CN115036398A - 一种p型硅的太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种P型硅的太阳能电池的制备方法,属于硅片电池技术领域,包括:对P型硅材质的衬底层清洗、制绒;在清洗并制绒后的衬底层的下端面进行磷扩散;在磷扩散之后,去除磷扩散过程中形成的PSG;在去除PSG之后,对衬底层的上端面和扩散层的下端面进行表面钝化处理,以形成钝化层;形成N型非晶硅层;形成P型非晶硅层;在N型非晶硅层和P型非晶硅层之外沉积形成减反射层;印刷形成金属电极;在印刷金属电极之后,对半成品电池进行高温烧结,使得金属电极和硅形成金属硅化物;并使得N型非晶硅层和P型非晶硅层转化为poly‑Si(n)层和poly‑Si(p)层;达到降低电池成本,且避免使用硼扩散工艺的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及硅片电池技术领域,尤其涉及一种P型硅的太阳能电池的制备方法。
背景技术
现有的N型TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact隧穿氧化钝化接触)电池依靠“隧穿效应”实现后表面钝化并收集电子,硼扩散形成的PN结位于入射光侧。现有的TOPCon电池后表面结构从内向外依次为半导体衬底,隧穿层,掺杂导电层,后表面减反射层。N型TOPCon电池使用的N型硅片成本比P型硅片贵,且N型的TOPCon电池涉及到工艺难度大的高温硼扩散工艺。
所以,现有技术的技术问题在于:N型TOPCon电池成本高,且需要硼扩散工艺。
发明内容
本申请实施例提供一种P型硅的太阳能电池的制备方法,解决了现有技术中N型TOPCon电池的电池成本高,且需要硼扩散工艺的技术问题;达到降低电池成本,且避免使用硼扩散工艺的技术效果。
本申请实施例提供一种P型硅的太阳能电池的制备方法,所述制备方法包括:对P型硅材质的衬底层清洗、制绒;在清洗并制绒后的衬底层的下端面进行磷扩散,以形成扩散层;所述扩散层和衬底层之间构成一PN结,且所述PN结设置在衬底层的下侧面;在磷扩散之后,去除磷扩散过程中形成的PSG;在去除PSG之后,对衬底层的上端面和扩散层的下端面进行表面钝化处理,以形成钝化层;在位于衬底层下侧的钝化层上进行in-situ掺杂沉积,以形成N型非晶硅层;在位于衬底层上侧的钝化层上进行in-situ掺杂沉积,以形成P型非晶硅层;在N型非晶硅层和P型非晶硅层之外沉积形成减反射层;在N型非晶硅层和P型非晶硅层外的减反射层上印刷形成金属电极;在印刷金属电极之后,对半成品电池进行高温烧结,使得金属电极和硅形成金属硅化物;并使得N型非晶硅层和P型非晶硅层转化为poly-Si(n)层和poly-Si(p)层。
作为优选,所述制备方法包括:在对位于衬底层下侧的钝化层进行in-situ掺杂硅沉积时,将经过钝化后的半成品电池平行放置在平板式PECVD设备或炉管式PECVD设备的电极上,使得衬底层下侧的钝化层处于外露状态;且在对位于衬底层上侧的钝化层进行in-situ掺杂硅沉积时,将经过钝化后的半成品电池平行放置在平板式PECVD设备或炉管式PECVD设备的电极上,使得衬底层上侧的钝化层处于外露状态。
作为优选,形成N型非晶硅层和形成P型非晶硅层的步骤互换顺序。
作为优选,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有镓,且镓的掺杂浓度小于7.1x1015cm-3。
作为优选,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有硼。
一种P型硅的太阳能电池的制备方法,所述制备方法包括:在位于衬底层上侧的钝化层上进行沉积,以形成Al2O3层;在N型非晶硅层和Al2O3层之外沉积形成减反射层;在N型非晶硅层和Al2O3层外的减反射层上印刷形成金属电极;在印刷金属电极之后,对半成品电池进行高温烧结,使得金属电极和硅形成金属硅化物;并使得N型非晶硅层转化为poly-Si(n)层。
作为优选,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有镓或硼。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案,至少具有如下一种或多种技术效果:
1、本申请实施例中,采用P型硅作为衬底层,以便于扩散层可以用磷扩散工艺做N型扩散层,一是避免使用硼扩散工艺,工艺温度的要求从1000°降低到850-900°,降低了对工艺温度的要求;二是避免B-O键的形成,避免电池片功率衰减;解决了现有技术中N型TOPCon电池的电池成本高,且需要硼扩散工艺的技术问题;达到降低电池成本,且避免使用硼扩散工艺的技术效果。
2、本申请实施例中,PN结放置在背面,远离入射光,降低了空间电荷区对光生载流子的影响,增加载流子的收集;且因为使用P型硅衬底,入光面可以使用Al2O3作为空穴收集层,降低光的吸收;避开使用P型多晶硅作为空穴收集层带来的高温扩散或退火对硅衬底的影响,具体可以避免氧进入衬底层。
3、本申请实施例中,限定衬底层的掺镓浓度(掺硼也可),以保证材料的完整性;同理,限定衬底层的电阻率,来控制材料的完整性;基于衬底层材料的完整性来提高少子寿命,从而保证少子在衬底层上的通过能力,提高电池的电池效率。
附图说明
图1为本申请实施例中一种P型硅的太阳能电池的主视向结构示意图;
图2为本申请实施例中另一种P型硅的太阳能电池的主视向结构示意图。
附图标记:1、衬底层;2、扩散层;3、钝化层;4、电子收集层;5、空穴收集层;6、减反射层;7、金属电极。
具体实施方式
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
一种P型硅的太阳能电池的制备方法,所述制备方法包括:
S1,对P型硅材质的衬底层1清洗、制绒;制绒的目的是在衬底层1表面形成绒面,以减少电池片的反射率,绒面凹凸不平可以增加二次反射,改变光程及入射方式。通常情况下用碱处理单晶,可以得到金字塔状绒面;用酸处理多晶,可以得到虫孔状无规则绒面。
具体的,制绒后使得衬底层1的上下两端面分别为粗糙纹理结构。具体的粗糙纹理结构可以是波浪状样式、金字塔或倒金字塔样式以增加表面积,同时降低入射光的反射。
S2,在清洗并制绒后的衬底层1的下端面进行磷扩散,以形成扩散层2;所述扩散层2和衬底层1之间构成一PN结,且所述PN结设置在衬底层1的下侧面;磷扩散工艺在850-900°的温度下进行,以使使得衬底层1的下部因扩散构成扩散层2,且基于P型衬底层1和N型扩散层2构建出PN结。
关于磷扩散具体采用POCl3,POCl3为液态磷源,液态磷源扩散具有生产效率较高、稳定性好、制得PN结均匀平整及扩散层2表面良好等优点。
S3,在磷扩散之后,去除磷扩散过程中形成的PSG(磷硅玻璃);在去除PSG后,在进行清洗操作。
关于PSG的形成过程,具体如下:在采用POCl3后,POCl3在大于600℃的条件下分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),PCl5对硅片表面有腐蚀作用,当有氧气O2存在时,PCl5会分解成P2O5且释放出氯气,所以扩散通氮气的同时通入一定流量的氧气。P2O5在扩散温度下与硅反应,生成二氧化硅和磷原子,生成的P2O5淀积在硅片表面与硅继续反应生成SiO2和磷原子,并在硅片表面形成磷-硅玻璃(PSG)。
S4,在去除PSG之后,对衬底层1的上端面和扩散层2的下端面进行表面钝化处理,以形成钝化层3。钝化层3具体为第一钝化层和第二钝化层,分别设置在衬底层1上端面上,和衬底层1下部的扩散层2的下端面上。基于研究,第一钝化层的最优厚度值小于第二钝化层的最优厚度值,但同时进行两端面的表面钝化时,很难达到两层钝化层3差异化生长的目的,一般是将第一钝化层和第二钝化层的厚度制备成一致。
S5,在位于衬底层1下侧的钝化层3上进行in-situ掺杂沉积,以形成N型非晶硅层;当然利用先沉积本征硅,再磷扩散工艺/离子注入也可行。
具体的N型非晶硅层加工工艺可以是利用PECVD设备,放入硅烷和掺杂源(磷),磷烷在反应气体中的浓度为1-2%左右,形成N型非晶硅层;需要说明的是后续可以对N型非晶硅层进行高温退火从而转化为N型多晶硅层。
S6,在位于衬底层1上侧的钝化层3上进行in-situ掺杂沉积,以形成P型非晶硅层;当然利用先沉积本征硅,再硼扩散工艺/离子注入也可行;具体的加工方式和S5中的方式相同,区别在于用磷还是硼。
关于N型非晶硅层/P型非晶硅层的形成方式,可以使用平板式PECVD设备或炉管式PECVD设备,具体操作时将经过钝化后的半成品电池平行放置在设备的电极上,以单面形成N型非晶硅层/单面形成P型非晶硅层。此外,先用LPCVD先双面形成,后用刻蚀/腐蚀的方式将不需要的一侧面的非晶硅层去除。
需要说明的是S5和S6没有特定的先后顺序,可以先做S5,再做S6;也可以是先做S6,再做S5。
S7,在N型非晶硅层和P型非晶硅层之外沉积形成减反射层6,减反射层6可以是SixNy薄膜。具体的,太阳光在硅表面的反射损失率高达35%左右。减反射膜可以提高电池片对太阳光的吸收,减少太阳光的反射,有助于提高光生电流,进而提高转换效率:另一方面,薄膜中的氢对电池表面的钝化降低了发射结的表面复合速率,减小暗电流,提升开路电压,提高光电转换效率。H能与硅中的缺陷或杂质进行反应,从而将禁带中的能带转入价带或者导带。
具体SixNy薄膜的加工方式,可以是将半成品电池片放入PECVD的石墨舟中,在真空环境下及400摄氏度的温度下,通过对石墨舟的导电,使N型非晶硅层和P型非晶硅层之外沉积。
关于S5、S6以及S7的工步顺序:可以是做完S5之后进行S7,以做出N型非晶硅层外侧的减反射层6;然后接S6,最后再做一次S7形成P型非晶硅层外侧的减反射层6。同理,将S5和S6的顺序颠倒之后以两次S7的方式也可以。当然做完S5、S6,最后一次性做S7,形成两层减反射层6的方案最优。
S8,在N型非晶硅层和P型非晶硅层外的减反射层6上印刷形成金属电极7。
S9,在印刷金属电极7之后,对半成品电池进行高温烧结;使得金属电极7固化,并使得N型非晶硅层和P型非晶硅层转化为poly-Si(n)层和poly-Si(p)层。
高温烧结是把印刷到电池片表面的金属电极7在高温下烧结,使金属电极7和硅片本身形成欧姆接触,提高电池片的开路电压和填充因子,使金属电极7的接触具有欧姆特性以达到高转效率。且在金属电极7高温烧结的同时,N型非晶硅层和P型非晶硅层都会进行转化,由非晶硅转化为多晶硅,以形成电子收集层4和空穴收集层5。
在另一个实施例中,将空穴收集层5从poly-Si(p)层优化为Al2O3层,以避免poly-Si(p)层对太阳光的吸收,提高光生载流子在入射面的浓度。具体得,是对S6步骤做改动,修改为:
S6,在位于衬底层1上侧的钝化层3上进行沉积,以形成Al2O3层;Al2O3层的沉积技术可采用如PECVD、高速空间ALD技术以及反应性溅射技术。
此外,由于空穴收集层5从poly-Si(p)层优化为Al2O3层,在S8-9步骤中,上侧的金属电极7连接在硅衬底上,通过高温烧结,使得金属电极7和硅衬底形成欧姆结触,并使得N型非晶硅层转化为poly-Si(n)层。
第一钝化层除了上述材料外,也可以采用氧化铝来充当,采用氧化铝的钝化方式是电场钝化;且当第一钝化层和空穴收集层5都可以设置为氧化铝,在具体制备方案的步骤上可以进一步简化,S4的钝化层3和S6的Al2O3层可以更优组合,即先在S4中为扩散层2的下端面进行单面钝化;然后在S6中为衬底层1的上端面进行Al2O3层的制备;这样的制备方法,优点在于,可以独立控制PN结两侧的第一钝化层的厚度和第二钝化层的厚度,使得第一钝化层厚度和第二钝化层厚度可以制备成各自的最优厚度,达到第一钝化层的厚度小于第二钝化层的厚度的最优方案。
基于上述的制备方法,可制备得到一结构新颖的太阳能电池,具体如下:
一种P型硅的太阳能电池,参考说明书附图1和2,所述太阳能电池包括:衬底层1、扩散层2、钝化层3、电子收集层4、空穴收集层5、减反射层6以及金属电极7;其中,扩散层2设置在衬底层1的下端面(即电池的背面)以构成一PN结,钝化层3分有两层且分别设置在PN结的上下两端面,电子收集层4设置在下方的钝化层3上,而空穴收集层5设置在上方的钝化层3上,金属电极7分为正负两组金属电极7分别连接PN结的两侧,且在电子收集层4和空穴收集层5上设置有一减少入射光反射的减反射层6。
衬底层1,所述衬底层1具体为一掺杂有镓的P型硅衬底。在本申请中,PN结在背面(即扩散层2形成在衬底层1的下端面),入射光面的光生载流子浓度最高,对应的少子是电子,需要扩散更长的距离(入射光面向下到PN结的距离)才能被收集,因此,本申请中的电池结构需要更高的少子寿命,而为了保证少子寿命,优选提高衬底层1的材料完整性,将镓的掺杂浓度限定在小于7.1x1015cm-3,同时,衬底层1的电阻率需大于2.0Ω.cm;更进一步的,镓的掺杂浓度小于4.6x1015cm-3,衬底层1的电阻率需大于3.0Ω.cm。
关于衬底层1的少子寿命说明,现有技术中,由于PN结在前面(即扩散层2形成在衬底层1的上端面),光从PN结入射,产生的载流子对应少子更容易被收集,因此对衬底层1的少子寿命要求低。比如PERC使用P型硅片,光从PN结处入射,靠近PN结处有更多的光生载流子,电子是少子,扩散距离短,更容易收集。
扩散层2,所述扩散层2为一由磷扩散工艺制备的N型硅层;所述扩散层2设置在衬底层1的下端面,且所述扩散层2和衬底层1构建成一PN结;关于PN结受光线作用时,基于光生伏特效应使得P型的衬底层1和N型的扩散层2上产生电动势,通过上下两端的金属电极7对外输出载流子,以形成电流。
采用P型硅片作为电池的核心材料,并在衬底层1上进行磷扩散工艺构建扩散层2,避免在制备电池时采用难度高的硼扩散工艺;具体的硼扩散工艺需要在1000°的高温环境下进行,而本申请中采用的磷扩散工艺只需要850-900°的扩散温度。此外,磷扩散工艺的优点还包括无光衰减问题;如若采用硼扩散工艺,PN结中有硼,光照或电流注入会导致硼和氧形成硼氧(B-O)复合体。硼氧复合体是一种亚稳态缺陷,形成了复合中心,从而降低了少数载流子寿命,导致太阳电池及组件在光照过程中引起的功率衰减现象。
钝化层3,所述钝化层3设置在所述PN结的上下两个端面,即钝化层3设置有两层,第一层钝化层设置在衬底层1的上端面,第二层钝化层设置在扩散层2的下端面;钝化层3的材质具体为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或是上述两种或多种材质的复合体。示例性的,本申请中钝化层3的材质为氧化硅,钝化层3的厚度小于除此之外,第一钝化层除了上述材料外,还可以采用氧化铝,采用氧化铝时,即第一钝化层和空穴收集层5都可以设置为氧化铝,在具体制备方案的步骤上可以进一步简化,将第一钝化层的制备和空穴收集层5的制备结合在用一步骤中,减短制备所需的工步,优化电池的结构。
空穴收集层5,所述空穴收集层5设置在在PN结上方的钝化层3上侧;空穴收集层5具体为poly-Si(p)层或Al2O3层;空穴收集层5为poly-Si(p)层时,参考说明书附图1,空穴收集层5的厚度小于且位于PN结上侧的正金属电极7连接在空穴收集层5上;或者,空穴收集层5为Al2O3层时,参考说明书附图2,空穴收集层5的厚度小于为超薄薄膜,且位于PN结上侧的正金属电极7经过高温烧结以扩散延伸连接在衬底层1上。
关于poly-Si(p)层和Al2O3层的同异点,poly-Si(p)层提供带负电的离子(掺硼离化后产生),Al2O3层提供带负电的缺陷。两者对单晶硅层光生空穴效果一样,收集空穴。使用poly-Si(p)层的缺点是会吸收一部分入射光,但优点是工艺设备不需要引入Al2O3制备的设备,降低对制备设备的需求,如不需要ALD设备。
金属电极7,用于对外传输电流;金属电极7设置有上下两组,以作为正金属电极和负金属电极,位于PN结下侧的负金属电极连接在电子收集层4上;所述空穴收集层5为poly-Si(p)层时,位于PN结上侧的正金属电极连接在空穴收集层5上;或者,所述空穴收集层5为Al2O3层时,位于PN结上侧的正金属电极经过高温烧结以扩散延伸连接在衬底层1上。金属电极7具体为金、银、铜、铝或钛材质的金属或合金,具体制造时采用印刷,高温烧结来形成金属电极7。
减反射层6,用于减少入射光的反射,增加入射光。在本申请中,减反射层6设置在电子收集层4和空穴收集层5之外;减反射层6的材质具体为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或折射率低于2.5的透明材料。在一个实施例中,第一减反射层可以设置成波浪状,降低入射光的反射。
技术效果:
1、本申请实施例中,采用P型硅作为衬底层1,以便于扩散层2可以用磷扩散工艺做N型扩散层2,一是避免使用硼扩散工艺,工艺温度的要求从1000°降低到850-900°,降低了对工艺温度的要求;二是避免B-O键的形成,避免电池片功率衰减;解决了现有技术中N型TOPCon电池的电池成本高,且需要硼扩散工艺的技术问题;达到降低电池成本,且避免使用硼扩散工艺的技术效果。
2、本申请实施例中,PN结放置在背面,远离入射光,降低了空间电荷区对光生载流子的影响,增加载流子的收集;且因为使用P型硅衬底,入光面可以使用Al2O3作为空穴收集层5,降低光的吸收;避开使用P型多晶硅作为空穴收集层5带来的高温扩散或退火对硅衬底的影响,具体可以避免氧进入衬底层1。
3、本申请实施例中,限定衬底层1的掺镓浓度(掺硼也可),以保证材料的完整性;同理,限定衬底层1的电阻率,来控制材料的完整性;基于衬底层1材料的完整性来提高少子寿命,从而保证少子在衬底层1上的通过能力,提高电池的电池效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作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范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种P型硅的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
对P型硅材质的衬底层清洗、制绒;
在清洗并制绒后的衬底层的下端面进行磷扩散,以形成扩散层;所述扩散层和衬底层之间构成一PN结,且所述PN结设置在衬底层的下侧面;
在磷扩散之后,去除磷扩散过程中形成的PSG;
在去除PSG之后,对衬底层的上端面和扩散层的下端面进行表面钝化处理,以形成钝化层;
在位于衬底层下侧的钝化层上进行in-situ掺杂沉积,以形成N型非晶硅层;
在位于衬底层上侧的钝化层上进行in-situ掺杂沉积,以形成P型非晶硅层;
在N型非晶硅层和P型非晶硅层之外沉积形成减反射层;
在N型非晶硅层和P型非晶硅层外的减反射层上印刷形成金属电极;
在印刷金属电极之后,对半成品电池进行高温烧结,使得金属电极和硅形成金属硅化物;并使得N型非晶硅层和P型非晶硅层转化为poly-Si(n)层和poly-Si(p)层。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:在对位于衬底层下侧的钝化层进行in-situ掺杂硅沉积时,将经过钝化后的半成品电池平行放置在平板式PECVD设备或炉管式PECVD设备的电极上,使得衬底层下侧的钝化层处于外露状态;
且在对位于衬底层上侧的钝化层进行in-situ掺杂硅沉积时,将经过钝化后的半成品电池平行放置在平板式PECVD设备或炉管式PECVD设备的电极上,使得衬底层上侧的钝化层处于外露状态。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,形成N型非晶硅层和形成P型非晶硅层的步骤互换顺序。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有镓,且镓的掺杂浓度小于7.1x1015cm-3。
7.如权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有硼。
8.一种P型硅的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
在位于衬底层上侧的钝化层上进行沉积,以形成Al2O3层;
在N型非晶硅层和Al2O3层之外沉积形成减反射层;
在N型非晶硅层和Al2O3层外的减反射层上印刷形成金属电极;
在印刷金属电极之后,对半成品电池进行高温烧结,使得金属电极和硅形成金属硅化物;并使得N型非晶硅层转化为poly-Si(n)层。
10.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述衬底层的电阻率大于2.0Ω.cm,且所述衬底层中掺杂有镓或硼。
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