CN113725319B - 一种n型太阳能电池及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N型太阳能电池及制造方法，所述制造方法包括以下步骤：提供N型硅片；通过硼扩散在N型硅片的正面形成硼扩散层；在所述硼扩散层的表面沉积Al2O3钝化膜；对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。本发明采用新型激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，解决了N型太阳能电池正面的Al2O3钝化膜在烧结过程中难以烧穿的问题，不仅保证了硼发射极表面烧结峰值温度的稳定性，避免了由于氧化铝膜厚度的波动导致硼发射极烧结工艺的波动，有利于生产的连贯性，提高了生产效率，而且最终也提高了N型太阳能电池的综合电性能，大大降低了因Al2O3钝化膜未烧穿或者过烧导致的电性能异常现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种N型太阳能电池及制备方法。
背景技术
N型晶硅太阳能电池由于具有少子寿命高、对金属杂质不敏感、弱光效应好、温度系数低以及无B-O复合导致的光热诱导衰减等优点，已成为新一代高效太阳能电池的重点发展方向，也越来越受到业界的关注。目前较为成熟的N型晶硅太阳能电池主要包括N-PERT、N-PERL、N-TOPCon、N-IBC和HIT等结构。这些电池都以硼掺杂层作为电池的发射极（P+层），由于Al2O3钝化膜与硅的界面中含有高密度的负电荷，能加强对少子电子的排斥作用，形成场致钝化，所以行业中主要采用厚度5~8nm的Al2O3钝化膜叠加厚度70~80nm的SiNx膜作为硼发射极的钝化减反膜。然而当采用Al2O3钝化膜作为钝化膜后，对电池后续的印刷烧结工艺会带来较大困难。
从功函数匹配角度来讲，硼发射极这一面的印刷浆料普遍采用的Ag-Al浆料，而该浆料对氮化硅的烧蚀能力较强，很容易穿透氮化硅，但对Al2O3钝化膜的烧蚀能力较弱，并且对Al2O3钝化膜的厚度较为敏感，因而在烧结过程中，最佳烧结温度波动很大，这对于生产来说非常不利。为了保证烧穿Al2O3钝化膜以及叠加的SiNx膜，通常采用较高的烧结温度，但是如果烧结温度过高，很容易出现过烧现象，影响电池效率。同时，当烧结峰值温度稍微波动并有所降低时，部分区域的Ag-Al浆料就难以烧穿Al2O3钝化膜，无法与硅衬底形成良好的欧姆接触，因此对烧结炉设备的温度波动性要求非常高，然而现有的烧结炉温度控制精度还达不到该要求。所以目前的烧结工艺窗口比较窄，而且经常因为温度波动，最终影响到电池性能。
但是，若硼发射极采用现有PERC电池的制作方法，直接对Al2O3钝化膜及其叠加的SiNx膜进行开孔后再印刷Ag-Al浆料，那么烧结时势必会造成过量的Ag-Al浆料进入到硼发射极中，导致金属复合加重，甚至烧穿硼发射极，大大影响了电池性能。
以上都没有很好地解决现有硼发射极在烧结工艺中遇到的问题，因此，需要提出一种新型的适用于N型晶硅太阳能电池硼发射极的制造方法来解决现有硼发射极的烧结稳定性的问题。
发明内容
本发明提出一种N型太阳能电池及制造方法，能够大大改善N型太阳能电池具有硼发射极的一面的烧结温度窗口较窄的问题，能够提高烧结工艺的稳定性，进而提高电池的转换效率。
根据本发明的第一个方面，提出了一种N型太阳能电池的制造方法，包括以下步骤：
提供N型硅片；
通过硼扩散在N型硅片的正面形成硼扩散层；
在所述硼扩散层的表面沉积Al2O3钝化膜；
对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
优选的，采用新型激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
优选的，采用新型激光工艺的方式对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理时，所述激光的波长为532nm，功率为10~20W。
优选的，所述局部开窗处理的图形与电池正面的电极图形保持一致。
优选的，所述局部开窗处理的图形深度与Al2O3钝化膜的厚度保持一致。
优选的，所述Al2O3钝化膜的厚度为4~8nm。
优选的，对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理后，还包括在Al2O3钝化膜上沉积一层氮化硅膜。
优选的，所述氮化硅膜的厚度为70~80nm。
优选的，上述N型太阳能电池的制造方法，包括但不限于以下步骤：
（1）对硅片进行去损伤层和制绒；
（2）硼扩散，在硅片的正面形成硼扩散层和BSG层，硼扩散完成后去除硅片背面及侧面的硼扩散层；
（3）磷扩散，在硅片背面形成重掺杂层和PSG层，磷扩散完成后去除硅片侧面的PSG层与磷扩散层；
（4）硅片的正面沉积厚度4~8nm的Al2O3钝化膜；
（5）采用新型激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理；
（6）硅片的正面和背面分别沉积厚度70~80nm的氮化硅膜；
（7）硅片的正面和背面分别印刷正电极和背电极，烧结后制得N型太阳能电池。
根据本发明的方法的一个实施例，对于硼发射极表面厚度4~8nm的Al2O3钝化膜，先采用新型激光工艺对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，局部开窗处理的图形同硼发射极表面的电极图形保持一致，激光开窗深度与Al2O3钝化膜的厚度一致，开窗结束后再在Al2O3钝化膜的表面沉积一层厚度约70~80nm的氮化硅膜，这样具有硼发射极的硅片正面印刷的Ag-Al浆料在烧结过程中只需要烧穿氮化硅膜便可实现与硅衬底的接触。烧结过程中，由于氮化硅膜的阻挡使得Ag-Al浆料不会烧穿硼发射极，提高了电池性能的稳定性。
在用激光对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理期间，由于Al2O3钝化膜与硅片衬底在材料折射率等性能方面的差异较大，因此需要选择合适波长的激光使其选择性地将能量主要作用在Al2O3钝化膜上，同时由于Al2O3钝化膜的厚度较薄，因此只需要较低的功率便可使得Al2O3钝化膜在硅片衬底的表面形成开口，本发明提出一种新型的激光工艺，通过设置合适的激光波长以及激光功率，保证Al2O3钝化膜开窗时不影响硅片衬底的硼发射极，确保硼发射极的完整性。
可替代地，也可以在Al2O3钝化膜的表面印刷腐蚀浆料来刻蚀Al2O3钝化膜来实现局部开窗处理的目的，同样地，局部开窗处理的图形同硼发射极表面的电极图形保持一致，激光开窗深度与Al2O3钝化膜的厚度一致，开窗结束后再在Al2O3钝化膜的表面沉积一层厚度约70~80nm的氮化硅膜，这样具有硼发射极的硅片正面印刷的Ag-Al浆料在烧结过程中只需要烧穿氮化硅膜便可实现与硅衬底的接触。烧结过程中，由于氮化硅膜的阻挡使得Ag-Al浆料不会烧穿硼发射极，提高了电池性能的稳定性。
根据本发明的第二个方面，提出一种N型太阳能电池，该电池使用上述N型太阳能电池的制造方法制得。
总之，与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：
本发明采用新型激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，解决了N型太阳能电池正面的Al2O3钝化膜在烧结过程中难以烧穿的问题，使得电池具有硼发射极一面的烧结温度窗口变宽，不仅保证了硼发射极表面烧结峰值温度的稳定性，避免了由于氧化铝膜厚度的波动导致硼发射极烧结工艺的波动，有利于生产的连贯性，提高了生产效率，而且最终也提高了N型太阳能电池的综合电性能，大大降低了因Al2O3钝化膜未烧穿或者烧穿导致的电性能异常现象的发生。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
现有应用中，N型太阳能电池具有硼扩散层的一面为硼发射极，硼发射极位于N型太阳能电池的正面，通常印刷Ag-Al浆料来制作电极。
实施例1
一种N型太阳能电池的制造方法，包括但不限于以下步骤：
（1）对硅片进行去损伤层和制绒。
取厚度150~200um及电阻率1~10ohm·cm的N型硅片，先置于质量分数为0.5~2.0%的KOH溶液中，40~80℃反应100~200s，去除硅片切割过程中造成的原始损伤层，然后置于质量分数为0.5~2.5%的KOH和体积分数为0.5~1.5%制绒添加剂混合溶液中，50~85℃下双面制绒350~500s，清洗烘干。
（2）硼扩散，在硅片的正面形成硼扩散层和BSG层，硼扩散完成后去除硅片背面及侧面的硼扩散层。
将制绒后的N型硅片双面叠片插入石英舟上，置于炉管内进行高温硼扩散，在硅片正面形成硼扩散层和BSG层，其中硼扩散层的扩散方阻控制在60~100ohm/sq，硼扩散层的表面硼原子浓度为1E19~4E19cm-3，结深为0.5~1um，硼扩散层上的BSG层厚度控制在30~60nm；本实施例中硼扩散的主要过程如下：820~870℃下对硅片进行预氧化400~800s；820~870℃下通入硼源进行预沉积800~1500s；氮气气氛900-980℃进行高温推进2000~4000s；950~1000℃下进行氧化推进，通过高温氧化降低硼扩散层的表面浓度同时形成BSG层。
利用链式刻蚀机单面酸洗的方法，带速设置为0.4~0.8m/min，将硅片经过质量分数为3~6%的HF溶液，用于去除硅片背面和侧面的BSG层，然后经过质量分数为5~10%的KOH水溶液和体积分数为0.5~5%的碱抛添加剂组成的混合溶液，50~80℃下对硅片侧面和背面进行碱抛光200~400s，抛光深度为3~8um，去除背面及侧边的硼扩散层的同时保留硅片正面的BSG层，酸洗及水洗后烘干。
（3）磷扩散，在硅片背面形成N+重掺杂层和PSG层，磷扩散完成后去除硅片侧面的N+重掺杂层及PSG层。
将背面和侧边抛光后的硅片双面叠片（硼扩散层面对面）插入石英舟，置于炉管内进行POCl3扩散，在硅片背面形成N+重掺杂层和PSG层，N+重掺杂层的扩散方阻控制在20~80ohm/sq，N+重掺杂层的表面磷原子浓度为1E19~5E19cm-3，结深为0.2~0.5um，N+重掺杂层上的PSG层厚度控制在2~7nm；本实施例中磷扩散分为预沉积步骤和推进步骤以及后氧化三步进行，其中预沉积温度在800~830℃，沉积时间800~1200s，推进温度在830~870℃，时间300~1000s，后氧化温度750~820℃，时间500~1000s。
利用链式刻蚀机单面酸洗的方法，带速设置为1.5~3.5m/min，将硅片正面朝下置于链式滚轮上，硅片背面朝上铺满水膜用于保护背面PSG层，经过质量浓度为0.5~2%的HF溶液，HF溶液的液面与刻蚀机的滚轮底部接触，通过滚轮旋转带液使得HF溶液与硅片正面BSG层与侧边PSG层接触，由于正面BSG层厚度远大于侧面PSG层厚度，通过调整HF酸液浓度和滚轮带速，使得硅片侧面的PSG层完全去除的同时，正面的BSG层得以保留，厚度约为15~45nm；接着硅片经过质量百分比浓度为5~10%的KOH水溶液和体积分数为0.5~5%的碱抛添加剂组成的混合溶液，40~75℃下对硅片侧面的N+重掺杂层进行刻蚀100~400s，刻蚀深度控制在1.5~5um；其中碱抛添加剂的作用是减缓或者阻挡碱溶液与正面BSG层以及背面PSG层的反应速率，同时加速碱溶液与侧面N+重掺杂层的刻蚀速率，实现电池的边缘绝缘；边缘刻蚀后的硅片再通过水洗去掉表面的碱溶液，用质量百分比浓度为5~10%的HF溶液清洗硅片200~500s，用于去除硅片正面的BSG层和背面的PSG层，水洗后烘干。
（4）硅片的正面沉积Al2O3钝化膜。
采用原子层沉积方法在硅片正面的硼扩散层上沉积一层厚度约为4nm的Al2O3钝化膜。
（5）采用新型激光工艺对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
选用波长为532nm，功率为10W的激光光源对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，其中局部开窗的图形与电池正面的电极图形保持一致，控制激光开窗的宽度尺寸与印刷后的正面电极的尺寸一致，激光开窗的深度与Al2O3钝化膜的厚度保持一致。
本实施例中，局部开窗的图形与电池正面的电极图形保持一致指的是两者图形完全一致或者接近，局部开窗的深度与Al2O3钝化膜的厚度保持一致指的是两者深度完全一致或者接近。
本实施例中激光波长和功率的选择对于激光开窗处理过程至关重要，目的是确保开窗过程不影响硅片衬底的硼扩散层或者影响非常小。
（6）硅片的正面和背面分别沉积厚度70~80nm的氮化硅膜。
采用PECVD法在硅片的正面和背面分别沉积氮化硅膜。
（7）硅片的正面和背面分别印刷正电极和背电极，烧结后制得N型太阳能电池。
采用丝网印刷在硅片正面印刷Ag-Al浆以及在硅片背面印刷Ag浆，200~360℃烘干10~40s后进入烧结炉共烧，烧结峰值温度为830±3℃，烧结峰值时间1~4s。
实施例2
同实施例1，不同的是步骤（4）中Al2O3钝化膜的厚度为5nm，选用波长为532nm，功率为12w的激光光源对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
实施例3
同实施例1，不同的是步骤（4）中Al2O3钝化膜的厚度为6nm，选用波长为532nm，功率为20w的激光光源对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
实施例4
同实施例1，不同的是步骤（4）中Al2O3钝化膜的厚度为4nm；以及步骤（5）中采用含有氢氟酸的腐蚀性浆料来刻蚀Al2O3钝化膜，在Al2O3钝化膜上通过丝网印刷含有氢氟酸的腐蚀性浆料，其中丝网印刷网板的图形与电池正面的电极图形保持一致，腐蚀浆料的刻蚀深度同Al2O3钝化膜的厚度保持一致，通过腐蚀性浆料能选择性地与硅片正面的Al2O3钝化膜反应，起到刻蚀Al2O3钝化膜的作用，刻蚀完成后水洗去除腐蚀性浆料。
实施例5
同实施例4，不同的是步骤（4）中Al2O3钝化膜的厚度为6nm。
实施例6
同实施例4，不同的是步骤（4）中Al2O3钝化膜的厚度为8nm。
对比例1
采用常规N型太阳能电池的制造方法，其中Al2O3钝化膜的厚度为4nm，未对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，烧结峰值温度830±1℃，烧结峰值时间1~4s。
对比例2
采用常规N型太阳能电池的制造方法，其中Al2O3钝化膜的厚度为5nm，未对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，烧结峰值温度835±1℃，烧结峰值时间1~4s。
对比例3
采用常规N型太阳能电池的制造方法，其中Al2O3钝化膜的厚度为6nm，未对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理，烧结峰值温度840±1℃，烧结峰值时间1~4s。
测试实施例1-3及对比例1-3所制造的N型太阳能电池的转换效率及各项电性能，相关数据参见表1。
表1
从表1可以看出，本发明的制造方法针对不同厚度的Al2O3钝化膜，其烧结峰值温度的窗口较宽，所制得的N型太阳能电池的转换效率平均提高了约0.05%，获得了良好的电性能数据，不需要人为频繁地调节烧结峰值温度，减少了生产过程的停机时间，提高了生产效率。
Claims (9)
1.一种N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
提供N型硅片；
通过硼扩散在N型硅片的正面形成硼扩散层；
在所述硼扩散层的表面沉积Al2O3钝化膜；
对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理；
在Al2O3钝化膜上沉积一层氮化硅膜。
2.根据权利要求1所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，采用激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理。
3.根据权利要求2所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，采用激光工艺对Al2O3钝化膜进行局部开窗处理时，所述激光的波长为532nm，功率为10~20W。
4.根据权利要求2所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述局部开窗处理的图形与电池正面的电极图形保持一致。
5.根据权利要求4所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述局部开窗处理的图形深度与Al2O3钝化膜的厚度保持一致。
6.根据权利要求1所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述Al2O3钝化膜的厚度为4~8nm。
7.根据权利要求1所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述氮化硅膜的厚度为70~80nm。
8.根据权利要求1所述的N型太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对硅片进行去损伤层和制绒；
（2）硼扩散，在硅片的正面形成硼扩散层和BSG层，硼扩散完成后去除硅片背面及侧面的硼扩散层；
（3）磷扩散，在硅片背面形成重掺杂层和PSG层，磷扩散完成后去除N型硅片侧面的PSG层与磷扩散层；
（4）在硅片的正面沉积厚度4~8nm的Al2O3钝化膜；
（5）采用激光工艺或者腐蚀浆料刻蚀的方式对硅片正面的Al2O3钝化膜进行局部开窗处理；
（6）在硅片的正面和背面分别沉积厚度70~80nm的氮化硅膜；
（7）在硅片的正面和背面分别印刷正电极和背电极，烧结后制得N型太阳能电池。
9.一种N型太阳能电池，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的N型太阳能电池的制造方法制得。
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