CN115483298A - 一种N型晶体硅TOPCon电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N型晶体硅TOPCon电池结构及其制备方法，结构包括硅衬底、正面金属电极、背面金属电极，以及沿所述硅衬底正面方向依次设置正面选择性发射极、正面减反钝化层，沿所述硅衬底背面方向依次设置TOPCon钝化接触结构、背面选择性发射极、背面减反钝化层。制备方法包括图形化激光掺杂处理、链式高温推结和刻蚀等步骤。本发明硅衬底正面具备选择性发射极结构，背面具备TOPCon钝化接触结构和选择性发射极结构，TOPCon钝化接触结构加双选择性发射极结构结合，可明显降低正背面的金属接触电阻及光生载流子在电池正背面的复合损失，提升开路电压和填充因子，有效地提升电池转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种N型晶体硅电池结构及制作方法，特别涉及一种N型晶体硅TOPCon电池结构及其制备方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池近年来得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前晶体硅太阳能电池占太阳能电池市场总额的八成以上。在晶体硅太阳能电池中，TOPCon钝化接触电池是新型高转换效率电池，转换效率可达到24％，与常规产线兼容性较好，其钝化接触层对n+面提供了良好的表面钝化，极大地降低了金属接触复合，提高电池的开路电压及短路电流。而选择性发射极结构（SE,Selective Emitter）也可以有效降低N型晶体硅电池正背面金属与硅基体的接触电阻，同时降低金属栅线下P+区域的J0,met，提高电池的开路电压和填充因子，从而提高N型晶体硅电池转换效率。
当前行业问题在于：第一，现有技术的量产N型晶体硅TOPCon电池结构，由于背面磷扩散的金属栅线与N+层接触电阻（Rs）偏大、填充因子（FF）偏低，背面钝化、电池开路电压（Uoc）偏低等一系列瓶颈，因此选择性发射极结构是解决上述问题的思路之一；第二，目前行业内的磷掺杂普遍使用三氯氧磷做为磷掺杂剂进行高温管式扩散，该掺杂剂危险系数较高，同时高温扩散设备比较昂贵且能耗较高。综上所述，克服以上缺陷，设计高效的N型晶体硅TOPCon电池结构及其制备是现今重要的行业问题。
发明内容
本发明为了有效地解决以上技术问题，方案一，提供了一种N型晶体硅TOPCon电池，包括硅衬底，沿所述硅衬底正面方向依次设置正面选择性发射极、正面减反钝化层，沿所述硅衬底背面方向依次设置TOPCon钝化接触结构、背面选择性发射极、背面减反钝化层；还包括，与所述正面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的正面金属电极，以及与所述背面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的背面金属电极。
优选的，所述正面选择性发射极包括P+层和位于所述P+层金属化区域的P++层，所述P++层为激光SE结构的图形化P++层，所述P++层的图形与所述正面金属电极的印刷图形相对应，所述P++层和所述P+层为所述正面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区。
优选的，所述背面选择性发射极包括N+层和位于N+层金属化区域的所述N++层，所述N++层为激光SE结构的图形化N++层，所述N++层的图形与所述背面金属电极的印刷图形相对应，所述N++层和所述N+层为所述背面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区。
优选的，所述TOPCon钝化接触结构为隧穿氧化层（Tunnel Oxide）加掺杂多晶硅层。
优选的，所述正面减反钝化层为氧化铝层和正面氮化硅层相叠，为沿所述硅衬底方向依次形成的所述氧化铝层和所述正面氮化硅层；所述背面减反钝化层为背面氮化硅层。
方案二，本发明提供了一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，用于制备方案一及其优选方案的N型晶体硅TOPCon电池，按照以下步骤进行：
步骤一：选择N型晶体硅硅片作为所述硅衬底，进行制绒清洗，清洗可以使用不限于碱液的溶剂；
步骤二：对制绒后的所述硅衬底正面使用含硼掺杂源形成硼扩散层，以制备所述P+层，所述P+层为高表面浓度的P+层；
步骤三：在所述P+层金属化区域进行图形化激光掺杂，制备图形化的所述P++层，所述P++层的图形与所述正面金属电极印刷图形相对应，形成所述正面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区，此时所述硅衬底表面边缘由于硼扩散生成硼硅玻璃（BSG）且所述P++层之外未覆所述含硼掺杂源的区域由于硼挥发而形成轻掺杂层，进而去除位于边缘的硼硅玻璃及表面由于所述含硼掺杂源中的硼挥发形成的所述轻掺杂层，从而形成所述正面选择性发射极；
步骤四：对所述硅衬底背面制备所述TOPCon钝化接触结构，所述TOPCon钝化接触结构即作为所述N+层；
步骤五：对所述N+层进行含磷扩散源的涂覆，对涂覆完所述含磷扩散源的所述N+层进行图形化激光掺杂，以制备图形化的所述N++层，所述N++层的图形与所述背面金属电极印刷图形相对应，形成所述背面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区，此时所述硅衬底表面边缘生成磷硅玻璃（PSG）；
步骤六：去除正面绕镀、位于所述硅衬底边缘磷扩散形成的磷硅玻璃及正面所述含磷扩散源，从而形成所述背面选择性发射极；
步骤七：在所述N型晶体硅硅片正面和背面分别镀膜，以形成所述正面减反钝化层和所述背面减反钝化层，可以为氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiOXNy）、氧化铝（Al2O3）薄膜中的一种或者多种叠加。
步骤八：印刷所述正面金属电极和所述背面金属电极，烧结，所述印刷可为丝网印刷。
优选的，步骤四为制备所述隧穿氧化层和所述掺杂多晶硅层（Poly-Si）。
优选的，制备所述隧穿氧化层，为在所述硅衬底背面利用硝酸氧化法、高温热氧化法、臭氧氧化法、或低压化学气相沉积法(LPCVD)形成超薄氧化硅层。
优选的，在所述隧穿氧化层的表面制备所述掺杂多晶硅层，以形成N+层，制备所述掺杂多晶硅层方法不限于PECVD法、LPCVD法。
优选的，所述掺杂多晶硅层为掺杂薄膜多晶硅层，厚度控制在120-180nm。
优选的，所述步骤五具体包括，
第一步：对所述N+层上进行所述含磷扩散源的涂覆；
第二步：对所述N+层进行图形化激光掺杂；
第三步：对激光掺杂后的所述N+层进链式高温扩散炉，在所述链式高温扩散炉内注入氧气，进行高温推结、氧化处理后，完成掺杂，形成所述N++层。
优选的，所述第一步中，所述含磷扩散源的涂覆，可以通过不限于旋涂、滚涂、喷涂等方式进行。
优选的，所述第二步中，进行所述图形化激光掺杂的激光波长为355nm-1064nm，进行所述图形化激光掺杂的激光图形与所述N型晶体硅TOPCon电池的所述背面金属电极的图形保持一致，激光细栅线宽度为50-80um。
优选的，使用的所述激光为皮秒激光器，功率控制在25-35W，大小30-45um。
本发明的有益效果是：
（1）本发明提供了一种N型晶体硅TOPCon电池结构，其选择性发射极结构可有效降低金属栅线与重掺杂区（P++区、N++区）接触电阻，有效地降低重掺杂区的金属J0，提升电池的填充因子（FF）；轻掺杂区与重掺杂区可构成明显电势差，有效提升电池的开路电压（Uoc）。
（2）本发明的N型晶体硅Topcon(Tunnel Oxide Passivated Contact)电池结构，接触性能良好，电池效率极限28.7%，最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。其背面的隧穿氧化层+掺杂多晶硅层共同形成了良好的钝化接触结构，可有效将金属与硅接触面的复合降至10fA/cm2以下。
（3）本发明结合了正背面双选择性发射极和TOPCon钝化接触结构，有效提升了载流子收集能力，提升开路电压（Uoc），提升电池的短路电流（Isc）。其中，隧穿氧化层减少复合损失，提升少子寿命；掺杂多晶硅层减少了金属接触复合，良好的接触有效提升了开路电压、填充因子，从而提高转换效率；选择性发射极的轻掺杂区可以进行良好的表面钝化，降低载流子的表面复合几率，从而减少电池的反向饱和电流，另外越靠近电池表面，光生载流子的产生率越高，所以轻掺杂区可以在高载流子产生率的区域获得高收集率，从而提升电池的短路电流（Isc）；电极下的在此区域形成的重掺杂区容易形成欧姆接触，从而降低电池的串联电阻，提升电池的填充因子（FF）。
（4）本发明提供了一种选择性发射极的制备方法，使用含硼扩散源、含磷扩散源、激光掺杂和链式高温扩散等方式制备选择性发射极，采用刻蚀的方式去除双面选择性发射极的高表面浓度层，形成低表面浓度层，以形成重掺杂区和轻掺杂区。相比丝网印刷套印，本发明实现方式简单、操作方便，且工艺控制容易，对于本方案电池的扩散表面浓度、PN结深度控制、精度更高、制程控制更容易，方便实现选择性掺杂。
（5）本发明提供了一种N型晶体硅TOPCon太阳能电池制备方法，利用选择性发射极结构与TOPCon电池结构的优势，将两者融合于N型晶体硅双面电池制备流程中，可以最大化地有效提升开路电压、填充因子及转换效率，并且能够快速地融入N型晶体硅太阳能电池的量产中，起到快速提效的作用。
附图说明
为了更好地表达本发明的技术方案，下面将对本发明的进行附图说明：
图1 N型晶体硅TOPCon电池结构示意图；
图2 N型晶体硅TOPCon电池制作工艺流程图；
图3 实施例一性能对比图；
附图标号说明：1、硅衬底，2、正面金属电极，3、P+层，4、氧化铝层，5、正面氮化硅层，6、P++层，7、隧穿氧化层，8、掺杂多晶硅层，9、背面氮化硅层，10、背面金属电极，11、N++层。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“正面”、“背面”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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发明的限制。
实施例一参阅图1，一种N型晶体硅TOPCon电池，包括硅衬底1，沿硅衬底1正面方向依次设置正面选择性发射极、正面减反钝化层，沿硅衬底1背面方向依次设置TOPCon钝化接触结构、背面选择性发射极、背面减反钝化层；还包括，与所述正面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的正面金属电极2，以及与所述背面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的背面金属电极10。减反钝化层可以为氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiOXNy）、氧化铝（Al2O3）薄膜中的一种或者多种叠加组成。本实施例中，正面减反钝化层，为氧化铝层4和正面氮化硅层5相叠，即沿硅衬底1方向依次形成的氧化铝层4和正面氮化硅层5；背面减反钝化膜层为背面氮化硅层9。
正面选择性发射极包括P+层3和位于P+层3金属化区域的P++层6，P++层6为激光SE结构的图形化P++层，本实施例P++层6位于正面金属电极2正下方，即P++层6更靠近硅衬底1，P++层6的图形与正面金属电极2的印刷图形相对应，P++层6和P+层3为正面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区。背面选择性发射极包括N+层和位于N+层金属化区域的N++层11，TOPCon钝化接触结构即为N+层，为隧穿氧化层7加掺杂多晶硅层8。本实施例中掺杂多晶硅层8为掺杂薄膜多晶硅层，厚度控制在120-180nm。N++层11为激光SE结构的图形化N++层，本实施例N++层11位于背面金属电极10正下方，即N++层11更靠近硅衬底1，N++层11的图形与背面金属电极10印刷图形相对应，N++层11和N+层为背面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区。本实施例正面金属电极2和背面金属电极10的印刷图形可采用等宽栅线形。正面金属电极2采用银铝浆，背面金属电极10采用银浆。
本发明的N型晶体硅TOPCon电池结构具有TOPCon钝化接触结构，正面背面还都具备选择性发射极，这样的结构可明显降低正背面的金属接触电阻及光生载流子在电池正背面的复合损失、提升开路电压和填充因子，有效地提升电池转换效率。实验效果参阅图3，实验组是本发明的TOPCon电池性能，对比组是目前普遍使用的Topcon电池性能。由图3可知，本发明的N型晶体硅TOPCon电池，开路电压和填充因子都有明显提升。
实施例二参阅图2，一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，用于制备实施例一的N型晶体硅TOPCon电池，按照以下步骤进行：
步骤一：选用N型单晶硅片作为硅衬底1进行制绒清洗，N型单晶硅片的规格尺寸可视实际应用场景而定。本实施例选用电阻率0.5-1.1 Ohm.cm、厚度160-170um的N型单晶硅片，本实施例可使用规格尺寸182mm*182mm硅片，使用碱液制绒的常规方式进行制绒清洗，制备形成金字塔绒面，碱液可以选择氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
步骤二：对制绒后的硅衬底1正面进行含硼掺杂源形成硼扩散层，以制备的P+层3，本实施例P+层3为高表面浓度的P+层。
步骤三：在P+层3金属化区域进行图形化激光掺杂形成P++层6，本实施例还可以使用刻蚀处理，图形化P++层6的图形与正面金属电极2印刷图形相对应，形成正面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区，此时硅衬底1表面边缘由于硼扩散生成硼硅玻璃，且P++层6之外未覆所述含硼掺杂源的区域由于硼挥发而形成轻掺杂层，进而去除位于硅衬底1边缘的硼硅玻璃及表面由于所述含硼掺杂源中的硼挥发形成的所述轻掺杂层，形成正面选择性发射极。
步骤四：本实施例对硅衬底1背面制备所述TOPCon钝化接触结构；即制备隧穿氧化层7和掺杂多晶硅层8，隧穿氧化层7，为在硅衬底1背面利用硝酸氧化法、高温热氧化法、臭氧氧化法、或低压化学气相沉积法(LPCVD)形成超薄氧化硅层；在隧穿氧化层7的表面制备掺杂多晶硅层8，制备掺杂多晶硅层8方法可以使用PECVD法、LPCVD法，也可以使用行业内已知的其他方法。形成的所述TOPCon钝化接触结构即作为N+层。
步骤五：对N+层进行含磷扩散源的涂覆，对已涂覆所述含磷扩散源的N+层进行图形化激光掺杂，以制备图形化的N++层11，N++层的图形与背面金属电极10印刷图形相对应，形成背面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区，步骤五具体分为以下三步：
第一步：在N+层上进行整面所述含磷扩散源的涂覆，本实施例所述含磷扩散源通过简单的旋涂、滚涂、喷涂等方式进行，也可通过其他方式进行；
第二步：对已涂覆所述含磷扩散源的N+层进行图形化激光掺杂，本实施例中进行所述图形化激光掺杂的激光波长为355nm-1064nm，进行所述图形化激光掺杂的激光图形与背面金属电极10图形保持一致，激光细栅线宽度为50-80um；本实施例使用了皮秒激光器，功率控制在25-35W，光斑大小30-45um，本实施例使用的所述含磷扩散源进行激光掺杂的方式较之常规高温管式扩散更加方便、可控和安全；
第三步：对激光掺杂后的N+层进链式高温扩散炉，在所述链式高温扩散炉内注入氧气、进行高温推结、氧化处理后，完成掺杂，形成N++层11，链式高温推结的目的是制备N++层11所需的表面浓度及结深，此时硅衬底1表面边缘生成磷硅玻璃。激光掺杂处理和链式高温推结的结合，能够更轻松且可控地获得N++层11所需的表面浓度及结深，从而制备出高质量的选择性发射极结构。
步骤六：去除正面绕镀、硅衬底1表面边缘磷扩散形成的磷硅玻璃（PSG）及正面所述含磷扩散源，形成所述背面选择性发射极。本实施例可通过刻蚀去除，正面绕镀包括硼硅玻璃、掺杂多晶硅层、磷硅玻璃，可通过酸洗配合碱洗方式进行去除。
步骤七：在所述N型晶体硅硅片正面和背面上分别镀膜，形成所述正面减反钝化层和所述背面减反钝化层，本实施例具体方式为，在P+层3的表面沉积氧化铝（Al2O3），形成氧化铝层4，再在氧化铝层4的表面沉积氮化硅（SiNx），形成正面氮化硅层5，在N+层的表面沉积氮化硅（SiNx），形成背面氮化硅层9。减反钝化膜也可以为氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiOXNy）、氧化铝（Al2O3）薄膜中的一种或者多种叠加。
步骤八：丝网印刷正面金属电极2和背面金属电极10，烧结。
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。
Claims (10)
1.一种N型晶体硅TOPCon电池，其特征在于，包括硅衬底，沿所述硅衬底正面方向依次设置正面选择性发射极、正面减反钝化层，沿所述硅衬底背面方向依次设置TOPCon钝化接触结构、背面选择性发射极、背面减反钝化层；还包括，与所述正面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的正面金属电极，以及与所述背面选择性发射极形成欧姆接触的立体化的背面金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种N型晶体硅TOPCon电池，其特征在于，所述正面选择性发射极包括P+层和位于所述P+层金属化区域的图形化P++层，所述P++层的图形与所述正面金属电极印刷图形相对应。
3.根据权利要求1所述的一种N型晶体硅TOPCon电池，其特征在于，所述背面选择性发射极包括N+层和位于N+层金属化区域的图形化N++层，所述N++层的图形与所述背面金属电极印刷图形相对应。
4.根据权利要求1所述的一种N型晶体硅TOPCon电池，其特征在于，所述TOPCon钝化接触结构为隧穿氧化层加掺杂多晶硅层。
5.根据权利要求1所述的一种N型晶体硅TOPCon电池，其特征在于，所述正面减反钝化层为氧化铝层和正面氮化硅层相叠，为沿所述硅衬底方向依次形成的所述氧化铝层和正面氮化硅层；所述背面减反钝化层为背面氮化硅层。
6.一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5中任一项的N型晶体硅TOPCon电池，按照以下步骤进行：
步骤一：选择N型晶体硅硅片作为所述硅衬底，进行制绒清洗；
步骤二：对制绒后的所述硅衬底正面利用含硼掺杂源形成硼扩散层，以制备所述P+层；
步骤三：在所述P+层的金属化区域进行图形化激光掺杂形成所述P++层，所述P++层的图形与所述正面金属电极印刷图形相对应，形成所述正面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区；
步骤四：对所述硅衬底背面制备所述TOPCon钝化接触结构，所述TOPCon钝化接触结构即作为所述N+层；
步骤五：对所述N+层进行含磷扩散源的涂覆，对涂覆完所述含磷扩散源的所述N+层进行图形化激光掺杂，以制备图形化的所述N++层，所述N++层的图形与所述背面金属电极印刷图形相对应，形成所述背面选择性发射极的重掺杂区和轻掺杂区；
步骤六：去除所述硅衬底边缘磷扩散形成的磷硅玻璃及正面所述含磷扩散源，形成所述背面选择性发射极；
步骤七：在所述N型晶体硅硅片正面和背面分别镀膜，以形成所述正面减反钝化层和所述背面减反钝化层；
步骤八：印刷所述正面金属电极和所述背面金属电极，烧结。
7.根据权利要求6所述的一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，其特征在于，步骤四中所述N+层为隧穿氧化层加掺杂多晶硅层，所述掺杂多晶硅层为掺杂薄膜多晶硅层，厚度为120-180nm。
8.根据权利要求6所述的一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，其特征在于，所述步骤五具体包括，
第一步：对所述N+层上进行所述含磷扩散源的涂覆；
第二步：在所述N+层上进行图形化激光掺杂；
第三步：对激光掺杂后的所述N+层进链式高温扩散炉，在所述链式高温扩散炉内注入氧气，进行高温推结、氧化处理后，完成掺杂，形成所述N++层。
9.根据权利要求8所述的一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，其特征在于，所述第二步中，进行所述图形化激光掺杂的激光波长为355nm-1064nm，进行所述图形化激光掺杂的激光图形与所述背面金属电极的图形保持一致，激光细栅线宽度为50-80um。
10.根据权利要求9所述的一种N型晶体硅TOPCon电池制备方法，其特征在于，使用的所述激光为皮秒激光器，功率控制在25-35W，光斑大小30-45um。
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