CN113675298A - 具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池 - Google Patents

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Abstract

一种具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，在n型晶硅衬底的正面采用碱溶液制备得到微米结构金字塔后，在微米结构金字塔上制备硅纳米柱阵列或金属纳米颗粒阵列；然后在正面通过高温硼扩散形成p‑n结、在背面通过LPCVD方法或PVD方法制备氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构；最后在正面的p‑n结上依次覆盖氧化铝/氢化氮化硅叠层和金属Ag/Al栅线、在背面的氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构上覆盖氢化氮化硅层和金属Ag栅线。本发明能够显著降低硅片对入射光的反射率，从而使得更多光子被晶硅衬底吸收，同时新绒面结构没有带来更大载流子复合，电池效率跟常规电池具有可比性。

Description

具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能光伏电池领域的技术，具体是一种具有纳微米结构的隧穿氧化钝化接触(TOPCon)晶硅太阳电池。
背景技术
隧穿氧化钝化接触结构由一层超薄隧穿氧化层和掺杂多晶硅层组成，可以为硅片背面提供优越的表面钝化，超薄氧化层在使多子电子隧穿进入掺杂多晶硅的同时能阻挡少子空穴复合，进入多晶硅的电子横向传输被金属电极收集，该结构由于避免了金属半导体的直接接触，可以极大降低金属接触区域载流子复合，能显著提升电池的开路电压和转换效率。正面由于存在电极遮挡，入射光子收集存在一定限制，如果制备成正负电极均在背面的插指式背接触(IBC)太阳电池，工艺步骤和工艺难度会急剧增大。
研究发现硅纳米结构因其理想的光学减反特性将在下一代高性能光伏电池中占据一席之地。实现高性能纳米结构的主要难点在于载流子复合导致的电学性能恶化程度容易超过光吸收增强带来的优势，而纳微米复合结构太阳电池可以解决这一矛盾。纳微米复合结构不是在常规的平面衬底上制备纳米结构，而是在微米级的金字塔绒面上制备出纳米阵列结构。这种结构的优点是可以实现微米结构和纳米结构减反射性能的叠加效果，从而收集更多的入射光子，提高电池的短路电流密度，同时电池的电学损失较少。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，在n型晶硅衬底的正面采用碱溶液制备得到微米结构金字塔后，在微米结构金字塔上制备硅纳米柱阵列或金属纳米颗粒阵列；然后在正面通过高温硼扩散形成p-n结、在背面通过LPCVD方法或PVD方法制备氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构；最后在正面的p-n结上依次覆盖氧化铝/氢化氮化硅叠层和金属Ag/Al栅线、在背面的氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构上覆盖氢化氮化硅层和金属Ag栅线。
所述的碱溶液为NaOH和异丙醇的混合溶液或KOH和异丙醇的混合溶液，其中：NaOH或KOH的浓度为1％～3％，异丙醇的浓度为3％～10％。
所述的混合溶液温度为60～100℃。
所述的微米结构金字塔的高度为2～10μm。
所述的金属纳米颗粒阵列，通过以下方式实现：将带有微米结构金字塔的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，在硅片外侧均匀覆盖金属Ag纳米颗粒阵列，通过将两张硅片叠在一起插入湿花篮中，在AgNO3和HF混合溶液中浸泡，使得Ag纳米颗粒只沉积在硅片一侧。
所述的纳米阵列结构中的Ag颗粒尺寸为20～200nm，Ag颗粒在表面覆盖比率为3％～50％。
所述的硅纳米柱阵列，通过以下方式实现：将带有微米结构金字塔的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，在硅片外侧均匀覆盖金属Ag纳米颗粒后，再将硅片浸泡在H2O2和HF混合溶液中，通过腐蚀形成硅纳米柱阵列。
优选地，通过HNO3和HF溶液去除残余的Ag颗粒和氧化硅层。
所述的硅纳米柱阵列的高度为50～300nm。
所述的混合溶液中AgNO3的质量分数为2％～5％。
所述的LPCVD方法是指：在n型晶硅衬底的背面生长超薄氧化硅层，再通入硅烷沉积本征多晶硅层，随后对多晶硅层进行磷掺杂；或者在n型晶硅衬底的背面生长超薄氧化硅层，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的多晶硅层。
所述的超薄氧化硅层的厚度为0.5～2nm，多晶硅层厚度为50～200nm，磷掺杂浓度为 2×1019～2×1020cm-3。
所述的PVD方法是指：在n型晶硅衬底的背面生长氧化硅层，再通入硅烷沉积本征多晶硅层，随后对多晶硅层进行磷掺杂，或者在n型晶硅衬底的背面生长氧化硅层，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的多晶硅层。
所述的氧化硅层的厚度为0.5～2nm，多晶硅层厚度为50～200nm，磷掺杂浓度为 2×1019～2×1020cm-3。
所述的氧化铝/氢化氮化硅叠层，通过原子层沉积(ALD)和PECVD方法依次在正面的p-n 结上沉积厚度为1～10nm的氧化铝层和厚度为70～80nm的氢化氮化硅层，
所述的氢化氮化硅层，通过PECVD方法在背面的氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构上沉积厚度为50～200nm的氢化氮化硅层。
所述的金属Ag/Al栅线和金属Ag栅线，采用但不限于丝网印刷方法制备得到。
本发明涉及上述方法制备得到的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池，包括：电池硅片、位于硅片正面的微米结构金字塔、位于微米结构金字塔上的金属纳米颗粒阵列或硅纳米柱阵列、扩散形成的p-n结、位于硅片背面的超薄氧化硅层和多晶硅层以及位于硅片两侧的钝化减反射层和金属栅线电极。
技术效果
本发明整体解决了现有技术在通过硅片绒面的减反射功能来提升TOPCon晶硅太阳电池转换效率的不足；通过纳微米结构及其在TOPCon晶硅太阳电池中的运用，显著降低硅片对入射光的反射率，从而使得更多光子被晶硅衬底吸收，同时新绒面结构没有带来更大载流子复合，电池效率跟常规电池具有可比性。
附图说明
图1为本发明中正面有金属纳米颗粒阵列结构的TOPCon晶硅太阳电池结构示意图；
图2为本发明中正面有硅纳米柱阵列结构的TOPCon晶硅太阳电池结构示意图；
图中：1超薄氧化硅层、2多晶硅层、3氢化氮化硅层、4背面Ag电极、5微米结构金字塔、6硅纳米柱阵列、7金属纳米颗粒阵列、8氧化铝层、9氢化氮化硅层、10正面Ag/Al 电极、11正面扩散形成的p-n结。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及的一种具有优越光电特性的TOPCon晶硅太阳电池，包括： n型电池硅片、依次位于硅片正面的微米结构金字塔5、金属纳米颗粒阵列7、用于钝化减反射的氧化铝层8和氢化氮化硅层9、位于硅片背面的超薄氧化硅层1、多晶硅层2和用于钝化减反射的氢化氮化硅层3、位于微米结构金字塔5内扩散形成的p-n结11以及位于最外部的金属栅线电极4、10。
本实施例太阳电池具体通过以下方式实现：
1)晶硅衬底的选取：选择n型晶硅衬底，其中：晶硅衬底厚度为10～180μm，优选为180μm，电阻率为0.5～2Ω·cm，优选为1Ω·cm，采用浓度为10％～20％的NaOH溶液在温度为 75～100℃条件下去除硅片表面损伤层，NaOH溶液浓度和温度优选的条件为15％和80℃。
2)硅片正面微米结构金字塔的制备：采用NaOH和异丙醇混合溶液，或者采用KOH和异丙醇混合溶液，对去除损伤层之后的硅片正面进行制绒，以形成微米结构金字塔。NaOH或KOH碱溶液浓度为1％～3％，优选为2％，异丙醇溶液浓度为3％～10％，优选为5％；碱制绒槽体溶液温度为60～100℃，优选为90℃，金字塔的高度为2～10μm。
3)硅片正面金属纳米颗粒阵列的制备：采用金属辅助化学刻蚀方法，把带有金字塔结构的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，Ag+离子经反应后以金属Ag颗粒的方式均匀覆盖在硅片外侧；AgNO3在混合溶液中质量分数为2％～5％，优选为3％，形成Ag 颗粒尺寸为20～200nm，优选为100nm，Ag颗粒在金字塔表面覆盖比率为3％～50％，优选为20％。
4)硅片正面p-n结的制备：将步骤3)处理后的硅片以两两背靠背的方式把带有纳米颗粒阵列的面作为正面朝外，采用BBr3或BCl3作为硼源进行中高温扩散掺杂形成p+区域，扩散温度为900℃左右，扩散时间为50～120min，优选为120min，扩散方阻为100～200Ω/□，优选为160Ω/□；然后把硼扩散后的硅片背面放入HF/HNO3/H2SO4混合溶液中进行刻蚀处理，以去除背面p+掺杂层。
5)硅片背面TOPCon结构的制备：在步骤4)处理后的硅片背面，采用LPCVD方法，或者采用PVD方法，先生长超薄氧化硅层，再通入硅烷沉积本征非晶硅层，随后对非晶硅层进行磷掺杂并退火，或者在生长完氧化硅层之后，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的非晶硅层，随后退火形成TOPCon结构；其中PVD方法包括磁控溅射和PECVD方法。其中LPCVD生长氧化硅层温度为550～650℃，优选为600℃，生长氧化硅层时间为5～10min，优选为8min，得到氧化层的厚度0.5～2nm；LPCVD沉积非晶硅层的温度为580～650℃，优选为650℃，非晶硅层厚度为50～200nm，磷掺杂浓度为2×1019～2×1020cm-3，优选为1×1020cm-3；其中磁控溅射时腔室反应气压小于1Pa，沉积温度100～300℃，优选为200℃；其中PECVD沉积温度为 100～400℃，优选为250℃。
6)硅片两侧钝化减反射层的制备：在步骤5)处理后的硅片正面通过ALD和PECVD方法先后沉积氧化铝层和氢化氮化硅层，氧化铝层厚度为1～10nm，氢化氮化硅层厚度为70～80nm；在硅片背面通过PECVD方法沉积氢化氮化硅层，氢化氮化硅层厚度为50～200nm。
7)硅片两侧金属电极的制备：在步骤6)处理后的硅片正面通过丝网印刷方法制备Ag/Al 栅线电极，在硅片背面通过丝网印刷方法制备Ag栅线电极，最终烧结形成一种具有优越光电特性的TOPCon晶硅太阳电池。
经过具体实际实验，在常规的具体环境设置下，以金属纳米颗粒结构电池的制备和理论模拟相结合的方法，厚度180μm的晶硅衬底能够吸收80％的入射光子，采用金属纳米颗粒之后，可以使得晶硅衬底的光吸收增强5.2％，模拟结果与实验结果一致；而厚度仅1μm的晶硅衬底经模拟发现该薄晶硅只能够吸收33％的入射光子，当采用金属纳米颗粒之后，可以使得晶硅衬底的光吸收增强24.4％；电池电学性能方面，通过采用金属纳米颗粒结构，模拟得出厚度 180μm晶硅太阳电池可以使得转换效率提高约5％，而厚度1μm晶硅太阳电池可以使得转换效率提高30％左右，越薄的晶硅电池使用纳米颗粒结构，提效作用越明显。
实施例2
如图2所示，为本实施例涉及的一种具有优越光电特性的TOPCon晶硅太阳电池，与实施例1相比，本实施例在金字塔表面制备硅纳米柱阵列，具体包括：n型电池硅片、依次位于硅片正面的微米结构金字塔5、硅纳米柱阵列6、用于钝化减反射的氧化铝层8和氢化氮化硅层9、位于硅片背面的超薄氧化硅层1、多晶硅层2和用于钝化减反射的氢化氮化硅层3、位于微米结构金字塔5内扩散形成的p-n结11以及位于最外部的金属栅线电极4、10。
本实施例太阳电池具体通过以下方式实现：
1)晶硅衬底的选取：选择n型晶硅衬底，其中晶硅衬底厚度为100～180μm，优选为180μm，电阻率为0.5～2Ω·cm，优选为1Ω·cm，采用浓度为10％～20％的NaOH溶液在温度为 75～100℃条件下去除硅片表面损伤层，NaOH溶液的浓度和温度优选为15％和80℃。
2)硅片正面微米结构金字塔的制备：采用NaOH和异丙醇混合溶液，或者采用KOH和异丙醇混合溶液，对去除损伤层之后的硅片正面进行制绒，以形成微米结构金字塔，其中：NaOH 或KOH碱溶液浓度为1％～3％，优选为2％，异丙醇溶液浓度为3％～10％，优选为5％；碱制绒槽体溶液温度为60～100℃，优选为85℃，金字塔的高度为2～10μm。
3)硅片正面硅纳米柱阵列的制备：采用金属辅助化学刻蚀方法，即把带有金字塔结构的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，Ag+离子经反应后以金属Ag颗粒的方式均匀覆盖在硅片外侧，然后把硅片浸泡在H2O2和HF混合溶液中，对没有Ag颗粒覆盖的区域进行腐蚀以形成硅纳米柱阵列，残余的Ag颗粒和氧化硅层分别由HNO3和HF溶液去除； AgNO3在混合溶液中质量分数为2％～5％，优选为3％，形成硅纳米柱阵列高度为50～300nm。
4)硅片正面p-n结的制备：将步骤3处理以后的硅片以两两背靠背的方式把带有硅纳米柱阵列的面作为正面朝外，采用BBr3或BCl3作为硼源进行高温扩散掺杂形成p+区域，扩散温度为900～1100℃左右，优选为1030℃，扩散时间为50～120min，优选为110min，扩散方阻为70～140Ω/□，优选为80Ω/□；然后把硼扩散后的硅片背面放入HF/HNO3/H2SO4混合溶液中进行刻蚀处理，以去除背面p+掺杂层。
5)硅片背面TOPCon结构的制备：在步骤4)处理后的硅片背面，采用LPCVD方法，或者采用PVD方法，先生长超薄氧化硅层，再通入硅烷沉积本征非晶硅层，随后对非晶硅层进行磷掺杂并退火，或者在生长完氧化硅层之后，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的非晶硅层，随后退火形成TOPCon结构；其中PVD方法包括磁控溅射和PECVD方法。其中LPCVD生长氧化硅层温度为550～650℃，优选为600℃，生长氧化硅层时间为5～10min，优选为8min，得到氧化层的厚度0.5～2nm；LPCVD沉积非晶硅层的温度为580～650℃，优选为650℃，非晶硅层厚度为50～200nm，磷掺杂浓度为2×1019～2×1020cm-3，优选为1.5×1020cm-3；其中磁控溅射时腔室反应气压小于1Pa，沉积温度100～300℃，优选为200℃；其中PECVD沉积温度为100～400℃，优选为250℃。
6)硅片两侧钝化减反射层的制备：在步骤5)处理后的硅片正面通过ALD和PECVD方法先后沉积氧化铝层和氢化氮化硅层，氧化铝层厚度为1～10nm，氢化氮化硅层厚度为70～80nm；在硅片背面通过PECVD方法沉积氢化氮化硅层，氢化氮化硅层厚度为50～200nm。
7)硅片两侧金属电极的制备：在步骤6处理后的硅片正面通过丝网印刷方法制备Ag/Al 栅线电极，在硅片背面通过丝网印刷方法制备Ag栅线电极，最终烧结形成一种具有优越光电特性的TOPCon晶硅太阳电池。
经过具体实际实验，在常规的具体环境设置下，通过制备四种不同高度的纳米柱结构，高度分别为100nm、150nm、200nm和300nm，当纳米柱所在硅片前表面没有钝化膜层覆盖时，测得反射率分别为8.8％、6.1％、5.3％和4.2％，相比于只有微米结构金字塔的反射率13％(无钝化膜层)，均有大幅度降低，并且纳米柱越高，反射率降低越多；当纳米柱所在硅片前表面有钝化膜层覆盖时，测得反射率分别为2.4％、2.5％、2.7％和2.8％，相比于只有微米结构金字塔的反射率4％(有钝化膜层)，也有改善，此时反射率对金字塔高度依赖不明显；电池电学性能方面，实验发现，通过采用硅纳米柱结构，电池效率可以与常规电池效率持平。
与现有技术相比，本装置通过在常规微米金子塔表面制备纳米阵列结构，降低硅片对入射光的反射，使得更多光子被晶硅衬底吸收，从而提高电池的短路电流密度，改善电池的转换效率；同时电池制备方法能兼容现有产线工艺。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征在于，在n型晶硅衬底的正面采用碱溶液制备得到微米结构金字塔后，在微米结构金字塔上制备硅纳米柱阵列或金属纳米颗粒阵列；然后在正面通过高温硼扩散形成p-n结、在背面通过LPCVD方法或PVD方法制备氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构；最后在正面的p-n结上依次覆盖氧化铝/氢化氮化硅叠层和金属Ag/Al栅线、在背面的氧化硅/掺杂多晶硅叠层结构上覆盖氢化氮化硅层和金属Ag栅线。
2.根据权利要求1所述的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征是，所述的碱溶液为NaOH和异丙醇的混合溶液或KOH和异丙醇的混合溶液，其中：NaOH或KOH的浓度为1％～3％，异丙醇的浓度为3％～10％。
3.根据权利要求1所述的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征是，所述的金属纳米颗粒阵列，通过以下方式实现：将带有微米结构金字塔的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，在硅片外侧均匀覆盖金属Ag纳米颗粒阵列，通过将两张硅片叠在一起插入湿花篮中，在AgNO3和HF混合溶液中浸泡，使得Ag纳米颗粒只沉积在硅片一侧。
4.根据权利要求1所述的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征是，所述的硅纳米柱阵列，通过以下方式实现：将带有微米结构金字塔的硅片以两两背靠背的方式浸泡在AgNO3和HF混合溶液中，在硅片外侧均匀覆盖金属Ag纳米颗粒后，再将硅片浸泡在H2O2和HF混合溶液中，通过腐蚀形成硅纳米柱阵列。
5.根据权利要求1所述的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征是，所述的LPCVD方法是指：在n型晶硅衬底的背面生长超薄氧化硅层，再通入硅烷沉积本征多晶硅层，随后对多晶硅层进行磷掺杂；或者在n型晶硅衬底的背面生长超薄氧化硅层，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的多晶硅层。
6.根据权利要求1所述的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池实现方法，其特征是，所述的PVD方法是指：在n型晶硅衬底的背面生长氧化硅层，再通入硅烷沉积本征多晶硅层，随后对多晶硅层进行磷掺杂，或者在n型晶硅衬底的背面生长氧化硅层，再通入硅烷和磷烷沉积原位掺杂的多晶硅层。
7.一种根据权利要求1～6中任一所述方法制备得到的具有纳微米结构的TOPCon晶硅太阳电池，其特征在于，包括：电池硅片、依次位于硅片正面的微米结构金字塔、金属纳米颗粒阵列或硅纳米柱阵列、用于钝化减反射的氧化铝层和氢化氮化硅层、位于硅片背面的超薄氧化硅层、多晶硅层和用于钝化减反射的氢化氮化硅层、位于微米结构金字塔内扩散形成的p-n结以及位于最外部的金属栅线电极。
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