CN114695573A - 一种钝化接触栅线的太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种钝化接触栅线的太阳能电池结构及其制备方法，钝化接触栅线的太阳能电池结构，包括：p型硅基底层；正面电极，设于所述p型硅基底层上表面的栅线区域；钝化隧穿结构层，设于所述p型硅基底层、所述正面电极两者之间，所述钝化隧穿结构层包括由下至上依次堆叠设置的氧化硅隧穿层与掺杂多晶硅层；以及正面电池结构，包括：n++扩散层，所述n++扩散层堆叠设置于所述p型硅基底层上、且位于所述p型硅基底层上表面的非栅线区域。通过上述设置，可解决目前poly‑finger技术制备工艺难度大、poly‑finger结构的隧穿接触效果较差导致电池性能较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种钝化接触栅线的太阳能电池结构及其制备方法。
背景技术
PERC电池在实验室中的转换效率已经达到24％以上，实际量产中，其转换效率也不断逼近23％。若要进一步提升电池转换效率，则需要解决电池中正面金属化区域存在的高复合速率问题。
一般情况下，在PERC电池正面金属化区域采取钝化接触技术，形成poly-finger技术，来大幅降低PERC电池金属化区域复合电流较高的瓶颈问题。
但是，从制备工艺方面具体分析，目前所有的poly-finger技术制备工艺难度极大，制备过程存在掩膜回刻等制程良率较低的工艺步骤。例如，一般情况下，先通过整面沉积钝化隧穿层后，再通过涂蜡等手段形成栅线图形掩膜，将不需要的钝化隧穿层刻蚀掉，最终形成poly-finger结构。同时，钝化隧穿层的制备过程为：先制备氧化硅/本征多晶硅层、再在扩散炉中对多晶硅层进行扩散掺杂，上述工艺比较复杂。
另外，从电池结构方面具体分析，为了形成较好的隧穿接触表面poly-finger，在氧化硅两侧、靠近硅基底表面扩散形成的n++发射极和沉积多晶硅层两者须形成明显的磷掺杂浓度梯度差，如此才能有较好的隧穿效果。但是，现在行业中制备n++发射极的扩散技术水平较低，很难形成1E20atom/cm3以下的表面掺杂浓度，同时多晶硅层的饱和掺杂浓度只能达到1E21atom/cm3，因而形成的掺杂浓度梯度差异小，电池无法形成良好的隧穿接触效果，电池的串联电阻过大、相应的电池填充因子更差。
因此，通过poly-finger技术制备的PERC电池，其转换效率很难超过正面直接采用银栅线接触制备的PERC电池，同时其工艺难度大幅提升、不具备量产可行性。由此，亟待对现有钝化接触技术进行改进，以提升PERC电池的性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种钝化接触栅线的太阳能电池结构及其制备方法，来解决目前poly-finger技术制备工艺难度大、poly-finger结构的隧穿接触效果较差导致电池性能较差的问题。
为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种钝化接触栅线的太阳能电池结构，包括：
p型硅基底层；
正面电极，设于所述p型硅基底层上表面的栅线区域；
钝化隧穿结构层，设于所述p型硅基底层、所述正面电极两者之间，所述钝化隧穿结构层包括由下至上依次堆叠设置的氧化硅隧穿层与掺杂多晶硅层；
以及正面电池结构，包括：n++扩散层，所述n++扩散层堆叠设置于所述p型硅基底层上、且位于所述p型硅基底层上表面的非栅线区域。
与现有技术相比，上述技术方案的有益效果在于：太阳能电池结构中设有p型硅基底层与正面电极，正面电极设于p型硅基底层上、两者之间设有钝化隧穿结构层，钝化隧穿结构层包括由下至上堆叠的氧化硅隧穿层与掺杂多晶硅层；此外，p型硅基底层上表面其他区域堆叠设置有n++扩散层，n++扩散层用于构成太阳能电池结构正面的pn结发射区；由此，正面电极下方的钝化隧穿结构层采用多晶硅/氧化硅结构，钝化隧穿结构层下方的硅基底没有专门进行掺杂，使得电池结构可以容易更好地隧穿接触。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述正面电池结构还设有正面减反膜层，所述正面减反膜层堆叠设置于所述n++扩散层上表面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述太阳能电池结构还包括背面氧化铝氮化硅叠层膜，设于所述p型硅基底层的下表面上。
本发明一实施方式还提供一种钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，包括步骤：
步骤A：对p型硅片进行制绒，形成p型硅基底层；
步骤B：在所述p型硅基底层上表面的栅线区域制备氧化硅层，形成氧化硅隧穿层；
步骤C：通过掩膜法PECVD在所述氧化硅隧穿层上沉积非晶硅层；
步骤D：在扩散炉中对太阳能电池结构的正面进行磷扩，使得所述p型硅基底层上表面的非栅线区域形成n++扩散层，所述n++扩散层的扩散方阻为100～220欧姆；
同时，将沉积的所述非晶硅层部分晶化形成多晶硅层、并进一步进行掺杂，形成掺杂多晶硅层；
步骤K：在所述太阳能电池结构的正面进行印刷烧结形成栅线，形成正面电极。
与现有技术相比，上述技术方案的有益效果在于：先制绒形成p型硅基底层，并在p型硅基底层上表面的栅线区域制备氧化硅隧穿层；再通过掩膜法PECVD在氧化硅隧穿层上进行沉积，并在后道的磷扩散工艺中进行掺杂和晶化多晶硅层，从而形成掺杂多晶硅层，同时，磷扩散使得p型硅基底层上表面的其他区域形成n++扩散层，用于构成太阳能电池结构正面的pn结发射区；最后，通过印刷烧结形成正面电极，形成钝化接触栅线结构；相较于现有工艺技术，通过上述设置，使得整体流程工艺简单、便于工业化量产。
作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤C具体包括：
在所述太阳能电池结构的上方覆盖掩膜板，通过掩膜法PECVD沉积所述非晶硅层；
其中，所述掩膜板的开口图形与栅线图形一致、开口宽度为10～150μm，所述掩膜板距离所述p型硅基底层的距离不大于2cm；沉积工艺的功率为1500～3000W，沉积温度为200～500℃，沉积厚度为20～200nm。
作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤B中制备氧化硅层的方法为以下之一：
方法a：热氧化方法，其中，氧化温度≤900℃、时间≤20min；
方法b：硝酸氧化方法，其中的参数设置为：68wt％HNO3、溶液温度80℃、氧化时间10min；
方法c：PECVD中原位氧化沉积，其中，温度400～700℃、时间≤60min。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在步骤D之后，所述方法还包括：
步骤I：通过PECVD法在所述太阳能电池结构的正面进行氮化硅沉积，形成正面减反膜层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在步骤D、步骤I两者之间，所述方法还包括：
步骤E：对所述太阳能电池结构的背面进行刻蚀抛光；
步骤F：对所述太阳能电池结构的正面进行热氧化；
步骤G：对所述太阳能电池结构的背面进行氧化铝沉积；
步骤H：在氧化铝沉积完成之后，对所述太阳能电池结构的背面氮化硅沉积，形成背面氧化铝氮化硅叠层膜。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在步骤I之后，所述方法还包括：
步骤J：在所述太阳能电池结构的背面进行激光开膜，对所述背面氧化铝氮化硅叠层膜进行部分激光消融。
作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤K具体包括：
步骤K1：在所述太阳能电池结构的正面和/或背面进行电极制备；
步骤K2：采用链式烧结炉，通过烧结形成金属化接触，形成正面电极和/或背面电极。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中太阳能电池结构的结构示意图；
图2、图3是本发明一实施例中太阳能电池结构的制备方法的工艺流程示意图。
其中附图中所涉及的标号如下：
正面电极1，正面减反膜层2，掺杂多晶硅层3，氧化硅隧穿层4，n++扩散层5，p型硅基底层6。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
现有技术中，具有正面钝化接触的PERC电池存在下面几个问题：
第一、金属化栅线区域形成钝化接触层难度极大，需要掩膜、刻蚀等多种工艺搭配实现，同时后期正面栅线需要印刷在这层钝化接触层之上，因此，对钝化接触层的图形精确度有较高的要求，工艺难度大、成本极高；
第二、无法形成有效的掺杂浓度梯度差、隧穿接触效果差，电池串联电阻升高、造成电池填充因子降低，电池实际转换效率尚不能大幅超越现有PERC电池结构，不具有转换效率提升优势。
第三、由于正面银浆不可烧穿钝化接触层中的多晶硅层，否则容易造成电池漏电、同时降低电池开路电压，因此，需要去开发出不同于现行量产的太阳能电池正面银浆材料投入使用，可见量产环境或量产准备并不成熟。
如图1所示，基于现有技术中的问题，本发明一实施例提供了一种钝化接触栅线的太阳能电池结构，包括：
p型硅基底层6；
正面电极1，设于p型硅基底层6上表面的栅线区域；
钝化隧穿结构层，设于p型硅基底层6、正面电极1两者之间，钝化隧穿结构层包括由下至上依次堆叠设置的氧化硅隧穿层4与掺杂多晶硅层3；
以及正面电池结构，包括：n++扩散层5，n++扩散层5堆叠设置于p型硅基底层6上、且位于p型硅基底层6上表面的非栅线区域。
具体的，太阳能电池结构中设有p型硅基底层6与正面电极1，正面电极1设于p型硅基底层6上、两者之间设有钝化隧穿结构层，钝化隧穿结构层包括由下至上堆叠的氧化硅隧穿层4与掺杂多晶硅层3；此外，p型硅基底层6上表面其他区域堆叠设置有n++扩散层5，n++扩散层5用于构成太阳能电池结构正面的pn结发射区；由此，正面电极1下方的钝化隧穿结构层采用多晶硅/氧化硅结构，钝化隧穿结构层下方的硅基底没有专门进行掺杂，使得电池结构可以容易更好地隧穿接触。
在实际结构中，金属栅线下面为多晶硅/氧化硅，氧化硅下面没有专门的掺杂；正面金属电极设为银层等导电层；掺杂多晶硅层3的厚度为20～200nm；氧化硅隧穿层4的厚度≤1.5nm；n++扩散层5的掺杂元素为磷，方阻为100～220Ω。
在实际工艺中，沉积钝化接触层时，可采用PECVD掩膜沉积、并在后道的扩散工艺中进行掺杂和晶化多晶硅层，整体工艺简单，可便于量产。
进一步的，正面电池结构还设有正面减反膜层2，正面减反膜层2堆叠设置于n++扩散层5上表面。
在实际结构中，n++扩散层5上还覆盖有正面减反膜层2，减反膜层的组成成分可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、MgF中一种或多种。
进一步的，太阳能电池结构还包括背面氧化铝氮化硅叠层膜，设于p型硅基底层6的下表面上。
在实际结构中，p型硅基底层6的下表面还可通过沉积形成背面氧化铝氮化硅叠层膜，用于保护背面、以便后续加工。
本发明实施例还提供了一种钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，包括步骤：
步骤A：对p型硅片进行制绒，形成p型硅基底层6；
步骤B：在p型硅基底层6上表面的栅线区域制备氧化硅层，形成氧化硅隧穿层4；
步骤C：通过掩膜法PECVD在氧化硅隧穿层4上沉积非晶硅层；
步骤D：在扩散炉中对太阳能电池结构的正面进行磷扩，使得p型硅基底层6上表面的非栅线区域形成n++扩散层5，n++扩散层5的扩散方阻为100～220欧姆；
同时，将沉积的非晶硅层部分晶化形成多晶硅层、并进一步进行掺杂，形成掺杂多晶硅层3；
步骤K：在太阳能电池结构的正面进行印刷烧结形成栅线，形成正面电极1。
具体的，先制绒形成p型硅基底层6，并在p型硅基底层6上表面的栅线区域制备氧化硅隧穿层4；再通过掩膜法PECVD在氧化硅隧穿层4上进行沉积，并在后道的磷扩散工艺中进行掺杂和晶化多晶硅层，从而形成掺杂多晶硅层3，同时，磷扩散使得p型硅基底层6上表面的其他区域形成n++扩散层5，用于构成太阳能电池结构正面的pn结发射区；最后，通过印刷烧结形成正面电极1，形成钝化接触栅线结构；相较于现有工艺技术，通过上述设置，使得整体流程工艺简单、便于工业化量产。
如图2至图3所示，在实际工艺中，工艺实施详细步骤如下：
→①制绒；
→②掩膜法PECVD沉积非晶硅层；其中，掩膜板的开口宽度为10～150μm，开口形状与正面栅线图形一致，掩膜板距离硅片的距离≤2cm；掺杂多晶硅层3下的氧化硅层可以通过湿法氧化、热氧化等方法制备，也可以在PECVD设备中沉积多晶硅层之前原位制备；
→③磷扩散，其中，扩散方阻为100～220Ω；此工序中，PERC沉积的非晶硅层会部分晶化形成多晶硅层并进一步进行掺杂；
→④PECVD法沉积正面氮化硅减反层；
→⑤印刷烧结形成栅线；
此外，当制备PERC电池时，一般在工艺步骤③和工艺步骤④之间依次加入背面刻蚀及边缘隔离、热氧化、背面氧化铝氮化硅叠层膜沉积等处理工艺，并在工艺步骤④后加入背面激光开槽工序。
进一步的，步骤C具体包括：
在太阳能电池结构的上方覆盖掩膜板，通过掩膜法PECVD沉积非晶硅层；
其中，掩膜板的开口图形与栅线图形一致、开口宽度为10～150μm，掩膜板距离p型硅基底层6的距离不大于2cm；沉积工艺的功率为1500～3000W，沉积温度为200～500℃，沉积厚度为20～200nm。
由此，工艺方面采用PECVD掩膜图形化沉积，工艺简单、便于工业化量产。
进一步的，步骤B中制备氧化硅层的方法为以下之一：
方法a：热氧化方法，其中，氧化温度≤900℃、时间≤20min；
方法b：硝酸氧化方法，其中的参数设置为：68wt％HNO3、溶液温度80℃、氧化时间10min；
方法c：PECVD中原位氧化沉积，其中，温度400～700℃、时间≤60min。
如此，可根据实际情况选择制备方法，方便工艺制造。
进一步的，在步骤D之后，方法还包括：
步骤I：通过PECVD法在太阳能电池结构的正面进行氮化硅沉积，形成正面减反膜层2。
进一步的，在步骤D、步骤I两者之间，方法还包括：
步骤E：对太阳能电池结构的背面进行刻蚀抛光；
步骤F：对太阳能电池结构的正面进行热氧化；
步骤G：对太阳能电池结构的背面进行氧化铝沉积；
步骤H：在氧化铝沉积完成之后，对太阳能电池结构的背面氮化硅沉积，形成背面氧化铝氮化硅叠层膜。
进一步的，在步骤I之后，方法还包括：
步骤J：在太阳能电池结构的背面进行激光开膜，对背面氧化铝氮化硅叠层膜进行部分激光消融。
如此，可方便后续加工。
进一步的，步骤K具体包括：
步骤K1：在太阳能电池结构的正面和/或背面进行电极制备；
步骤K2：采用链式烧结炉，通过烧结形成金属化接触，形成正面电极1和/或背面电极。
本发明提供的实施例中，太阳能电池结构为PERC电池，其中设有钝化接触栅线结构。太阳能电池结构的整体制备工艺详见如下步骤：
步骤A、制绒：提供一个p型硅片，采用KOH溶液对硅片进行制绒，制备出金字塔底座边长1～10μm的绒面结构。
步骤B、氧化硅层制备：
方法a：可以通过热氧化(氧化温度≤900℃，时间≤20min)、
方法b：硝酸氧化(68wt％HNO3，溶液温度80℃，氧化时间10min)、
方法c：PECVD中原位氧化沉积(温度400～700℃，≤60min)
步骤C、掩膜法PECVD沉积非晶硅层：在硅片表面覆盖掩膜板(掩膜板开口图形与正面栅线图形一致，开口宽度为10～150μm，掩膜板距离硅片的距离≤2cm)，沉积工艺的功率为1500～3000W，沉积温度200～500℃，沉积厚度为20～200nm；
步骤D、正面扩散：在扩散炉中进行磷扩形成n++层，形成正面pn结发射区，扩散方阻为100～220欧姆。
步骤E、背面刻蚀抛光：在刻蚀机中背面进行HNO3+HF酸抛光或者KOH、NaOH碱抛光。
步骤F、正面热氧化：在氧化炉中进行热氧化，在正面形成氧化硅层；
步骤G、背面氧化铝沉积：采用PECVD法沉积5～20nm厚度的氧化铝、或者采用ALD方法沉积1～10nm厚度氧化铝；
步骤H、背面氮化硅沉积：采用PECVD法沉积50～200nm厚度的氮化硅背面保护层；
步骤I、正面氮化硅沉积：采用PECVD法沉积50～100nm厚度的氮化硅正面保护层；
步骤J、背面激光开膜：采用532nm激光对背面氧化铝/氮化硅叠层进行部分激光消融。
步骤K1、正背面电极制备：采用丝网印刷或蒸镀、溅射等方式制备正背面电极；
步骤K2、烧结：采用链式烧结炉烧结形成金属化接触。
综上，本发明实施例提供了一种新的低成本的太阳能电池结构及其制备方法，电池结构中设有钝化接触栅线结构，整体结构简单，整线工艺简单、便于工业化量产。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钝化接触栅线的太阳能电池结构，其特征在于，包括：
p型硅基底层；
正面电极，设于所述p型硅基底层上表面的栅线区域；
钝化隧穿结构层，设于所述p型硅基底层、所述正面电极两者之间，所述钝化隧穿结构层包括由下至上依次堆叠设置的氧化硅隧穿层与掺杂多晶硅层；
以及正面电池结构，包括：n++扩散层，所述n++扩散层堆叠设置于所述p型硅基底层上、且位于所述p型硅基底层上表面的非栅线区域。
2.根据权利要求1所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构，其特征在于，所述正面电池结构还设有正面减反膜层，所述正面减反膜层堆叠设置于所述n++扩散层上表面。
3.根据权利要求2所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构，其特征在于，所述太阳能电池结构还包括背面氧化铝氮化硅叠层膜，设于所述p型硅基底层的下表面上。
4.一种钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤A：对p型硅片进行制绒，形成p型硅基底层；
步骤B：在所述p型硅基底层上表面的栅线区域制备氧化硅层，形成氧化硅隧穿层；
步骤C：通过掩膜法PECVD在所述氧化硅隧穿层上沉积非晶硅层；
步骤D：在扩散炉中对太阳能电池结构的正面进行磷扩，使得所述p型硅基底层上表面的非栅线区域形成n++扩散层，所述n++扩散层的扩散方阻为100～220欧姆；
同时，将沉积的所述非晶硅层部分晶化形成多晶硅层、并进一步进行掺杂，形成掺杂多晶硅层；
步骤K：在所述太阳能电池结构的正面进行印刷烧结形成栅线，形成正面电极。
5.根据权利要求4所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，步骤C具体包括：
在所述太阳能电池结构的上方覆盖掩膜板，通过掩膜法PECVD沉积所述非晶硅层；
其中，所述掩膜板的开口图形与栅线图形一致、开口宽度为10～150μm，所述掩膜板距离所述p型硅基底层的距离不大于2cm；沉积工艺的功率为1500～3000W，沉积温度为200～500℃，沉积厚度为20～200nm。
6.根据权利要求5所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，步骤B中制备氧化硅层的方法为以下之一：
方法a：热氧化方法，其中，氧化温度≤900℃、时间≤20min；
方法b：硝酸氧化方法，其中的参数设置为：68wt％HNO3、溶液温度80℃、氧化时间10min；
方法c：PECVD中原位氧化沉积，其中，温度400～700℃、时间≤60min。
7.根据权利要求6所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，在步骤D之后，所述方法还包括：
步骤I：通过PECVD法在所述太阳能电池结构的正面进行氮化硅沉积，形成正面减反膜层。
8.根据权利要求7所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，在步骤D、步骤I两者之间，所述方法还包括：
步骤E：对所述太阳能电池结构的背面进行刻蚀抛光；
步骤F：对所述太阳能电池结构的正面进行热氧化；
步骤G：对所述太阳能电池结构的背面进行氧化铝沉积；
步骤H：在氧化铝沉积完成之后，对所述太阳能电池结构的背面氮化硅沉积，形成背面氧化铝氮化硅叠层膜。
9.根据权利要求8所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，在步骤I之后，所述方法还包括：
步骤J：在所述太阳能电池结构的背面进行激光开膜，对所述背面氧化铝氮化硅叠层膜进行部分激光消融。
10.根据权利要求9所述的钝化接触栅线的太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，步骤K具体包括：
步骤K1：在所述太阳能电池结构的正面和/或背面进行电极制备；
步骤K2：采用链式烧结炉，通过烧结形成金属化接触，形成正面电极和/或背面电极。
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