CN113193074A - N-TOPCon太阳能电池、组件、系统及电池中制备双面氧化硅的方法、设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种N‑TOPCon太阳能电池、组件、系统及电池中制备双面氧化硅的方法、设备，其中方法包括：步骤S1.以N型硅作为衬底，在N型硅的正面制备p+掺杂区域；步骤S2.在N型硅的正面制备氧化硅薄膜，同时在N型硅的背面制备隧穿氧化层；步骤S3.在N型硅的背面制备掺磷多晶硅；步骤S4.在N型硅的正面和背面制备钝化膜后印刷金属电极。本发明在保证洁净度的同时，减少工序，解决N‑TOPCon工序多的问题，增强N‑TOPCon的核心竞争力。
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N-TOPCon太阳能电池、组件、系统及电池制备双面氧化硅的方法、设备。
背景技术
隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池是近几年发展迅速的一种N型太阳电池。该电池特点是采用高质量的超薄氧化硅加掺杂多晶硅层实现电池全背面高效钝化和载流子选择性收集，可以大幅度提高开路电压，提升转换效率，其中超薄氧化硅是很关键的一层薄膜，提供载流子选择性。另一方面，在电池正面氧化铝之前制备一层氧化硅既可以对P+面进行化学钝化，又可以增多氧化铝中的负电荷量，增强场钝化，总体增强正面的钝化效果，提升开路电压。此外，氧化硅还可以起到降低硅表面污染的作用，也就是说，无论是N-TOPCon电池的正面还是背面，都需要氧化硅的存在。
目前沉积氧化硅的方法有热氧化法与硝酸氧化，热氧化法具有工艺时间长、能耗大，成本高等缺点，硝酸氧化会造成含N物排放，不利于环保。此外，通常情况下如专利文献CN201911262690.7所示，N-TOPCon电池的正面和背面的氧化硅是分别制备的，在刻蚀之后进行背面隧穿氧化硅和多晶硅层掺杂，考虑到正面的污染问题，要加一步清洗工艺再进行正面氧化硅的制备，工序较多。另有学者采用热氧化的方式同时在两面沉积氧化硅，但是这样的制备方法无法对两面的厚度分别进行调整，缩小了工艺调试窗口。
发明内容
本发明要保证洁净度的同时，减少工序，解决N-TOPCon工序多的问题，增强N-TOPCon 的核心竞争力。
本发明通过以下技术方案实现：
提供一种N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的方法，包括依序执行的以下步骤：
步骤S1.以N型硅作为衬底，在N型硅的正面制备p+掺杂区域；
步骤S2.在N型硅的正面制备氧化硅薄膜，同时在N型硅的背面制备隧穿氧化层；
步骤S3.在N型硅的背面制备掺磷多晶硅；
步骤S4.在N型硅的正面和背面制备钝化膜后印刷金属电极。
其中，步骤S1进一步包括：N型硅正面的p+掺杂区域是通过在N型硅的正面进行硼扩散后，用湿法刻蚀方式去除N型硅背面的硼绕扩而制得，在湿法刻蚀之后立即执行所述步骤 S2。
其中，硼扩散后进行湿法刻蚀的方式进一步包括：对N型硅进行双面制绒后采用三溴化硼作为硼源在N型硅的正面进行硼扩散，对经过硼扩散的N型硅，取其背面放入HF、HNO3、 H2SO4混合溶液中进行刻蚀处理以去除背面硼绕扩并获得平缓的金字塔表面。
其中，步骤S2进一步包括：采用PECVD的方法在N型硅背面和正面分别制备隧穿氧化层和氧化硅薄膜，且在氧化硅工艺腔上下分别安装离子源来实现隧穿氧化层和氧化硅薄膜的同时制备，具体地，在纯氧或者硅烷/氧气混合气体、压强为0.01-50Pa、沉积温度为200-500℃条件下，通过分别控制上下离子源功率来分别控制隧穿氧化层以及氧化硅薄膜的厚度。
其中，步骤S4进一步包括：在N型硅正面沉积钝化膜后在该钝化膜沉积钝化减反射膜。
还提供一种N-TOPCon太阳能电池，该电池乃是由上述的方法所制造出的电池。
还提供一种N-TOPCon太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、 N-TOPCon太阳能电池、封装材料、背层材料，所述N-TOPCon太阳能电池是上述的N-TOPCon 太阳能电池。
还提供一种N-TOPCon太阳能电池系统，包括至少一个串联的N-TOPCon太阳能电池组件，所述N-TOPCon太阳能电池组件是上述的N-TOPCon太阳能电池组件。
还提供一种N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的设备，包括填充有工艺气体的氧化硅工艺腔，该氧化硅工艺腔中的载板的上方安装有第一离子源，所述第一离子源用于在载板上的N型硅的正面产生氧离子，产生的氧离子和硅片正表面进行反应形成氧化硅；氧化硅工艺腔中的下方安装有第二离子源，所述第二离子源用于在第一离子源工作时同步在N型硅的背面产生氧离子。
其中，载板用于放置N型硅的位置镂空处理以使N型硅得以两面同时镀膜。
其中，所述第一离子源朝下对准N型硅的正面以在该正面上制备氧化硅薄膜，所述第二离子源朝上对准N型硅的背面以在该正面上制备隧穿氧化层。当然，也可以使N型硅正背面相反放置，从而使第一离子源朝下制备隧穿氧化层，第二离子源朝上氧化硅薄膜。
其中，所述第一离子源的功率控制在使氧化硅薄膜的厚度为0.3-3nm，和/或所述第二离子源的功率控制在使隧穿氧化层的厚度为0.5-2nm。
其中，所述N型硅的厚度为150-170μm，电阻率为0.3-2Ω·cm。
其中，还包括用于驱动第一离子源工作的第一高频射频电源，以及用于驱动第二离子源工作的第二高频射频电源。
其中，还包括气体输入口，所述工艺气体经气体输入口输入至氧化硅工艺腔内，进一步地，气体输入口具有至少两个，分别位于腔体的顶部和底部。
其中，还包括装载腔、加热腔、隔离腔、非晶硅制备腔、冷却腔、卸载腔，装载腔、加热腔、氧化硅工艺腔、隔离腔、非晶硅制备腔、冷却腔、卸载腔依序接通。
本发明的技术优点包括：(1)能耗低，污染小，大幅度降低工艺成本；(2)在p+掺杂区域制备之后立即进行双面氧化硅的制备，氧化硅对硅片表面起到保护作用，可以降低工艺污染；(3)同时进行双面氧化层的制备，可以减少工序，降低设备和人工成本；(4)均匀性良好，保证硅片整体的钝化效果；(5)可以分别控制双面氧化硅的厚度，保证了的工艺调试窗口；(6)实现该工艺技术，在设备上进行升级改造比较简单，容易实现。
所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。
图1为本发明实施例所述方法中步骤(1)制绒后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例所述方法中步骤(2)双面硼扩后的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例所述方法中步骤(3)背面刻蚀、正面HF清洗后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例所述方法中步骤(4)沉积双面氧化硅后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例所述方法中步骤(5)沉积非晶硅的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例所述方法中步骤(6)退火后形成多晶硅薄膜的电池结构截面示意图。
图7为本发明实施例所述方法中步骤(7)正面Al2O3后的电池结构示意图。
图8为本发明实施例所述方法中步骤(8)正面SiNx钝化减反射膜后的电池结构示意图。
图9为本发明实施例所述方法中步骤(9)背面SiNx钝化膜后的电池结构示意图。
图10为本发明实施例所述方法中步骤(10)金属化后的电池结构示意图。
图11为本发明制备双面氧化硅的整体设备示意图。
图12为传统的单面氧化硅制备工艺腔的示意图。
图13为本发明的双面氧化硅制备工艺腔示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的一种N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的方法，包括依序执行的以下步骤：
步骤S1.以N型硅作为衬底，在N型硅的正面制备p+掺杂区域；
步骤S2.在N型硅的正面制备氧化硅薄膜，同时在N型硅的背面制备隧穿氧化层；
步骤S3.在N型硅的背面制备掺磷多晶硅；
步骤S4.在N型硅的正面和背面制备钝化膜后印刷金属电极。
本发明通过在制备p+掺杂区域后同时进行双面氧化硅的沉积，工艺时间短，能耗低，且可以减少N排放，具有良好的均匀性。此外，这样制备出来的电池，无需在制备多晶硅层后再增加清洗工序，因为氧化层会对正面起到很好的保护作用、减少污染。
在一个实施例中，步骤S1进一步包括N型硅正面的p+掺杂区域是通过在N型硅的正面进行硼扩散后，用湿法刻蚀方式去除N型硅背面的硼绕扩而制得，在湿法刻蚀之后立即执行所述步骤S2。由于在湿法刻蚀后立即进行双面氧化硅的制备，氧化硅对硅片表面起到保护作用，可以降低工艺污染。
优选地，硼扩散后进行湿法刻蚀的方式进一步包括：对N型硅进行双面制绒后采用三溴化硼作为硼源在N型硅的正面进行硼扩散，对经过硼扩散的N型硅，取其背面放入HF、HNO3、 H2SO4混合溶液中进行刻蚀处理以去除背面硼绕扩并获得平缓的金字塔表面。
在一个实施例中，步骤S2进一步包括：采用PECVD的方法在N型硅背面和正面分别制备隧穿氧化层和氧化硅薄膜。
进一步地，为简化制备流程，进行双面氧化硅沉积的方法为：在氧化硅工艺腔上下分别安装离子源来实现隧穿氧化层和氧化硅薄膜的同时制备，具体地，在纯氧或者硅烷/氧气混合气体、压强为0.01-50Pa、沉积温度为200-500℃条件下，通过分别控制上下离子源功率来分别控制隧穿氧化层以及氧化硅薄膜的厚度，如此可以对两面氧化硅的厚度进行分别控制，不会影响工艺调试窗口。
在一个实施例中，步骤S4进一步包括：在N型硅正面沉积钝化膜后在该钝化膜沉积钝化减反射膜。
本发明还提供一种N-TOPCon太阳能电池，该电池乃是由上述的方法所制造出的电池。
本发明还提供一种N-TOPCon太阳能电池组件，包括由上至下连接的前层材料、封装材料、N-TOPCon太阳能电池、封装材料、背层材料，N-TOPCon太阳能电池是上述的N-TOPCon 太阳能电池。本实施例的N-TOPCon太阳能电池组件的结构及工作原理使用本领域公知的技术，且本发明提供的组件的改进仅涉及上述的N-TOPCon太阳能电池，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对N-TOPCon太阳能电池及其制备方法进行详述，对N-TOPCon太阳能电池组件的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明的N-TOPCon太阳能电池组件。
本发明还提供一种N-TOPCon太阳能电池系统，包括一个或多于一个串联的N-TOPCon 太阳能电池组件，N-TOPCon太阳能电池组件是上述的一种N-TOPCon太阳能电池组件。本实施例的N-TOPCon太阳能电池系统的结构及工作原理使用本领域公知的技术，且本发明提供的N-TOPCon太阳能电池系统的改进仅涉及上述的N-TOPCon太阳能电池，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对N-TOPCon太阳能电池及其制备方法进行详述，对N-TOPCon太阳能电池系统的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明的N-TOPCon太阳能电池系统。
图12为传统的单面氧化硅制备工艺腔的示意图，其只能在硅片上表面镀膜，只能沉积一层氧化层。为制备双面氧化硅，本发明还对传统的单面氧化硅制备工艺腔进行升级改造，进而提供一种N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的设备，如图11、图13所示，包括填充有工艺气体的氧化硅工艺腔131，该氧化硅工艺腔131中的载板132的上方安装有第一离子源133，第一离子源133用于在载板132上的N型硅134的正面产生氧离子，载板132下方安装有第二离子源135，第二离子源135用于在第一离子源133工作时同步在载板132上的N型硅134的背面产生氧离子。
本发明的制备双面氧化硅的设备，改造方法较简单、容易实现，只需要在制备氧化硅工艺腔的腔体两面均安装离子源并保证腔体内气体均匀即可。
在一个实施例中，载板132用于放置N型硅134的位置除有支架遮挡外，全部作镂空处理以使N型硅得以两面同时镀膜。
在一个实施例中，第一离子源133朝下对准N型硅134的正面，以在该正面上制备氧化硅薄膜，第二离子源135朝上对准N型硅的背面，以在该正面上制备隧穿氧化层，其中，第一离子源132的功率控制在使氧化硅薄膜的厚度为0.3-3nm，第二离子源135的功率控制在使隧穿氧化层的厚度为0.5-2nm，N型硅134的厚度为150-170μm，电阻率为0.3-2Ω·cm。当然，也可以使N型硅正背面相反放置，从而使第一离子源133朝下制备隧穿氧化层，第二离子源135朝上氧化硅薄膜。
进一步地，设备还包括用于驱动第一离子源133工作的第一高频射频电源136，以及用于驱动第二离子源135工作的第二高频射频电源137，通过设置两个电源分别驱动两个离子源，来实现两个离子源功率的分别控制，从而分别对上下氧化硅膜层的厚度进行调整。
在一个实施例中，还包括气体输入口，所述工艺气体经气体输入口输入至氧化硅工艺腔内，实际中，可通过外部设备控制对腔内输入工艺气体。
进一步地，气体输入口具有两个或多个，各气体输入口均匀分布于腔体的顶部和底部，以使得整个腔室气体均匀。
见图11，在一个实施例中，通过将装载腔、加热腔、氧化硅工艺腔、隔离腔、非晶硅制备腔、冷却腔、卸载腔依序接通，使双面氧化硅制备设备结合链式多晶硅制备设备成为二合一设备，进一步扩大设备优势。
下面将以具体的实施例对发明的制备方法进行详细地说明。
实施例1
本实施例的一种N型钝化接触结构太阳电池，如图10所示，从上往下包括正面p+金属电极10、正面SiNx钝化减反射膜8、正面Al2O3钝化膜7、正面氧化硅薄膜3、p+掺杂区域2、 n型硅基体1、隧穿氧化层2、背面n+掺杂区域6、背面SiNx钝化膜9、背面n+金属电极11。
本实施例的一种N型钝化接触结构太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择厚度150-170μm，电阻率0.3-2Ω·cm，尺寸156.75mm×156.75mm的N型硅1作为衬底进行双面制绒处理，完成本步骤之后的电池结构如图1所示。
(2)、在经过制绒处理后的N型硅表面采用三溴化硼在N型硅的正面进行硼扩散，扩散温度850-1000℃，时间50-80min，方阻80-100Ω/sqr，完成本步骤之后的电池结构如图2所示。
(3)、将经过硼扩散的N型硅，取其背面放入HF与HNO3、以及H2SO4混合溶液中进行刻蚀处理，以去除背面p+掺杂区域2，得到刻蚀后平缓的金字塔表面，其中， HF:HNO3:H2SO4:H2O＝1:4:0.6:3，HF质量分数20％，完成本步骤之后的电池结构如图3所示。
(4)、采用PECVD的方法在经过步骤(3)刻蚀后的N型硅背面和正面分别制备一层超薄隧穿氧化层3和正面氧化硅薄膜4。该设备示意图如图11所示。具体地，在氧化硅工艺腔上下分别安装离子源。工艺时整个腔体气体相同，温度相同，可以通过分别控制上下离子源功率来分别控制氧化硅厚度。在纯氧或者硅烷/氧气混合气体、压强为0.01-50Pa，沉积温度为200-500℃条件下，离子源功率为在5-500W范围内可调，反应时间3-200s，得到隧穿氧化层3厚度为0.5-2nm和正面氧化硅薄膜4厚度为0.3-3nm，完成本步骤之后的电池结构如图4所示。
(5)、采用PVD法制备掺磷非晶硅膜5。将经过步骤(4)处理后的N型硅进入到PVD 工艺腔进行掺磷非晶硅层制备时，所述靶材为旋转式纯硅柱靶材或掺磷硅靶材，使用氩气和磷烷在磁场中经过等离子激发产生氩离子并溅射硅靶材，从而制作掺磷非晶硅薄膜；具体地，功率为1000-30000W，压强为0.1-50Pa，温度为100-700℃，反应时间3-400s。完成本步骤之后的电池结构如图5所示。
需要说明的是，还可以采用板式PECVD法制备掺磷非晶硅层。具体地，功率为50-40000W，压强为0.1-200Pa，温度为100-600℃，反应时间为3-400s。
(6)、将经过步骤(5)的N型硅片进行快速退火处理，掺磷非晶硅5将转化为掺磷多晶硅6。首先将退火炉抽真空至10-4pa以下，然后充氮气作为保护气。退火过程中退火炉的真空度500-950mbar，退火时间20-60min，退火温度800-900℃。完成本步骤之后的电池结构如图6所示。
(7)、对退火后的N型硅进行表面钝化处理，在正面氧化硅膜上沉积一层Al2O3钝化膜 7。
(8)、在经过步骤(7)的N型硅片，Al2O3钝化膜7上面沉积一层SiNx钝化减反射膜8。
(9)、在经过步骤(8)的N型硅片，在N型硅背面的n+掺杂区域采用SiNx钝化膜9 的钝化结构。
(10)、在经过步骤(9)的N型硅片，N型硅正面的p+掺杂区域2采用银铝浆印刷正面p+金属电极10，并高温烧结，N型硅背面的n+掺杂区域6采用银浆印刷背面n+金属电极11，并高温烧结。
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 (13)
1.N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的方法，其特征在于，包括依序执行的以下步骤：
步骤S1.以N型硅作为衬底，在N型硅的正面制备p+掺杂区域；
步骤S2.在N型硅的正面制备氧化硅薄膜，同时在N型硅的背面制备隧穿氧化层；
步骤S3.在N型硅的背面制备掺磷多晶硅；
步骤S4.在N型硅的正面和背面制备钝化膜后印刷金属电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1在N型硅的正面制备完成p+掺杂区域之后直接执行所述步骤S2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：采用PECVD的方法在N型硅背面和正面分别制备隧穿氧化层和氧化硅薄膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：在氧化硅工艺腔上下分别安装离子源来实现隧穿氧化层和氧化硅薄膜的同时制备。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在纯氧或者硅烷/氧气混合气体、压强为0.01-50Pa、沉积温度为200-500℃条件下，通过分别控制上下离子源功率来分别控制隧穿氧化层以及氧化硅薄膜的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：在N型硅正面沉积钝化膜后在该钝化膜沉积钝化减反射膜。
7.N-TOPCon太阳能电池，其特征在于，该电池乃是由权利要求1-6任一项所述的方法所制造出的电池。
8.N-TOPCon太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、N-TOPCon太阳能电池、封装材料、背层材料，其特征在于：所述N-TOPCon太阳能电池是权利要求7所述的N-TOPCon太阳能电池。
9.N-TOPCon太阳能电池系统，包括至少一个串联的N-TOPCon太阳能电池组件，其特征在于：所述N-TOPCon太阳能电池组件是权利要求8所述的N-TOPCon太阳能电池组件。
10.N-TOPCon太阳能电池中制备双面氧化硅的设备，包括填充有工艺气体的氧化硅工艺腔，该氧化硅工艺腔中的载板的上方安装有第一离子源，所述第一离子源用于在载板上的N型硅的正面产生氧离子，其特征在于，氧化硅工艺腔中的载板的下方安装有第二离子源，所述第二离子源用于在第一离子源工作时同步在N型硅的背面产生氧离子。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括用于驱动第一离子源工作的第一高频射频电源，以及用于驱动第二离子源工作的第二高频射频电源。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括气体输入口，所述工艺气体经气体输入口输入至氧化硅工艺腔内，其中气体输入口具有至少两个，分别位于腔体的顶部和底部。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括装载腔、加热腔、隔离腔、非晶硅制备腔、冷却腔、卸载腔，装载腔、加热腔、氧化硅工艺腔、隔离腔、非晶硅制备腔、冷却腔、卸载腔依序接通。
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| CN115663036A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-01-31 | 江苏杰太光电技术有限公司 | 一种N型TOPCon电池超薄隧穿钝化结构和快速退火的方法 |
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| CN102683250A (zh) * | 2012-05-22 | 2012-09-19 | 山东力诺太阳能电力股份有限公司 | 晶体硅太阳能电池镀膜设备 |
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