CN114975643A - N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种N‑TOPCon光伏太阳能电池制备方法及太阳能电池，制备方法包括如下步骤：对硅片进行预处理；在硅片正面沉积阻隔层，所述阻隔层的材质为氧化铝；在硅片的阻隔层上丝网印刷整面硼浆，并烘干；对烘干的硅片进行硼掺杂，其中，反应气体为氮气和氧气，硼掺杂的温度低于1000℃；在硅片的背面制备隧穿氧化层和n+掺杂多晶硅层；在硅片的正面沉积正面叠层介质膜，在硅片的背面的n+掺杂多晶硅层上沉积背面叠层介质膜；在硅片的正面、背面均丝网印刷金属电极。本发明提供的方法，硼掺杂所需时间缩短，硼掺杂所需温度降低，能耗降低，硼掺杂更均匀；制备得到的太阳能电池的开路电压和转化效率均提升。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法及太阳能电池。
背景技术
当前市场上主流产品PERC电池行业量产平均转换效率已提升至23％以上，趋近实验室效率极限。而N型电池作为能实现转换效率更高、衰减更低、弱光相应更好、双面率更高的电池技术，近几年来成为行业关注的焦点。按照电池结构，量产化前景较高的N型高效电池技术TOPCon(隧穿氧化层钝化接触)电池,因其具有更高的理论效率极限，且与当前产线PERC兼容性高，可在原电池设备制程基础上进行改造，是现有PERC产能后续转型第一选择。
N-TOPCon电池较PERC电池主要增加的地方是硼扩和隧穿氧化层的沉积。现有N-TOPCon电池的硼掺杂步骤中，在预处理后的硅片正面直接硼扩散掺杂形成PN结，而该硼扩散掺杂存在的问题在于：1)需要较高的温度，一般需要达到1000-1100℃，扩散时间较长，所需能耗高；另外高温对炉管的损伤严重，使得炉管寿命降低；2)在硼扩过程中，反应气体氧气与硅界面接触在硅界面形成氧化硅层，由于硼在氧化硅中的固溶度大于硼在硅基体中固溶度，使硼更容易在氧化硅中富集形成富硼层而很难进入硅基体中，导致硼扩散困难；3)硼扩散需要硼源三溴化硼，三溴化硼扩散的副产物对石英器件损伤严重。目前越来越多的厂商开始使用三氯化硼作为硼源，虽然三氯化硼的副产物对石英器件基本无损伤，但受制于B-CL键能较大，扩散均匀性又略差于三溴化硼；通过通入三溴化硼或三氯化硼进行硼扩散，硼扩散均匀性较差。
而由现有硼掺杂步骤制备得到的N-TOPCon电池中，因硼掺杂中扩散不均匀，会导致N-TOPCon电池的各项性能受影响，如开路电压较低、转化效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法及太阳能电池，可降低能耗，提升太阳能电池的开路电压和转化效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其包括如下步骤：
(1)对硅片进行预处理；
(2)在预处理后的硅片正面沉积阻隔层，所述阻隔层的材质为氧化铝；
(3)在硅片的阻隔层上丝网印刷整面硼浆，并烘干；
(4)对烘干的硅片进行硼掺杂，其中，反应气体为氮气和氧气，硼掺杂的温度低于1000℃；
(5)在硅片的背面制备隧穿氧化层和n+掺杂多晶硅层；
(6)在硅片的正面沉积正面叠层介质膜，在硅片的背面的n+掺杂多晶硅层上沉积背面叠层介质膜；
(7)在硅片的正面、背面均丝网印刷金属电极。
优选地，步骤(2)中，通过等离子体化学气相沉积法、原子层沉积或者电子束蒸发在硅片正面沉积所述阻隔层。
优选地，通过等离子体化学气相沉积法在硅片正面沉积阻隔层时：通入N2、N2O、TMA作为反应源，射频功率开关比为1：(15-60)，沉积温度200-300℃，沉积时间50-200s。
优选地，步骤(3)中，所述硼浆湿重为30-60mg。
优选地，步骤(3)中，在硅片的阻隔层上丝网印刷整面硼浆时，印刷速度为100-450mm/s,印刷压力为65-110N,印刷后烘干温度为200-300℃，烘干时间为10-20min。
优选地，步骤(4)中，先将管式炉升温至750-850℃并通入2-5slm氮气作为保护气；进舟后通入氮气和氧气，氮气的流量为1-3slm,氧气的流量为500-3000sccm，在750-850℃下保温10-40min；再升温至900-960℃，并在900-960℃下维持10-30min；降温至750-850℃进行退火。
优选地，步骤(4)中，硼掺杂时间为10-20min。
优选地，所述的阻隔层的厚度为10-30nm。
优选地，所述的正面叠层介质膜为氧化铝层、氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中的一种或多种叠加而成的介质层；所述的背面叠层介质膜为氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层的一种或多种叠加而成的介质层。
本发明的另一目的是提供如上所述的制备方法制备得到的N-TOPCon太阳能电池。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明提供的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，在硼掺杂之前首先在硅片正面沉积阻隔层，再在阻隔层上印刷硼浆，之后进行硼掺杂，因阻隔层能有效阻止氧气与硅界面接触在硅界面形成氧化硅层，从而有效阻止硼在氧化硅中富集形成富硼层，使硼向硅基体的扩散变得容易，再使用硼浆作为硼源，在硼掺杂中只需采用低于1000℃的温度，硼掺杂所需时间相对缩短，能耗相对降低；应用丝网印刷整面硼浆的方式给硅片的硼掺杂提供硼源，使硼掺杂更均匀；硼扩散时，硼浆没有产生副产物，不会对石英器件损伤；太阳能电池的开路电压和转化效率均提升。
附图说明
附图1为本发明的N-TOPCon光伏太阳能电池的结构示意图。
以上附图中：
1-硅片，2-阻隔层，3-硼发射极，4-正面叠层介质膜，5-正面金属电极，6-隧穿氧化层，7-n+掺杂多晶硅层，8-背面叠层介质膜，9-背面金属电极。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
一种N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，该方法通过在硼掺杂之前首先在硅片1正面绒面上沉积一层阻隔层2，阻隔层2的材质为氧化铝，氧化铝作为硼掺杂的反应势垒，能促进硼向硅基体的进一步扩散，另外氧化铝的存在能有效阻止氧气与硅界面接触在硅界面形成氧化硅层，从而有效阻止硼在氧化硅中富集形成富硼层，使硼向硅基体的扩散变得容易，扩散均匀性更好；并且在沉积阻隔层2之后印刷硼浆，在硼掺杂过程中氧化烘干后的硼浆，只需低于1000℃的温度。具体地，该方法包括如下步骤：
(1)对硅片1进行预处理；
(2)在预处理后的硅片1正面沉积阻隔层2，阻隔层2的材质为氧化铝(Al2O3)；
(3)在硅片1的阻隔层2上丝网印刷整面硼浆，并烘干；
(4)对烘干的硅片1进行硼掺杂形成硼发射极，其中，反应气体为氮气和氧气，硼掺杂的温度低于1000℃；
(5)在硅片1的背面制备隧穿氧化层6和n+掺杂多晶硅层7；
(6)在硅片1正面的硼发射极上沉积正面叠层介质膜4，在硅片1的背面的n+掺杂多晶硅层7上沉积背面叠层介质膜8；
(7)在硅片1的正面、背面均丝网印刷金属电极，正面印刷正面金属电极5，背面印刷背面金属电极9。
根据本发明的一些优选方面，步骤(1)中，预处理包括：对单晶硅片1正面和背面均进行去损伤层和制绒处理，具体地，在温度为70～85℃、质量浓度为3％～6％的KOH溶液或NaOH溶液中进行初抛去除单晶硅片1表面的损伤层；在温度为80～90℃，NaOH和制绒添加剂的混合溶液或KOH和制绒添加剂的混合溶液中对单晶硅片1双面织构化，使单晶硅片1双面形成陷光绒面。
根据本发明的一些优选方面，步骤(2)中，在硅片1正面沉积阻隔层2，阻隔层2的材质为氧化铝，通过等离子体化学气相沉积法、原子层沉积或电子束蒸发来沉积阻隔层2。
根据本发明的一些优选方面，步骤(3)中，在硅片1的阻隔层2上丝网印刷整面硼浆，印刷速度为100-450mm/s,印刷压力为65-110N,硼浆湿重为30-60mg,印刷后烘干温度为200-300℃，烘干时间10-20min。应用丝网印刷整面硼浆的方式给N型单晶硅片1的硼掺杂提供硼源，使硼掺杂更均匀。
根据本发明的一些优选方面，步骤(4)中，对烘干的硅片1进行硼掺杂：将管式炉升温至750-850℃并通入2-5slm氮气作为保护气；进舟后通入氮气和氧气，氮气的流量为1-3slm,氧气的流量为500-3000sccm，在750-850℃下保温10-40min，氧化硼源；再升温至900-960℃，并在900-960℃下维持10-30min，使硼驱入硅基体；降温至750-850℃进行退火。硼掺杂后方阻70～200Ω/sq。硼掺杂的目的是形成硼发射极3(PN结)，本征硅中载流子数目极少，其导电性能很差，因此实际应用的半导体是在纯硅中加入微量的杂质元素后的材料，即掺磷的N型硅片1。硼掺杂的目的是在N型硅片1基底上掺杂一层P型半导体从而在交界面形成PN结。当光照在PN结上时,PN结吸收光能激发出电子和空穴，在内建电场作用下带有负电的电子向N区流动，带有正电的空穴向P区移动，从而使得P区电势升高，而N区电势降低，P区和N区之间会产生一个可测的电压，即光生伏特效应。
进一步地，接下来对硼掺杂后的硅片1，首先对氧化层的区域定向保护，隔绝碱溶液与氧化硅反应；然后采用具有添加剂的碱溶液进行清洗，在无氧化层的区域与碱溶液反应，实现背面抛光。
根据本发明的一些优选方面，步骤(5)中，隧穿氧化层6的生长方法可以采用热氧化法、硝酸氧化法、臭氧氧化法或者CVD沉积法等，隧穿氧化层6的厚度为1-3nm。
多晶硅层的生长方法采用LPCVD、PECVD沉积法等，在850-950℃的氮气气氛下，对单晶硅片1进行退火处理，激活掺杂非晶硅层中的磷原子、推进磷原子，使得掺杂非晶硅薄膜层中的非晶硅进一步晶化，将非晶硅转化为多晶硅，n+掺杂多晶硅层7的厚度为70-200nm，方阻为30-90Ω/sq。
进一步地，对沉积隧穿氧化层6和n+掺杂多晶硅层7后的硅片1，用HF溶液去除正面绕扩的磷硅玻璃层，使用碱和添加剂的混合溶液清洗正面绕镀的多晶硅，并用HF溶液去除正面硼硅玻璃保护层以及背面的磷硅玻璃层。
根据本发明的一些优选方面，步骤(6)中，在硅片1的正面沉积正面叠层介质膜4，在硅片1的背面的n+掺杂多晶硅层7上沉积背面叠层介质膜8，其中，正面叠层介质膜4为氧化铝层以及氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中的一种或多种叠加而成的介质层，每一层无先后生长顺序，如正面叠层介质膜4为氧化铝层以及氮化硅层叠加而成的介质层，或者正面叠层介质层为氧化铝层以及氮氧化硅层叠加而成的介质层，即氧化铝层为必须的介质层，氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中任选一种或多种；正面叠层介质膜4的总厚度为60-85nm；背面叠层介质膜8为氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中的一种或多种叠加而成的介质层，叠层膜无先后生长顺序，背面叠层介质膜8的总厚度为60-90nm。
根据本发明的一些优选方面，步骤(7)中，在单晶硅片1的正面和背面均丝网印刷金属电极，最后在红外带式烧结炉中烧结，烧结峰值温度为700-850℃。
以下设置实施例与对比例
实施例
一种N-TOPCon光伏太阳能电池，包括如下步骤：
(1)对N型单晶硅片1正面和背面均进行去损伤层和制绒处理，在温度为70-85℃、质量浓度为3-6％的KOH溶液或NaOH溶液中进行初抛去除单晶硅片1表面的损伤层；在温度为80-90℃，NaOH和制绒添加剂的混合溶液或KOH和制绒添加剂的混合溶液中对单晶硅片1双面织构化，使单晶硅片1双面形成陷光绒面；
(2)在硅片1正面沉积阻隔层2：用等离子体化学气相沉积法在硅片1正面沉积一层氧化铝阻隔层2，沉积氧化铝阻隔层2的条件包括：通入N2、N2O、TMA(三甲基铝)作为反应源，射频功率开关比为(15-60)，沉积温度200-300℃，沉积时间50-200s；
(3)在硅片1的阻隔层2上丝网印刷整面硼浆，印刷速度为100-450mm/s,印刷压力为65-110N,硼浆湿重为30-60mg,印刷后烘干温度为200-300℃，烘干时间10-20min；
(4)对烘干的硅片1进行硼掺杂：将管式炉升温至800℃并通2-5slm氮气作为保护气；进舟后通入氮气和氧气，氮气流量1-3slm,氧气流量500-3000sccm，在800℃下保温30min，氧化硼源；升温至960℃；在960℃下，热维持10-30min，使硼驱入硅基体；降温至800℃进行退火；
(5)在硅片1的背面制备隧穿氧化层6和n+掺杂多晶硅层7；
(6)在硅片1的正面沉积正面叠层介质膜4，在硅片1的背面的n+掺杂多晶硅层7上沉积背面叠层介质膜8；
(7)在硅片1的正面、背面均丝网印刷金属电极，正面印刷正面金属电极5，背面印刷背面金属电极9。
对比例
与实施例不同之处在于：没有步骤(2)和(3)，在步骤(1)之后，直接对硅片1正面进行硼掺杂，硼掺杂过程为：在低压扩散炉中通入三氯化硼、氮气和氧气作为反应气体，温度为1000-1100℃。其余步骤均相同。
结果与讨论
实施例与对比例制备得到N-TOPCon光伏太阳能电池，硼掺杂浓度均为5E18-1E20cm-3，硼掺杂浓度均为0.5-1.5μm，最终保证实施例与对比例在硼掺杂中达到相同的硼掺杂浓度和深度。
在实施例中步骤(3)硼掺杂过程所需时间为10-30min，对比例中硼掺杂过程所需时间为30-90min。在达到相同的硼掺杂浓度和深度时，实施例提供的硼掺杂过程所需的温度降低，所需的时间变短，所需的能量角降低。
对按照实施例和对比例的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法制备的电池进行相关电化学性能测试，测试方法为：利用传统的Halm测试仪，在标准测试条件(25℃，1000w/m2)下进行测试。实施例的太阳能电池的开路电压能相比对比例的太阳能电池的开路电压提升1～3mV，实施例的太阳能电池的转化效率相比对比例的太阳能电池的提升0.03～0.1％。
本发明提供的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，在硼掺杂之前首先在硅片1正面沉积阻隔层2，再在阻隔层2上印刷硼浆，之后进行硼掺杂，因阻隔层2能有效阻止氧气与硅界面接触在硅界面形成氧化硅层，从而有效阻止硼在氧化硅中富集形成富硼层，使硼向硅基体的扩散变得容易，再使用硼浆作为硼源，在硼掺杂中只需采用低于1000℃的温度，硼掺杂所需时间相对缩短，能耗相对降低；应用丝网印刷整面硼浆的方式给硅片1的硼掺杂提供硼源，使硼掺杂更均匀；硼扩散时，硼浆没有产生副产物，不会对石英器件损伤；太阳能电池的开路电压和转化效率均提升。
一种N-TOPCon光伏太阳能电池，包括N型硅片1，硅片1正面由内向外依次设置有阻隔层2、硼发射极3、正面叠层介质膜4、正面金属电极5，硅片1背面由内向外依次设置有隧穿氧化层6、n+掺杂多晶硅层7、背面叠层介质膜8以及背面金属电极9，阻隔层2的材质为氧化铝。
先在硅片1正面生长阻隔层2，再在阻隔层2上生长硼发射极3，阻隔层2作为硼掺杂的反应势垒，能促进硼向硅基体的进一步扩散，另外氧化铝的存在能有效阻止氧气与硅界面接触在硅界面形成氧化硅层，从而有效阻止硼在氧化硅中富集形成富硼层，使硼向硅基体的扩散变得容易。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对硅片进行预处理；
(2)在预处理后的硅片正面沉积阻隔层，所述阻隔层的材质为氧化铝；
(3)在硅片的阻隔层上丝网印刷整面硼浆，并烘干；
(4)对烘干的硅片进行硼掺杂，其中，反应气体为氮气和氧气，硼掺杂的温度低于1000℃；
(5)在硅片的背面制备隧穿氧化层和n+掺杂多晶硅层；
(6)在硅片的正面沉积正面叠层介质膜，在硅片背面的n+掺杂多晶硅层上沉积背面叠层介质膜；
(7)在硅片的正面、背面均丝网印刷金属电极。
2.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤(2)中，通过等离子体化学气相沉积法、原子层沉积或者电子束蒸发在所述硅片正面沉积所述阻隔层。
3.根据权利要求2所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，通过等离子体化学气相沉积法在硅片正面沉积阻隔层时：通入N2、N2O、TMA作为反应源，射频功率开关比为1：(15-60)，沉积温度200-300℃，沉积时间50-200s。
4.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述硼浆湿重为30-60mg。
5.根据权利要求4所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在硅片的阻隔层上丝网印刷整面硼浆时，印刷速度为100-450mm/s,印刷压力为65-110N,印刷后烘干温度为200-300℃，烘干时间为10-20min。
6.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤(4)中，先将管式炉升温至750-850℃并通入2-5slm氮气作为保护气；进舟后通入氮气和氧气，氮气的流量为1-3slm,氧气的流量为500-3000sccm，在750-850℃下保温10-40min；再升温至900-960℃，并在900-960℃下维持10-30min；降温至750-850℃进行退火。
7.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤(4)中，硼掺杂时间为10-20min。
8.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，所述的阻隔层的厚度为10-30nm。
9.根据权利要求1所述的N-TOPCon光伏太阳能电池制备方法，其特征在于，所述的正面叠层介质膜为氧化铝层、氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层中的一种或多种叠加而成的介质层；所述的背面叠层介质膜为氮化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层的一种或多种叠加而成的介质层。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备得到的N-TOPCon太阳能电池。
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