高的优势。因此，在太阳能电池片市场中，N型电池占比日益提高。
对于N型电池，在金属化制作电极中，一般只使用银浆(以下称，Ag)作为电极，用来收集光照下电池表面移除的电子并将它们传输到外电路。Ag与硅接触电阻一直比较高，这一情况尤其存在于N型电池的背面。为了获得好的表面钝化效果和增加背面对长波的内发射，提高正面电流，N型电池背面往往采用抛光结构，制作平坦的表面，这十分不利于Ag电极的接触。而对比绒面结构，绒面有着更高的比表面积，与金属接触的面积更大，非常有利于接触。所以往往绒面结构的接触电阻会较抛光面的接触电阻小很多。同样的，绒面的表面比较粗糙，不利于膜层的钝化。因而表面钝化和表面金属接触很难兼顾，二者相互矛盾。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种N型电池结构及其制备方法。本发明提供的新型的N型电池结构，可以兼顾表面的钝化与金属下的接触，实现降低表面复合的同时，降低金属位置的接触电阻率。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种N型电池结构，包括N型硅体材料及形成于所述N型硅体材料表面的金属栅线电极，所述N型硅体材料的背面设有绒面部分及抛光面部分，所述金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置位于所述绒面部分内。
本发明的N型电池结构限定金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置位于所述绒面部分内，并使硅体材料背面存在抛光面部分，用于膜层钝化。背面金属栅线电极采用绒面结构，增大了金属栅线与硅的接触面积，改善接触电阻；抛光区域的平坦表面，能够改善背面钝化效果，降低表面复合速率，同时增强对长波的内反射，提高正面电流。
本发明所述绒面结构例如可以是本领域常用的金字塔绒面结构。
更优选地，金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置为绒面，未接触的位置为抛光面，可以更好地实现上述改善接触电阻以及降低表面复合塑料的优点。
优选地，所述N型电池还包括依次位于所述N型硅体材料正面的pn结层、钝化层、减反射层和正面电极，以及依次位于所述N型硅体材料背面的量子隧穿层、P掺杂的多晶硅层、保护层和金属栅线电极；其中，正面电极与钝化层接触，金属栅线电极与P掺杂的多晶硅层接触。
此优选技术方案中，在N型硅体材料的背面和金属栅线电极之间具有量子隧穿层、P掺杂的多晶硅层和保护层，量子隧穿层和P掺杂的多晶硅层的厚度之和小于绒面的高度，且金属栅线电极与P掺杂的多晶硅层接触，故不影响金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置为绒面。
优选地，所述N型硅体材料背面的绒面高度为0.5μm～5μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.3μm、2.5μm、2.8μm、3μm、3.5μm、4μm或5μm等。
优选地，所述量子隧穿层的厚度在2nm以下，例如1.5nm或1nm等，所述P掺杂的多晶硅层的厚度为80nm～120nm，例如80nm、90nm、95nm、100nm、110nm、115nm或120nm等。
本发明对正面的钝化层、减反射层的具体种类不作限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择，例如钝化层可以是氧化铝层，减反射层可以是氮化硅层、二氧化硅层或碳化硅层中的任意一种。
本发明对背面的量子隧穿层、P掺杂的多晶硅层和保护层的具体种类不作限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择，例如量子隧穿层可以是二氧化硅层，P掺杂的多晶硅层可以是单晶硅层，非晶硅层或碳化硅层，保护层可以是氮化硅层。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的N型电池结构的制备方法，所述方法包括正面制备方法和背面制备方法，其中正面制备方法可参照现有技术的方法进行制备，背面制备方法包括：
a先制备保护层；
b然后碱液刻蚀抛光，以形成绒面部分和抛光面部分；
c最后制备电极，使电极形成于绒面部分内。
优选地，步骤a包括：
a1背面单面扩磷散并形成PSG：对背面制绒的N型硅体材料进行背面单面磷扩，同时在背面形成含磷氧化硅PSG；
a2背面制作油墨栅线：采用油墨浆料制作油墨栅线作为保护层；
a3使用HF溶液去除未被保护层保护的PSG。
优选地，所述方法还包括在步骤a3之后进行a4：清洗掉油墨；
优选地，所述方法还包括在步骤b之后步骤c之前进行如下步骤：去除油墨栅线位置处的PSG，所述去除使用的试剂优选为HF溶液。
优选地，所述方法还包括在步骤c之后进行烧结的步骤，此步骤烧结的目的之一是去除浆料中的有机物，使金属浆料凝结成良好的金属导体，目的之二是浆料在高温下会烧穿氮化硅使金属与硅形成良好的欧姆接触。
作为本发明所述N型电池结构的制备方法的优选技术方案，步骤a2采用油墨浆料制作栅线的方法包括丝网印刷或喷墨打印中的任意一种。
优选地，进行步骤a3单面去PSG步骤，即仅去除背面PSG时，使用水膜保护电池正面。示例性的方式：实验室使用链式刻蚀机，硅片进入工艺槽(刻蚀槽)前会先经过水淋槽，水喷洒在片子表面，由于片子正面PSG是亲水的，且水的张力作用，在正面会形成一层水膜保护。
优选地，步骤a4包括：使用氨水和双氧水的混合液，清洗油墨。所述氨水和双氧水的混合液例如RCA1号液(东试，UP级)。
优选地，步骤b所述碱液包括KOH溶液、NaOH或TMAH中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤b所述碱液的质量分数为2.5％～12％，例如2.5％、3.5％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％或12％等。
优选地，步骤b所述碱液刻蚀抛光的温度为65℃～85℃，例如65℃、68℃、70℃、75℃、77℃、80℃或85℃等。
优选地，步骤c制备金属栅线电极方法包括丝网印刷或喷墨打印中的任意一种。
优选地，步骤c制备金属栅线的类型与步骤a2制作油墨栅线的类型与相同。
优选地，步骤c与步骤a2均采用丝网印刷的方式，且采用的网板为同类型的，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度相同或更宽。优选印刷油墨的网板的栅线宽度更宽，从而可以更好地实现对位。
优选地，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度宽30um～500um，例如30μm、40μm、50μm、60μm、80μm、90μm、100μm、120μm、135μm、150μm、170μm、190μm、220μm、260μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等。在此优选范围内可以更好地保证步骤(Ⅵ)与步骤(Ⅱ)印刷对位的精度。
优选地，印刷油墨的网板的栅线宽度在80μm～500μm范围内，例如80μm、100μm、125μm、150μm、170μm、185μm、200μm、220μm、245μm、260μm、300μm、325μm、370μm、400μm、450μm或500μm等。
作为本发明所述N型电池结构的制备方法的进一步优选技术方案，所述N型电池结构的制备方法包括：
(1)对N型电池片进行两面制绒；
(2)正面单面硼扩，形成pn结；
(3)正面水膜保护的条件下，对背面进行刻蚀；
(4)背面单面磷扩，并形成掩膜：
对背面制绒的N型硅体材料进行背面单面磷扩，同时在背面形成含磷氧化硅PSG；
(5)背面制作油墨栅线：
采用油墨浆料制作油墨栅线作为保护层；
(6)正面水膜保护的条件下，使用HF溶液去除未被步骤(5)所述保护层保护的PSG；
(7)清洗掉油墨；
(8)碱液抛光：
使用碱液浸泡步骤(7)后的电池片，无PSG保护的位置被抛光成抛光面，有PSG保护的位置保留绒面；
(9)使用HF溶液浸泡步骤(8)后的电池片，去掉背面栅线位置的PSG以及正面的含硼二氧化硅BSG；
(10)正面背面镀钝化膜：正面依次镀钝化膜和减反射膜，背面镀保护层；
(11)正背面电极制备，其中背面电极制备采用金属浆料，在步骤(10)所述绒面的位置制备金属栅线电极；
(12)烧结；
其中，步骤(5)与步骤(11)均采用丝网印刷的方式，且采用的网板为同类型的，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度相同或更宽。
此优选技术方案提供的N型电池结构的关键在于：在背面制作氧化硅掩膜，保护金属栅线接触位置，经过碱刻蚀后，未有掩膜保护的部分会被碱抛光成平面，最终形成选择性绒面结构。印刷后，将只在栅线下形成绒面结构，降低接触电阻。
优选地，步骤(3)对背面进行刻蚀时，控制减薄量，以保证背面绒面不被完全刻蚀掉，优选的减薄量为0.1～0.2g。所述减薄量的定义如下：在刻蚀之前称重m1，刻蚀之后称重m2，m1与m2的差值即为减薄量。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种N型电池结构，本结构关键在于所述N型硅体材料的背面设有绒面部分及抛光部分，背面金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置位于绒面部分内，并使硅体材料背面存在抛光面部分；
在背面金属栅线电极接触位置制作选择性绒面结构，改善金属下接触，提高电池填充；在膜层钝化位置制作抛光面部分，提高钝化效果，降低表面复合速率，提高开压，同时提高对光的内反射，提高电流。
附图说明
图1本发明的N型电池结构的结构示意图，1-N型硅体材料，2-pn结层，3-钝化层，4-减反射层，5-正面电极，6-量子隧穿层，7-P掺杂的多晶硅层，8-保护层，9-金属栅线电极；
图2本发明实施例1制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种N型电池结构(结构示意图参见图1)，包括：N型硅体材料1、依次位于所述N型硅体材料1正面的pn结层2、钝化层3、减反射层4和正面电极5，
以及依次位于所述N型硅体材料1背面的量子隧穿层6、P掺杂的多晶硅层7、保护层8和金属栅线电极9；
其中，正面电极5与钝化层3接触，金属栅线电极9与P掺杂的多晶硅层7接触。所述N型硅体材料背面为部分绒面部分抛光面的选择性绒面结构，金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置为绒面，未接触的位置为抛光面。
所述钝化层为Al2O3厚度为5nm，所述减反射层为氮化硅，厚度为80nm，所述量子隧穿层为氧化硅，厚度为1.2nm，所述P掺杂的多晶硅层，厚度为120nm，所述保护层为氮化硅，厚度为100nm，所述金属栅线电极为银电极。
本实施例还提供了所述N型电池结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤(制备方法流程图参见图2)：
1.选取常规的N型掺杂电池片作为N型硅体材料，电池片尺寸156.75×156.75mm；
2.双面制绒：产线常规制绒工艺，在电池片正背面形成绒面。
3.正面单面硼扩：在电池片正面进行硼扩形成pn结，产线常规工艺。
4.背面刻蚀：使用产线链式刻蚀机进行背面刻蚀，去掉边缘的pn结和背面部分绕扩。
使用氢氟酸加硝酸溶液刻蚀背面，控制减薄量，以保证背面金字塔绒面不被完全刻蚀掉，减薄量0.12g，偏差±0.03g。正面使用水膜保护，避免正面的膜层受到损伤。
5.背面单面磷扩：在电池片背面进行磷扩，背表面形成高低结nn+层，以抑制少子在背表面的复合，提高少子寿命。同时在电池片背面形成较厚的含磷氧化硅(以下称PSG)，为第9步提供掩膜保护。
6.背面印刷油墨：采用丝网印刷的方式，使用油墨做浆料印刷栅线作为保护层。一般印刷油墨使用的网板与第12步印刷Ag浆使用的网板是同类型网板，为了更好的对位，印刷油墨的网板更宽，印刷油墨使用的网板的栅线宽度为220μm，印刷Ag浆使用的网板的栅线宽度为40μm。
7.去背面氧化硅(PSG)：使用产线链式刻蚀机，使用HF溶液，单面去背面的PSG，正面使用水膜保护。HF不与油墨反应，所以第6步印刷油墨的位置会受到油墨保护，油墨下的PSG得以保留，作为第9步的掩膜。未受油墨保护的PSG会与HF酸反应被去除。
8.清洗掉油墨：使用槽式清洗机配置RCA1号液(东试，UP级)，清洗第6步印刷的油墨，将油墨洗掉，仅保留油墨下方的PSG。
9.KOH抛光：使用槽式清洗机配制KOH溶液，浸泡8后的电池片，KOH质量浓度3.7％，浸泡温度70℃，PSG不与KOH反应，无PSG保护的地方即为硅材料，会与KOH反应，表面被抛光。有PSG的位置，会保留绒面。
10.正背面去氧化层(正面去BSG，背面去PSG)使用槽式清洗机配制HF溶液，浸泡9后的电池片，去掉背面栅线位置的PSG掩膜，及正面的含硼二氧化硅(以下称BSG)。
11.正背面镀钝化膜：正面依次镀钝化膜和减反射膜，背面镀保护层，进行表面钝化。
12.正背面印刷电极：采用丝网印刷的方式制备正背面电极，其中背面电极丝网印刷时，将Ag栅线印刷在形成的局部绒面上。印刷后烧结测试，分档，完成整个电池的制作流程。
实施例1制作的电池与常规N型电池对比，结果如表1：
表1
| Voc(V) | Isc(A) | FF(％) | Rs(mΩ) | EFF(％) | |
| 实施例1 | 0.6891 | 9.849 | 78.92 | 4.15 | 21.92 |
| 对照组 | 0.6876 | 9.805 | 78.29 | 4.61 | 21.61 |
由以上数据可知，使用本发明所述的电池结构及工艺方法，电池效率相对与对照组有较大增加。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种N型电池结构，包括N型硅体材料及形成于所述N型硅体材料表面的金属栅线电极，其特征在于，所述N型硅体材料的背面设有绒面部分及抛光面部分，所述金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置位于所述绒面部分内。
2.根据权利要求1所述的N型电池结构，其特征在于，金属栅线电极与N型硅体材料接触的位置为绒面部分，未接触的位置为抛光面部分。
3.根据权利要求1或2所述的N型电池结构，其特征在于，所述N型电池还包括依次位于所述N型硅体材料正面的pn结层、钝化层、减反射层和正面电极，
以及依次位于所述N型硅体材料背面的量子隧穿层、P掺杂的多晶硅层、保护层和金属栅线电极；
其中，正面电极与钝化层接触，金属栅线电极与P掺杂的多晶硅层接触。
4.根据权利要求1-3任一项所述的N型电池结构，其特征在于，所述N型硅体材料背面的绒面高度为0.5μm～5μm；
优选地，所述量子隧穿层的厚度在2nm以下，所述P掺杂的多晶硅层的厚度为80nm～120nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的N型电池结构，其特征在于，所述钝化层为氧化铝层；
优选地，所述减反射层为氮化硅层、二氧化硅层或碳化硅层中的任意一种；
优选地，所述量子隧穿层为二氧化硅层；
优选地，所述保护层为氮化硅层；
优选地，所述金属栅线电极为银电极。
6.如权利要求1-5任一项所述的N型电池结构的制备方法，其特征在于，所述N型电池结构的背面制备方法包括：
a先制备保护层；
b然后碱液刻蚀抛光，以形成绒面部分和抛光面部分；
c最后制备电极，使电极形成于绒面部分内。
优选地，步骤a包括：
a1背面单面磷扩散并形成PSG：对背面制绒的N型硅体材料进行背面单面磷扩散，同时在背面形成含磷氧化硅PSG；
a2背面制作油墨栅线：采用油墨浆料制作油墨栅线作为保护层；
a3使用HF溶液去除未被保护层保护的PSG；
优选地，所述方法还包括在步骤a3之后进行a4：清洗掉油墨；
优选地，所述方法还包括在步骤b之后步骤c之前进行如下步骤：去除油墨栅线位置处的PSG，所述去除使用的试剂优选为HF溶液；
优选地，所述方法还包括在步骤c之后进行烧结的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤a2采用油墨浆料制作栅线的方法包括丝网印刷或喷墨打印中的任意一种；
优选地，进行步骤a3时，使用水膜保护电池正面；
优选地，步骤a4包括：使用氨水和双氧水的混合液，清洗油墨。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤b所述碱液包括KOH溶液、NaOH或TMAH中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤b所述碱液的质量分数为2.5％～12％；
优选地，步骤b所述碱液刻蚀抛光的温度为65℃～85℃。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤c所述制备电极的方式包括丝网印刷或喷墨打印中的任意一种；
优选地，步骤c制备金属栅线的类型与步骤a2制作油墨栅线的类型与相同；
优选地，步骤c与步骤a2均采用丝网印刷的方式，且采用的网板为同类型的，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度相同或更宽；
优选地，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度宽30μm～500μm
优选地，印刷油墨的网板的栅线宽度在80μm～500μm范围内。
10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述N型电池结构的制备方法包括：
(1)对N型电池片进行两面制绒；
(2)正面单面硼扩，形成pn结；
(3)正面水膜保护的条件下，对背面进行刻蚀；
(4)背面单面磷扩，并形成掩膜：
对背面制绒的N型硅体材料进行背面单面磷扩，同时在背面形成含磷氧化硅PSG；
(5)背面制作油墨栅线：
采用油墨浆料制作油墨栅线作为保护层；
(6)正面水膜保护的条件下，使用HF溶液去除未被步骤(5)所述保护层保护的PSG；
(7)清洗掉油墨；
(8)碱液抛光：
使用碱液浸泡步骤(7)后的电池片，无PSG保护的位置被抛光成抛光面，有PSG保护的位置保留绒面；
(9)使用HF溶液浸泡步骤(8)后的电池片，去掉背面栅线位置的PSG以及正面的含硼二氧化硅BSG；
(10)正面背面镀钝化膜：正面依次镀钝化膜和减反射膜，背面镀保护层；
(11)正背面电极制备，其中背面电极制备采用金属浆料，在步骤(10)所述绒面的位置制备金属栅线电极；
(12)烧结；
其中，步骤(5)与步骤(11)均采用丝网印刷的方式，且采用的网板为同类型的，印刷油墨的网板比印刷金属浆料的栅线宽度相同或更宽；
优选地，步骤(3)对背面进行刻蚀时，控制减薄量，以保证背面绒面不被完全刻蚀掉，优选的减薄量为0.1～0.14g。
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