CN114628547B - 一种背表面局域形貌的太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏电池技术领域，提供一种背表面局域形貌的太阳电池及其制备方法，该制备方法，包括依次进行的如下步骤：制绒、扩散、激光局域刻蚀、酸洗、抛光、制结、退火、镀膜及金属化。一方面，采用激光在硅衬底背表面进行激光局域刻蚀，能形成凹槽形貌，以提升印刷的金属浆料的粘附性，减少断栅，并增加金属栅线的高宽比来减少光遮挡，进而能提高太阳电池的生产良率和电池效率。另一方面，碱抛光能在非激光刻蚀区域形成光滑的平面结构，以起到增强背钝化的效果；而且，在激光局域刻蚀之后进行酸洗、碱抛光及退火与烧结，能对激光造成的污染和损伤进行清洗和修复，基本消除激光损伤，确保背钝化效果，并不会额外增加清洗和修复工序。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，特别是涉及一种背表面局域形貌的太阳电池及其制备方法。
背景技术
光伏是一种绿色低碳的环保能源，但成本及效率两大壁垒一直是限制其发展的主要因素。因此，降低成本与提高效率是太阳电池目前的研究热点。其中，使太阳电池具有良好的背钝化效果是开发高效电池的方法之一。而背面抛光技术是一种非常有效的背面钝化技术，太阳电池的背面经抛光后形成的平整背表面，不仅可以有效的降低太阳电池的背表面复合，还能提高背表面的光反射率，这样，高反射率的平整背表面可以将原本会透射的光反射回太阳电池内，从而提高太阳电池的光利用率，进而提高太阳电池的电池效率。
参见公开号CN109713053A提供的一种MWT太阳能电池的制备方法，目前常见的碱抛光太阳电池的制备工艺是：制绒-扩散-去除扩散后的B/PSG(含硼/磷的硅玻璃)-碱抛光-制结-退火-镀膜-金属化。但是，由于抛光后的背表面过于平整光滑，在丝网印刷制备金属电极时，与正面的绒面相比，抛光后的背表面与金属浆料的粘附性会下降，造成金属浆料所形成的金属栅线出现断栅和栅线高宽比减小，从而会产生不必要阻抗，进而导致太阳能电池的电池效率下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种背表面局域形貌的太阳电池及其制备方法，以解决现有太阳电池因背面抛光后过于光滑平整而导致印刷的金属浆料粘附性下降，从而造成断栅且栅线高宽比减小，进而导致太阳电池的生产良率和电池效率下降的技术问题。
基于此，本发明公开了一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，包括依次进行的如下步骤：
步骤S1、制绒：对硅衬底进行制绒，以使硅衬底的表面形成绒面陷光结构；
步骤S2、扩散：采用掺杂源进行掺杂扩散，以在硅衬底的正面制备P或N型的发射极；
步骤S3、激光局域刻蚀：在扩散后的硅衬底的背表面进行激光局域刻蚀，以使其背表面的激光刻蚀区域形成凹槽形貌；
步骤S4、酸洗：对硅衬底进行单面酸洗，以去除硅衬底的背面及边缘扩散形成的绕镀及含硼/磷的硅玻璃；
步骤S5、抛光：采用碱性溶液对硅衬底的背面进行抛光，以在其背面的非激光刻蚀区域形成光滑的平面形貌，并使其激光刻蚀区域保留有凹槽形貌；
步骤S6、制结：在硅衬底的背面制备N或P型的掺杂层；
步骤S7、退火：对硅衬底进行退火处理，再进行清洗；
步骤S8、镀膜：在硅衬底上制备Al2O3及氮化硅钝化膜；
步骤S9、金属化：对硅衬底的背面的凹槽形貌区域及正面局域丝网印刷金属浆料，烧结，以形成正面金属电极和背面金属电极。
优选地，所述步骤S3中，采用能量为5.1-5.5W、激光频率为0.5×106-2×106Hz的激光器对硅衬底的背表面进行所述激光局域刻蚀；所述激光器的激光线间距与丝网印刷的网板间距一致。
进一步优选地，所述步骤S8中，以SiH4和NH3为反应的前驱气体来制备所述氮化硅钝化膜，以使所述前驱气体能释放原子态的H来对硅衬底进行氢钝化。
进一步优选地，所述步骤S4中，采用HF溶液对硅衬底进行所述单面酸洗；所述HF溶液中HF与水的体积比为1：1.5-3。
进一步优选地，所述步骤S5中，采用KOH溶液对硅衬底的背面进行所述抛光，所述KOH溶液中KOH与水的体积比为1：18-25，抛光的时间为200-350s，抛光的温度为45-65℃。
进一步优选地，所述步骤S7中，所述退火的温度为800-1000℃，保温时间不小于0.5-1.5h。
优选地，所述步骤S6中，所述制结包括：先在硅衬底的背面制备隧穿层，再在所述隧穿层的背面制备N或P型的掺杂层。
优选地，所述硅衬底为N型单晶硅片。
本发明还公开了一种背表面局域形貌的太阳电池，其是采用本发明内容上述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
本发明的制备方法，一方面，在扩散后，采用激光在硅衬底背表面需要印刷金属浆料的区域进行激光刻蚀，能在激光刻蚀区域形成凹槽形貌，且碱抛光后，激光刻蚀区域仍与光滑的平面形貌区域(即非激光刻蚀区域)有所区别，仍然保留有凹槽形貌，因此丝网印刷时，金属浆料能与硅衬底的背表面更好地接触，能提升金属浆料的粘附性，减少断栅现象，并能增加金属栅线的高宽比，减少光遮挡，进而能提高太阳电池的生产良率和电池效率；另一方面，碱抛光能在背面的非激光刻蚀区域形成光滑的平面结构，以起到增强背钝化的效果；而且，在激光局域刻蚀后，再进行单面酸洗、背面的碱抛光、退火以及氢钝化与烧结，利用这些原有的工艺能对激光造成的污染和损伤进行清洗和修复，无需额外增加清洗和修复的工序，且与不进行激光局域刻蚀所制备的太阳电池对比，并未引起额外损伤，基本不会对太阳电池的背钝化性能产生影响。因此，本发明的方法在确保背钝化性能的同时，还能有效提高太阳电池的生产良率和电池效率。
附图说明
图1是实施例1的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法的工艺流程图。
图2是实施例1的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法中经步骤5抛光后的凹槽形貌的3D显微镜图。
图3是实施例1的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法中进行步骤3激光局域刻蚀的区域示意图。
图4是图3中激光刻蚀区域经步骤3激光局域刻蚀后各区域的PL亮度图。
图5是图3中各区域经步骤7退火后的PL亮度图。
图6是图3中各区域经步骤11的烧结后的PL亮度图。
图7是实施例1和对比例1的太阳电池的Lifetime数据图。
图8是实施例1和对比例1的太阳电池的J0数据图。
图9是实施例1和对比例1的太阳电池的i-Voc数据图。
图10是实施例1和对比例1的太阳电池的i-FF数据图。
图11是实施例1和对比例1的太阳电池的金属栅线的拉力数据图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，参照图1，包括依次进行的如下步骤：
步骤1、制绒：对硅衬底进行制绒，以使硅衬底的表面形成绒面陷光结构。其中，硅衬底优选为N型硅片，更优选为N型单晶硅片。
步骤2、扩散：采用掺杂源进行掺杂扩散，以在硅衬底的正面制备P或N型的发射极。其中，掺杂源为硼掺杂源，或者磷掺杂源，亦或其他能形成P或N型的发射极的掺杂源。
步骤3、激光局域刻蚀：在扩散后的硅衬底的背表面进行激光局域刻蚀，以使其背表面的激光刻蚀区域形成凹槽形貌。
其中，步骤3中，采用能量为5.1-5.5W(即5.1-5.5J/s)、激光频率为0.5×106-2×106Hz的激光器对硅衬底的背表面进行所述激光局域刻蚀，激光器的激光频率优选为1MHz(1×106Hz)。其中，激光器的激光线间距根据后续丝网印刷金属浆料的网板间隔确定；具体地，激光器刻蚀图形与金属浆料丝网印刷图形保持一致。
步骤3中在需要印刷金属浆料的区域(即激光刻蚀区域)进行激光刻蚀，以在硅衬底的背表面需要印刷金属浆料的区域形成凹槽形貌，来提升后续背表面印刷的金属浆料的粘附性，减少断栅现象；且凹槽形貌还能进一步增加金属浆料形成的金属栅线的高宽比，减少光遮挡，进而能提高太阳电池的生产良率和电池效率。
步骤4、酸洗：对硅衬底进行单面酸洗，以去除硅衬底的背面及边缘扩散形成的含硼/磷的硅玻璃。
实际应用中，调节酸洗槽的酸液浓度、液面高度与机台运行速度，使之匹配可以去除背表面及边缘含硼/磷的硅玻璃，保留正面含硼/磷的硅玻璃使其作为抛光工艺中的正面掩膜，以保证只有背表面被抛光，正表面保持绒面陷光结构。
其中，步骤4中，采用HF溶液对硅衬底进行单面酸洗；HF溶液中HF与水的体积比为1：1.5-3。
本实施例的一种示例为，采用链式机以滚轮带液(即HF溶液)的方式，对硅衬底进行单面酸洗、水洗、烘干，以去除绕镀及含硼/磷的硅玻璃；其中，链式机的速度可根据机台的长度来确定，HF溶液中HF与水的体积比优选为1：2。
硅衬底的背面在步骤4的单面酸洗过程中，不仅能去除绕镀及含硼/磷的硅玻璃；还能利用该原有的单面酸洗工序对激光工艺中花篮周转、自动化传送皮带、激光台面接触时造成的污染进行清洗。
步骤5、抛光：采用碱性溶液对硅衬底的背面进行抛光，以在其背面的非激光刻蚀区域形成光滑的平面形貌，并使其激光刻蚀区域保留有凹槽形貌(参见图2)。
其中，步骤5中，优选为采用KOH溶液对硅衬底的背面进行抛光，KOH溶液中KOH与水的体积比为1：18-25，抛光的时间为200-350s，抛光的温度为45-65℃。
本实施例的一种示例为，采用槽式抛光机，依次经预清洗、水洗、抛光、水洗、后清洗、水洗、酸洗、水洗、慢提拉及烘干，以完成对硅衬底的背面的抛光步骤；其中，抛光所用碱液为KOH溶液，KOH与纯水的体积比为1：22，抛光的时间为300s。
硅衬底的背面在步骤5的碱抛光过程中，不仅能在非激光刻蚀区域形成光滑的平面形貌，以起到增强背钝化的效果；而且，激光刻蚀区域的损伤能在该原有的碱抛光过程中被部分修复；但由于高浓度的抛光碱液中，硅衬底的各向同性腐蚀，使得激光刻蚀区域仍与光滑的平面形貌区域(即非激光刻蚀区域)有所区别，仍然保留有凹槽形貌，以确保后续背表面印刷的金属浆料的粘附性提升。
步骤6、制结：在硅衬底的背面制备N或P型的掺杂层。
其中，以Topcon电池为例，步骤6中，所述制结包括：先在硅衬底的背面制备隧穿层，再在隧穿层的背面制备N或P型的掺杂层(如N或P型的poly层)。
步骤7、退火：对硅衬底进行高温退火处理。其中，步骤7中，退火的温度为800-1000℃，保温时间不小于0.5-1.5h。
本实施例的一种示例中，硅衬底在850℃下恒温1h，以完成退火步骤。
步骤8、清洗(Wet Clean)：对退火后的硅衬底进行最后一次湿法清洗，以去除硅衬底表面暴露在空气中生长的氧化硅以及太阳电池生产过程中受到的污染，以免太阳电池性能受污染物影响。
步骤9、镀Al2O3膜：在硅衬底的正面镀Al2O3膜。其中，该镀膜方法优选为ALD法(原子层沉积法)。
步骤10、镀钝化减反射膜：在硅衬底的正面和背面分别制备氮化硅钝化减反射膜。其中，该镀膜方法优选为PECVD法(等离子体增强化学的气相沉积法)。
其中，步骤10中，以SiH4和NH3为反应的前驱气体来制备该氮化硅钝化减反射膜，以使所述前驱气体能释放原子态的H，来饱和硅衬底表面的悬挂键，实现对硅衬底的氢钝化，提高钝化效果，进而加强对激光刻蚀区域的损伤的修复，使得激光损伤被基本消除。
步骤11、金属化：对硅衬底的背面的凹槽形貌区域及正面局域丝网印刷金属浆料，烧结，以形成正面金属电极和背面金属电极。
本实施例上述对激光局域刻蚀、单面酸洗、碱抛光、退火及氢钝化的制备工序及参数进行优化，其目的是在确保激光刻蚀区域具有更好的凹槽形貌来进一步提升金属浆料的粘附性的同时，还使该激光刻蚀所带来的污染和损伤能更好地被后续的单面酸洗、碱抛光、退火及氢钝化所修复。
本实施的上述制备方法，一方面，在扩散后，采用激光在硅衬底背表面需要印刷金属浆料的区域进行激光刻蚀，能在激光刻蚀区域形成凹槽形貌，以提升后续背表面印刷的金属浆料的粘附性，减少断栅现象，并增加金属栅线的高宽比来减少光遮挡，进而能提高太阳电池的生产良率和电池效率；另一方面，碱抛光能在背面的非激光刻蚀区域形成光滑的平面结构，以起到增强背钝化的效果；而且，在激光局域刻蚀后，再进行单面酸洗、背面的碱抛光、退火以及氢钝化与烧结，利用这些原有的工艺能对激光造成的污染和损伤进行清洗和修复，使得激光损伤基本被消除，因此，在不额外增加清洗和修复工序的情况下，还基本不会对太阳电池的背钝化效果产生影响。因此，本发明的方法在确保背钝化性能的同时，还能有效提高太阳电池的生产良率和电池效率。
其中，晶体表面杂质与缺陷能级(本实施例中主要涉及缺陷能级)在禁带中形成复合中心，进而会影响表面钝化。经步骤3的激光局域刻蚀后，凹槽形貌区域的损伤较大，凹槽形貌的表面光滑度差，悬挂键多。基于此，本发明在激光局域刻蚀后，通过碱抛光、退火以及氢钝化与烧结能对激光造成的损伤进行修复，以免激光损伤影响太阳电池的背钝化效果，其修复原理如下：
碱抛光消除激光刻蚀区域的损伤的原理为：高浓度下碱与硅在各个晶面上发生各向同性反应，反应式如：Si+2OH-+H2O＝SiO3 2-+2H2，硅表面的局部微区有随机分布的微电极作用，激光刻蚀制备的凹槽形貌造成的细微表面凸起及凹陷区域的硅与腐蚀液之间的界面吸附与腐蚀速率要大于光滑区域，使得这一区域反应速率加快，因此碱抛光后，凹槽形貌变得更均匀、光滑，能减少凹槽形貌区域的悬挂键数量，进而能减少激光刻蚀带来的损伤。
进一步，硅衬底还能利用步骤7的原有的退火工序，对激光刻蚀区域的损伤进行进一步的修复；其修复原理在于：退火不仅可以激活掺杂原子，还可以修复受损的晶格，让硅晶格恢复其完美的结构；因为掺杂过程中形成的稳定缺陷群由于退火过程中的热处理而分解成点缺陷和结构简单的缺陷，这些结构简单的缺陷在热处理时能以较高的迁移率在晶体中移动，同时逐渐湮灭或被原来晶体中的位错、杂质或表面吸收。烧结修复激光刻蚀区域的损伤的原理与退火工艺相似，故不重述。
更进一步，在步骤10镀钝化减反射膜沉积过程中，含H的反应前驱气体可以在反应时释放三原子态的H，即正(H+)、负(H-)和中性(H0)态；而步骤11再经高温或强光后可以使H进入到界面与内部，饱和悬挂键，提高钝化效果，修复激光损伤。
本实施例的一种背表面局域形貌的太阳电池，其是采用本实施例上述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法制得。
对比例1
本对比例的一种太阳电池的制备方法，其制备步骤参照实施例1，其与实施例1的区别在于：省略了实施例1中步骤3激光局域刻蚀。
对实施例1和对比例1所制备的太阳电池背面的钝化性能和金属栅线的拉力性能进行测试，其测试结果如下表1-2及图3-11所示：
表1钝化数据对比
| 平均PL亮度 | Lifetime(us) | J0(fA/cm2) | i-Voc(mV) | i-FF(％) | |
| 实施例1 | 44208 | 1878.07 | 19.71 | 723.35 | 84.88 |
| 对比例1 | 44055 | 1915.70 | 19.62 | 723.79 | 85.37 |
根据表1中的平均PL(光致发光光谱)亮度、Lifetime(少子寿命)、J0(电流密度)、i-Voc(隐开路电压)、i-FF(隐填充因子)数据以及图3-10的数据图，可知，实施例1的太阳电池的背钝化性能与对比例1基本相同。
其中，参见图4可知，经步骤3激光局域刻蚀后的激光刻蚀区域与非激光刻蚀区域的PL亮度差异明显，说明与非激光刻蚀区域相比，经步骤3激光局域刻蚀后的激光刻蚀区域的激光损伤明显。而参见图5和6可知，经步骤7退火和步骤11的烧结后的激光刻蚀区域与非激光刻蚀区域的PL亮度无明显差异，说明经实施例1的制备方法所制得的太阳电池在激光局域刻蚀之后，再经碱抛光、退火、钝化及烧结后的激光损伤基本被消除。
表2金属栅线的拉力数据对比
| 拉力(N/mm) | ||
| 实施例1 | 0.1758 | 提高了5.65％ |
| 对比例1 | 0.1664 | / |
其中，金属栅线的拉力数据的测试方法为：在使用胶带法粗测(胶带黏附，测试能否撕下金属栅线)后，采用卧式拉力测试机测试对比例1与实施例1工艺的金属栅线的拉力(即将金属化后的金属栅线从硅片表面剥离的力)，测试机结果能精确到0.01N/mm，有效数字3位。其中，表2中金属栅线的拉力数据为拉力平均值。
根据表2及图11可知，相比对比例1，实施例1的太阳电池中背面金属栅线的拉力提高了5.65％，可知，实施例1的太阳电池背面的凹槽形貌能有效提高印刷的金属浆料的粘附性，能减少断栅，提高产品良率和电池效率。
此外，由于实施例1的太阳电池中，印刷金属浆料的区域具有凹槽形貌(而非对比例1的平面形貌)，因此，还能增加金属栅线的高宽比，减少光遮挡，提高电池效率。其中，以下表3为凹槽形貌中凹槽的宽度和高度数据。
表3凹槽形貌中凹槽的宽度和高度数据表
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，其特征在于，包括依次进行的如下步骤：
步骤S1、制绒：对硅衬底进行制绒，以使硅衬底的表面形成绒面陷光结构；
步骤S2、扩散：采用掺杂源进行掺杂扩散，以在硅衬底的正面制备P或N型的发射极；
步骤S3、激光局域刻蚀：在扩散后的硅衬底的背表面进行激光局域刻蚀，以使其背表面的激光刻蚀区域形成凹槽形貌；
步骤S4、酸洗：对硅衬底进行单面酸洗，以去除硅衬底的背面及边缘扩散形成的绕镀及含硼/磷的硅玻璃；
步骤S5、抛光：采用碱性溶液对硅衬底的背面进行抛光，以在其背面的非激光刻蚀区域形成光滑的平面形貌，并使其激光刻蚀区域保留有凹槽形貌；
步骤S6、制结：在硅衬底的背面制备N或P型的掺杂层；
步骤S7、退火：对硅衬底进行退火处理，再进行清洗；
步骤S8、镀膜：在硅衬底上制备Al2O3膜及氮化硅钝化膜；
步骤S9、金属化：对硅衬底的背面的凹槽形貌区域及正面局域丝网印刷金属浆料，烧结，以形成正面金属电极和背面金属电极；
所述步骤S5中，采用KOH溶液对硅衬底的背面进行所述抛光，所述KOH溶液中KOH与水的体积比为1：18-25，抛光的时间为200-350s，抛光的温度为45-65℃；
所述步骤S7中，所述退火的温度为800-1000℃，保温时间不小于0.5-1.5h；
所述步骤S8中，以SiH4和NH3为反应的前驱气体来制备所述氮化硅钝化膜，以使所述前驱气体能释放原子态的H来对硅衬底进行氢钝化。
2.根据权利要求1所述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用能量为5.1-5.5W、激光频率为0.5×106-2×106Hz的激光器对硅衬底的背表面进行所述激光局域刻蚀；所述激光器的激光线间距与丝网印刷的网板间距一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用HF溶液对硅衬底进行所述单面酸洗；所述HF溶液中HF与水的体积比为1：1.5-3。
4.根据权利要求1所述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述制结包括：先在硅衬底的背面制备隧穿层，再在所述隧穿层的背面制备N或P型的掺杂层。
5.根据权利要求1所述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述硅衬底为N型单晶硅片。
6.一种背表面局域形貌的太阳电池，其特征在于，是采用权利要求1-5任意一项所述的一种背表面局域形貌的太阳电池的制备方法制得。
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