CN114792743A - 太阳电池及其制备方法、光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳电池及其制备方法、光伏系统，其中制备方法包括如下步骤：提供硅片衬底，硅片衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；在硅片衬底的第一表面上依次沉积形成氧化层、掺杂非晶硅膜层和氧化硅掩膜层；对硅片衬底进行退火处理，以使掺杂非晶硅膜层转化为掺杂多晶硅膜层；采用激光对第一表面进行图案化处理，以破坏或去除预设区域的氧化硅掩膜层和掺杂多晶硅膜层，并保留全部或部分氧化层，从而形成图案化区域。本发明的制备方法在对硅片衬底的正面进行制绒时，能够有效地避免硅片衬底的背面图案化区域对应的第一表面也被制绒，提高太阳电池的开路电压和电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池生产技术领域，特别是涉及一种太阳电池及其制备方法、光伏系统。
背景技术
背接触电池，即back contact电池，其中指状交叉背接触太阳电池又称为IBC(Interdigitated back contact)电池。IBC电池最大的特点是PN结区或类PN结区以及金属电极都处于电池的背面，电池正面没有金属电极遮挡的影响。
由于IBC电池的上述结构特点，使得其具有更高的短路电流Jsc，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻Rs从而提高了填充因子FF，并且，这种正面无遮挡的电池不仅转换效率高，而且看上去也更加美观。因此，IBC电池已成为目前实现高效晶体硅电池的技术方向之一。
背接触电池在制绒时需要同时实现硅片衬底正面的制绒以及背面图案化区域的刻蚀。在图案化区域所对应的硅片衬底背面区域，只需要在制绒时通过制绒药液将该区域的隧穿氧化层和掺杂非晶硅膜层进行去除，而不需要对该区域的硅片衬底进行制绒。
然而，在目前的制绒生产工艺中，往往在对硅片衬底的正面进行制绒的同时，图案化区域所对应的硅片衬底背面区域也会被制绒，从而在硅片衬底的背面也形成绒面结构。而上述背面区域形成绒面结构，会大大增加该背面区域的金属化复合，降低电池的开路电压以及转化效率。
发明内容
基于此，有必要提供一种在对硅片衬底的正面进行制绒时，能够有效避免图案化区域所对应的硅片衬底背面区域也被制绒的太阳电池及其制备方法、光伏系统。
本发明提出的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
提供硅片衬底，所述硅片衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
在所述硅片衬底的所述第一表面上依次层叠形成氧化层、掺杂非晶硅膜层和氧化硅掩膜层；
对所述硅片衬底进行退火处理，以使所述掺杂非晶硅膜层转化为掺杂多晶硅膜层；及
采用皮秒脉冲激光对所述第一表面进行图案化处理，以破坏或去除预设区域的所述氧化硅掩膜层和所述掺杂多晶硅膜层，并保留全部或部分所述氧化层，从而形成图案化区域。
在其中一些实施方式中，所述激光为皮秒脉冲激光。
在其中一些实施方式中，所述皮秒脉冲激光的波长为355nm或532nm，所述皮秒脉冲激光的脉冲宽度为1ps～100ps。
在其中一些实施方式中，所述氧化硅掩膜层通过气相沉积或者退火热氧化形成。
在其中一些实施方式中，所述退火处理的退火温度为800℃～950℃，退火时间为30min～50min。
在其中一些实施方式中，所述氧化层为氧化硅膜层，所述氧化层的厚度为0.5nm～2.5nm；和/或
所述氧化硅掩膜层的厚度为10nm～100nm；和/或
所述掺杂非晶硅膜层的厚度为30nm～300nm。
在其中一些实施方式中，在形成所述图案化区域之后，所述制备方法还包括如下步骤：
利用制绒药液对所述硅片衬底进行浸泡处理，以去除所述图案化区域内的所述氧化层以及剩余的所述氧化硅掩膜层和所述掺杂多晶硅膜层，并使所述第二表面形成绒面。
在其中一些实施方式中，所述制绒药液为含有制绒添加剂的碱溶液，所述浸泡处理的温度为30℃～80℃，所述浸泡处理的时间为300s～600s。
在其中一些实施方式中，在利用制绒药液对所述硅片衬底进行浸泡处理之后，所述制备方法还包括如下步骤：
在所述硅片衬底的所述第一表面上和所述第二表面上分别沉积钝化膜层；及
在所述第一表面上和所述第二表面上的所述钝化膜层上分别沉积减反射膜层。
在其中一些实施方式中，所述钝化膜层为氧化铝膜层，所述钝化膜层的厚度为2nm～25nm；和/或
所述减反射膜层为氮化硅、氮氧化硅和氧化硅中的任意一种膜层或者多种的组合膜层，所述减反射膜层的厚度为50nm～150nm。
在其中一些实施方式中，在沉积形成所述减反射膜层之后，所述制备方法还包括如下步骤：
利用激光对所述第一表面上的所述图案化区域进行图案化开孔，去除开孔处的所述钝化膜层和所述减反射膜层以形成电极接触区；及
在所述电极接触区内和所述掺杂多晶硅膜层内注入电极浆料，分别形成第一电极和第二电极。
根据本发明的另一方面，提供了一种太阳电池，所述太阳电池通过本发明上述的制备方法制备得到。
根据本发明的另一方面，提供了一种光伏系统，所述光伏系统中包括本发明上述的太阳电池。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
上述的制备方法，通过对第一表面上的掺杂非晶硅膜层进行退火处理，使掺杂非晶硅膜层中的非晶硅向多晶硅转化，形成掺杂多晶硅膜层；并采用激光对第一表面的预设区域进行图案化处理，破坏或去除预设区域的氧化硅掩膜层和掺杂多晶硅膜层，并保留全部或部分氧化层，形成图案化区域。在采用激光进行图案化处理时通过使激光和硅的相互作用仅限于氧化层之上的掺杂多晶硅膜层，保留全部或部分氧化层。该氧化层可对后续制绒碱液起到一定的阻挡作用，可以延长从制绒开始至图案化区域对应的第一表面开始形成绒面的时间差。在实现电池片正面良好制绒的同时，虽然背面激光图形化区域的薄氧化层会被腐蚀，但可以确保电池片背面图案化区域对应的部分不会被制绒，或者仅被“微制绒”，宏观上来看依然为平面，具有较高的反射率，从而保证了电池具有较高的开路电压和转化效率。
另外，采用皮秒脉冲激光对退火后的第一表面的预设区域进行图案化处理，退火后形成的掺杂多晶硅膜层对该皮秒脉冲激光的吸收深度较浅，可确保激光和硅的相互作用仅限于氧化层之上的掺杂多晶硅膜层，在破坏或去除图案化区域内的氧化硅掩膜层和掺杂多晶硅膜层的同时，保留氧化层。
附图说明
图1为本发明一实施例所制备的太阳电池的结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为硅片衬底的结构示意图；
图4为硅片衬底退火后的结构示意图；
图5为对第一表面进行图案化处理后的结构示意图；
图6为对第一表面进行图案化处理后的仰视图；
图7为对硅片衬底进行制绒并去除氧化硅掩膜层后的结构示意图；
图8为对图案化区域开孔后的仰视图。
附图标记说明：
10、硅片衬底；11、第一表面；12、第二表面；21、氧化层；22、掺杂非晶硅膜层；23、氧化硅掩膜层；30、掺杂多晶硅膜层；40、图案化区域；50、钝化膜层；60、减反射膜层；70、电极接触区；80、第一电极；90、第二电极；100、背接触太阳电池。
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，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施方式提供了一种背接触太阳电池100的制备方法，该背接触太阳电池100的结构如图1和图2所示。该制备方法包括如下步骤S100至步骤S800。
步骤S100：提供P型的硅片衬底10，该硅片衬底10具有第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12。硅片衬底10的结构如图3所示。
在其中一些实施例中，还对该硅片衬底10进行去损伤处理、抛光处理和清洗处理，以使硅片衬底10的表面清洁平整，利于进行后续的镀膜工序。其具体流程如下：使用60℃左右的含有KOH的溶液对硅片衬底10的表面进行去损伤处理；然后在75℃左右条件下使用含有KOH的溶液对硅片衬底10进行抛光处理，使抛光后的硅片衬底10表面反射率达到30％；再使用含有氢氟酸和盐酸的混合溶液对抛光后的硅片衬底10进行清洗；最后用去离子水清洗并烘干。
步骤S200：在硅片衬底10的第一表面11上依次沉积形成氧化层21、掺杂非晶硅膜层22和氧化硅掩膜层23。
其中，氧化层21为一层紧靠第一表面11设置的超薄的氧化硅膜层，该氧化层21的厚度为0.5nm～2.5nm。掺杂非晶硅膜层22为磷掺杂的非晶硅膜层。掺杂非晶硅膜层22的厚度为30nm～300nm，优选为100nm～150nm。氧化硅掩膜层23的厚度为10nm～100nm，优选为20nm～50nm。
在其中一些实施例中，氧化层21、掺杂非晶硅膜层22和氧化硅掩膜层23通过如下方法制备得到：先通过化学气相沉积(如LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积)、PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积)、热氧、链氧等方式在硅片衬底10的第一表面11上形成氧化层21；然后通过化学气相沉积(如LPCVD、PECVD)在氧化层21背离硅片衬底10的表面上沉积形成磷掺杂的掺杂非晶硅膜层22；再通过等离子体化学气相沉积(PECVD)或者退火热氧化在掺杂非晶硅膜层22背离氧化层21的表面上形成氧化硅掩膜层23。
氧化层21和掺杂非晶硅膜层22与硅片衬底10一起形成PN结。而氧化硅掩膜层23的主要作用是，在后续制绒工序中保护第一表面11上的PN结区(氧化层21、掺杂非晶硅膜层22等)不被含碱的制绒药液所腐蚀。
步骤S300：对硅片衬底10进行退火处理，以使掺杂非晶硅膜层22转化为掺杂多晶硅膜层30。退火处理之后的硅片衬底10的结构如图4所示。
通过进行退火处理，可使掺杂非晶硅膜层22中的非晶硅(a-Si)向多晶硅(poly)转化，并使晶粒生长变大，形成掺杂多晶硅膜层30。
在其中一些实施例中，退火处理的温度为800℃～950℃，退火处理时间为30min～50min。在此退火处理工艺条件下，可使掺杂非晶硅膜层22充分晶化，充分转化为掺杂多晶硅膜层30；同时使氧化硅掩膜层23变得更加致密，在后续制绒工序中保护第一表面11上的PN结区(氧化层21、掺杂非晶硅膜层22等)更不易被含碱的制绒药液所腐蚀。
步骤S400：采用皮秒脉冲激光对第一表面11进行图案化处理，以破坏或去除预设区域的氧化硅掩膜层23和掺杂多晶硅膜层30，并保留氧化层21，从而形成图案化区域40。图案化处理后的结构如图5和图6所示。
在对第一表面11上的掺杂非晶硅膜层22进行退火处理之后，本发明采用皮秒脉冲激光对第一表面11进行图案化处理，以破坏或去除掉第一表面11上预设区域的氧化硅掩膜层23和掺杂多晶硅膜层30，从而形成图案化区域40。该图案化区域40用于制备与硅片衬底10直接相连的电极。图案化区域40的宽度为300μm～500μm。
在制备背接触太阳电池100时，在制绒时需要同时实现电池正面的制绒以及电池背面图案化区域40的刻蚀以暴露出P型的硅片衬底10的第一表面11。然而，目前通常是采用激光对氧化硅掩膜层23进行图案化处理，在图案化处理过程中激光与硅作用，容易对图案化区域40内的氧化层21造成损伤；进而使得在制绒过程中在对正面进行制绒的同时，背面图案化区域40也会被制绒，使图案化区域40对应的硅片衬底10的第一表面11也形成绒面结构。而该区域形成绒面结构，会大大地增加该区域第一表面11的金属化复合，从而降低电池的开路电压以及转化效率。图案化区域40对应的第一表面11区域制绒后的理想形貌为平面结构。
为了解决上述问题，本发明通过在对掺杂非晶硅膜层22进行退火处理，形成掺杂多晶硅膜层30之后，采用皮秒脉冲激光对第一表面11进行图案化处理，以破坏或去除掉第一表面11上预设区域的氧化硅掩膜层23和掺杂多晶硅膜层30，形成图案化区域40。退火后形成的掺杂多晶硅膜层30对皮秒脉冲激光的吸收深度较浅，在采用皮秒脉冲激光进行图案化处理时激光和硅的相互作用仅限于氧化层21之上的掺杂多晶硅膜层30，氧化层21不会受到明显的损伤。
由于在同样碱性溶液(如制绒药液)中氧化硅(氧化层21)比硅反应慢，即电池正面已经开始制绒面，而电池背面先要和氧化层21反应，然后再和硅片衬底10的第一表面11反应。通过掺杂多晶硅膜层30与皮秒脉冲激光的相互作用，使氧化层21在图案化之后得以保存不受明显损伤，可以利用该氧化层21延长电池片正面制绒而背面不制绒的时间差，实现正面良好地制绒和背面图案化区域40仅被去除氧化层21，或此区域被去除氧化层21同时第一表面11仅被“微制绒”，刻蚀深度小于1μm，宏观表现依然为平面，有较高的反射率，反射率在25％以上。从而可以确保电池具有较高的开路电压和转化效率。
在本发明的一些实施例中，皮秒脉冲激光的波长为355nm或532nm，皮秒脉冲激光的脉冲宽度为1ps～100ps，优选为3ps～15ps。可以采用皮秒激光器利用上述皮秒脉冲激光，对第一表面11上部分区域的氧化硅掩膜层23进行去除，实现图案化开模。
通过上述的图案化处理方法，可以在后续的制绒工序后将图案化区域40对应的第一表面11区域形成抛光的形貌结构，相比于该第一表面11区域为绒面结构的情况，可以有效地减少该区域铝硅接触的金属化复合，提升电池的开路电压2mV～5mV，从而提升背接触太阳电池100的电池效率约0.1％～0.2％。
步骤S500：先利用含氢氟酸或者含氢氟酸和浓硝酸的混合液仅对硅片衬底10的第二表面12进行处理，以去除第二表面12上可能存在的绕镀，然后利用制绒药液对硅片衬底10进行浸泡处理，以去除图案化区域40内的氧化层21以及图案化处理后剩余的氧化硅掩膜层23和掺杂多晶硅膜层30，并使第二表面12形成绒面。
在采用上述皮秒脉冲激光对第一表面11的预设区域进行图案化处理，形成图案化区域40之后；本发明先利用含氢氟酸或者含氢氟酸和浓硝酸的混合液仅对第二表面12进行处理，以去除第二表面12上可能存在的绕镀，再利用制绒药液对硅片衬底10进行处理，以去除图案化区域40内的氧化层21以及剩余的氧化硅掩膜层23和掺杂多晶硅膜层30，并使第二表面12形成绒面。
通过上述方法，可以实现对硅片衬底10的第二表面12(正面)进行制绒形成绒面，同时对第一表面11上的图案化区域40进行刻蚀处理，有效地去除图案化区域40内的氧化层21和掺杂多晶硅膜层30，从而露出图案化区域40对应的第一表面11，或者露出的第一表面11仅被“微制绒”,即处于制绒的“起绒”阶段，宏观表现依然为平面，具有较高的反射率(25％以上)，不会对钝化以及金属化复合产生较大影响。电池片背面的其他区域则由于有氧化硅掩膜层23的保护而不会被制绒药液腐蚀破坏。制绒完成之后，依次经水洗、碱清洗、水洗、酸清洗、水洗等常规湿法表面清洗工艺，最后烘干。其中，酸清洗时采用含有氢氟酸的酸溶液配方进行酸洗，即可将氧化硅掩膜层23去除。制绒并去除氧化硅掩膜层23后的结构如图7所示。
制绒是碱溶液和硅渐进反应的过程，在最初反应阶段，表面先“起绒”，可理解为大量的金字塔塔尖，该阶段硅被刻蚀的深度较浅，在百纳米级别，宏观表现依然为平面结构，即反射率依然较高，一般在25％以上；随着反应的深入，由于碱溶液和硅反应的各向异性，碱溶液主要沿着<100>晶面腐蚀，最后在表面上形成若干个四个侧锥体，即“金字塔”结构，此时金字塔较小，但反射率已有明显下降；随着时间继续延长，金字塔不断变大，此时的金字塔高度约1μm～3μm，反射率一般在9％～11％。
在其中一些实施例中，制绒药液为含有制绒添加剂的碱溶液，制绒浸泡处理的温度为30℃～80℃，制绒浸泡处理的时间为300s～600s。在此工艺条件下，既可以使硅片衬底10的第二表面12能够充分制绒形成绒面，又能够有效去除图案化区域40内的氧化层21和掺杂多晶硅膜层30，露出相应的第一表面11，并且不会使露出的第一表面11产生绒面。
步骤S600：在硅片衬底10的第一表面11上和第二表面12上分别沉积钝化膜层50；然后在第一表面11上和第二表面11上的钝化膜层50上分别沉积减反射膜层60。通过设置钝化膜层50和减反射膜层60可以分别起到钝化作用和减少电池片反射率的作用。
在其中一个实施例中，钝化膜层50为通过ALD(原子层沉积)方法生长的氧化铝膜层，该钝化膜层50的厚度为2nm～25nm；减反射膜层60为氮化硅、氮氧化硅和氧化硅中的任意一种膜层或者多种的组合膜层，该减反射膜层60的厚度为50nm～150nm。
步骤S700：利用激光对硅片衬底10的第一表面11上的图案化区域40进行图案化开孔，以去除开孔处的钝化膜层50和减反射膜层60形成电极接触区70；然后在电极接触区70内和图案化区域40之外的掺杂多晶硅膜层30内注入电极浆料，分别形成第一电极80和第二电极90。对图案化区域40开孔后的结构如图8所示。
开孔时只需要对图案化区域40的副栅下方的局部接触部分开膜，N型区域(图案化区域40以外的区域)无需开膜。因为第一电极80使用的浆料一般为非烧穿型浆料，即高温下不能烧穿钝化膜层50和减反射膜层60；而N型区域使用的浆料为烧穿型，可以烧穿钝化膜层50和减反射膜层60。
其中，第一电极80与硅片衬底10直接连接，第二电极90与第一表面11上的图案化区域40以外区域的掺杂多晶硅膜层30直接连接。在其中一些实施例中，第一电极80为铝栅线电极，第一电极80的宽度为50μm～200μm；第二电极90为银栅线电极，第二电极90的宽度为10μm～50μm。
具体地，利用激光对图案化区域40进行图案化开孔时，使开孔区域呈虚线或者点状分布，开孔宽度为30μm～50μm，即电极接触区70的宽度为30μm～50μm。可以采用丝网印刷的方式在电极接触区70内和图案化区域40之外的区域，形成包含导电成分的电极浆料层，分别作为第一电极80和第二电极90。
本发明的背接触太阳电池100的结构如图1和图2所示。该背接触太阳电池100可以作为电池单元应用于各种光伏系统中。相比于传统方法制备的背接触太阳电池100，本发明的背接触太阳电池100可以提升电池的开路电压2mV～5mV，提升背接触太阳电池100的电池效率约0.1％～0.2％。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供硅片衬底，所述硅片衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
在所述硅片衬底的所述第一表面上依次层叠形成氧化层、掺杂非晶硅膜层和氧化硅掩膜层；
对所述硅片衬底进行退火处理，以使所述掺杂非晶硅膜层转化为掺杂多晶硅膜层；及
采用激光对所述第一表面进行图案化处理，以破坏或去除预设区域的所述氧化硅掩膜层和所述掺杂多晶硅膜层，并保留全部或部分所述氧化层，从而形成图案化区域。
2.根据权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述激光为皮秒脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述皮秒脉冲激光的波长为355nm或532nm，所述皮秒脉冲激光的脉冲宽度为1ps～100ps。
4.根据权利要求1所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述氧化硅掩膜层通过气相沉积或者退火热氧化形成。
5.根据权利要求1至4任一项所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在形成所述图案化区域之后，所述制备方法还包括如下步骤：
利用制绒药液对所述硅片衬底进行浸泡处理，以去除所述图案化区域内的所述氧化层以及剩余的所述氧化硅掩膜层和所述掺杂多晶硅膜层，并使所述第二表面形成绒面。
6.根据权利要求5所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述制绒药液为含有制绒添加剂的碱溶液，所述浸泡处理的温度为30℃～80℃，所述浸泡处理的时间为300s～600s。
7.根据权利要求6所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在利用制绒药液对所述硅片衬底进行浸泡处理之后，所述制备方法还包括如下步骤：
在所述硅片衬底的所述第一表面上和所述第二表面上分别沉积钝化膜层；及
在所述第一表面上和所述第二表面上的所述钝化膜层上分别沉积减反射膜层。
8.根据权利要求7所述的太阳电池的制备方法，其特征在于，在沉积形成所述减反射膜层之后，所述制备方法还包括如下步骤：
利用激光对所述第一表面上的所述图案化区域进行图案化开孔，去除开孔处的所述钝化膜层和所述减反射膜层以形成电极接触区；及
在所述电极接触区内和所述掺杂多晶硅膜层内注入电极浆料，分别形成第一电极和第二电极。
9.一种太阳电池，其特征在于，所述太阳电池通过权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到。
10.一种光伏系统，其特征在于，所述光伏系统中包括权利要求9所述的太阳电池。
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