CN115642198A - 钝化接触太阳能电池的热处理方法、热处理装置、制备方法及钝化接触太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法、热处理装置、制备方法及钝化接触太阳能电池，所述的热处理方法包括：对电池片依次交替进行升温热处理和降温热处理，各段升温热处理的峰值温度逐级下降。本发明通过连续的升温和降温实现了氢钝化效果，可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减，完全可以替代常规工艺中的氢钝化处理。
Description
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，涉及一种钝化接触太阳能电池的热处理方法、制备方法及钝化接触太阳能电池。
背景技术
光致衰减(Light Induced Degradation，LID)简称光衰，是指太阳能电池及组件在光照过程中引起的功率衰减现象。通过在一定的工艺条件下，对太阳能电池片进行钝化，通过钝化晶硅电池内部缺陷，减少复合中心，可有效地提升了光伏电池的转换效率，并有效降低晶硅电池的光致衰减及热辅助衰减，提升了光伏系统生命周期内的发电量，最终有助于降低光伏系统投资。
另一方面，随着产业技术的不断进步以及平价上网的需求，人们不断探索和发展各类高效率晶体硅电池技术。其中，TOPCon(隧穿氧化层钝化接触Tunnel OxidePassivating Contacts)电池是业界公认的高效太阳能电池之一，其通过在硅片背面制备出一层极薄氧化硅层，并在磷掺杂后形成微晶非晶混合Si薄膜，经高温退火激活后，形成优异的钝化接触结构。
CN111987182A公开了TOPCon太阳能电池及其制造方法，所述制造方法包括以下步骤：(a)提供用于TOPCon太阳能电池的N型硅片；(b)将所述硅片进行制绒并在其第一面上进行扩散形成PN结；(c)在所述硅片的与第一面相对的第二面上依次形成氧化硅层、微晶硅籽晶层、掺杂非晶硅层或掺杂微晶硅层；(d)将所述硅片进行晶化退火处理使微晶硅和/或非晶硅晶化成多晶硅；(e)在硅片的第一面和第二面上分别形成第一减反钝化膜和第二减反钝化膜；以及(f)在硅片的第一面和第二面上分别形成第一电极和第二电极。
CN110459469A公开了一种太阳能电池的烧结方法、制备方法、太阳能电池和烧结炉。其中，太阳能电池的烧结方法包括：对硅片正表面进行第一次升温处理；对进行了第一次升温处理的硅片正表面进行第二次升温处理；对进行了第二次升温处理的硅片正表面进行保温处理；对进行了保温处理的硅片正表面进行降温处理，以形成太阳能电池；其中第一次升温处理中硅片正表面的升温速率大于第二次升温处理中硅片正表面的升温速率。
CN107863417A公开了一种n型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1、对n型硅基底进行表面织构化及清洗；2、在硅基底正面进行发射极制备；3、进行绝缘处理；4、进行背表面场和背面钝化层的制备；5、正面的钝化及减反射膜制备；6、在正面和背面图形化形成包含导电成分的电极浆料层；7、进行第一热处理过程；8、进行第二热处理过程。
CN108039374A公开了一种n型双面太阳电池的制备方法，对n型硅基底进行去损伤层或织构化处理及清洗处理；在硅基底背面进行发射极的制备；进行绝缘处理；在硅基底正面进行前表面场制备；受光面的钝化及减反射膜制备，以及背面钝化层制备；在正面和背面图形化形成包含导电成分的电极浆料层；进行第一热处理过程；进行第二热处理过程。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钝化接触太阳能电池的热处理方法、热处理装置、制备方法及钝化接触太阳能电池，本发明通过连续的升温和降温实现了氢钝化效果，可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减，完全可以替代常规工艺中的氢钝化处理。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，所述的热处理方法包括：对电池片依次交替进行升温热处理和降温热处理，各段升温热处理的峰值温度逐级下降。
本发明通过连续的升温和降温实现了氢钝化效果，传统的烧结过程包括一个升温降温过程，仅有一个温度峰值，但一次升温过程中，钝化接触太阳电池内的氢离子受高温影响逃逸，所能起到的钝化作用有限；因此本发明在一次升温降温的基础上进行多段升温降温的热处理，此后每一段升温热处理的峰值温度都比前一段低，在这种热处理方式下，可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步的钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化，实现了氢钝化效果，可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减，完全可以替代常规工艺中的氢钝化处理。
需要说明的是，本发明提供的热处理过程没有保温时间，即整个过程的温度持续变化，在温度变化曲线上会出现多个升温热处理过程的峰值和多个降温热处理过程的峰值。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的热处理方法具体包括：对电池片依次进行第一次升温热处理、第一次降温热处理和第二次升温热处理后降至室温。
需要说明的是，室温为本领域技术人员所公知的概念，即20～30℃。
本发明通过多段热处理替换原有方案的氢钝化，通过第一次升温，起到了浆料烧结的作用(与原有制备工艺中的烧结类似)，使浆料与硅片形成良好的欧姆接触，同时，在第一次峰值温度条件下，钝化接触太阳电池内的氢离子受高温影响逃逸，在第一次降温热处理的过程下，由于仍保留了一定的温度条件，剩余的基体内氢离子进行重新分布，对体内缺陷起到一定的钝化作用，但由于第一峰值温度过高，大量氢离子逃逸，所能起到的钝化作用有限；同时，由于钝化接触结构中的多晶硅结构为非晶硅经高温退火晶化形成，其结构中非晶态与晶态并存，降温后的温度不足以使氢离子进入多晶硅层钝化该层内的缺陷；基于此，本发明提出了进行第二次升温，可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步的钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化。第二次的降温热处理过程使得硅基体与多晶硅层内的氢离子进行二次再分布。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的第一次升温热处理的峰值温度高于第二次升温热处理的峰值温度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的第一次升温热处理的峰值温度为760～800℃，例如可以是760℃、765℃、770℃、775℃、780℃、785℃、790℃、795℃或800℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的第一次降温热处理的峰值温度区为200～600℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为350～450℃。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的第二次升温热处理的峰值温度为550～650℃，例如可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃或650℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为590～610℃。
第二方面，本发明提供了一种用于进行第一方面所述的热处理方法的热处理装置，所述的热处理装置包括烧结炉。
第三方面，本发明提供了一种钝化接触太阳能电池的制备方法，所述的制备方法包括：
(1)对硅片表面进行制绒，在硅片表面进行硼扩散并去除背面的硼硅玻璃；
(2)在硅片背面依次沉积背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层；
(3)对硅片正面进行单面清洗，去除正面的磷硅玻璃及多晶硅绕镀；
(4)在硅片正面依次沉积正面钝化薄膜和正面减反层；
(5)在硅片背面沉积背面减反层；
(6)在背面减反层和正面减反层表面通过丝网印刷形成金属栅线得到电池片；
(7)对电池片进行热处理得到所述的钝化接触太阳能电池。
其中，步骤(7)中的热处理采用第一方面所述的热处理方法。
钝化接触太阳能电池的常规制备流程为：清洗制绒—硼扩散—背面清洗，去背面硼硅玻璃—氧化—沉积N型多晶硅—湿法清洗—前后表面介质膜钝化和减反射膜沉积—丝网印刷—烧结—氢钝化；而本发明提供的制备流程为：清洗制绒—硼扩散—背面清洗去除背面硼硅玻璃—氧化—沉积N型多晶硅—湿法清洗—前后表面沉积钝化薄膜和减反层—丝网印刷—热处理。由此可以看出，本发明与常规制备流程的区别在于：取消了传统流程中的氢钝化过程，在烧结端进行新的温度调控，通过热处理对温度场进行处理，利用烧结设备完成了氢钝化过程，减少了一道工艺，节约了氢钝化设备。
需要说明的是，本发明将多段热处理用于钝化接触太阳能电池的制备过程，替换了原有制备过程的氢钝化操作，其作用和效果与氢钝化相同，同样可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减。为了更好地说明本发明将氢钝化替换为多段热处理的优势，特别对氢钝化的作用原理进行说明：
硅晶体中的缺陷包括本征点缺陷外，特别是指晶界、位错以及晶体表面的硅悬挂键等。这些杂质和缺陷成为光生电子-空穴的“杀手”，显著降低了少数载流子的寿命从而降低了太阳能电池的转换效率。
晶体硅中的氢元素对太阳能电池有着重要作用，硅中的氢原子具有很强的反应活性，它能够与轻元素杂质及其复合体反应、与掺杂原子硼磷反应、与过渡金属杂质反应、与硅悬挂键结合，富集在晶体表面、晶界、位错区域；甚至与其他氢原子反应形成氢分子等。因此可以利用氢原子与其他杂质和缺陷的反应来钝化这些复合中心的复合活性，提高硅晶体中少数载流子的寿命。因此，通过氢钝化处理后可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减。
氢钝化过程是指在高温条件下，促使太阳电池钝化层中富集的氢进行移动，氢原子将与太阳电池体内的缺陷态反应形成氢分子，钝化缺陷态的复合性能，大幅度提升太阳电池的光电转换效率。
本发明通过多段热处理替换原有方案的氢钝化，通过第一次升温，起到了浆料烧结的作用(与原有制备工艺中的烧结类似)，使浆料与硅片形成良好的欧姆接触，同时，在第一次峰值温度条件下，钝化接触太阳电池内的氢离子受高温影响逃逸，在第一次降温热处理的过程下，由于仍保留了一定的温度条件，剩余的基体内氢离子进行重新分布，对体内缺陷起到一定的钝化作用，但由于第一峰值温度过高，大量氢离子逃逸，所能起到的钝化作用有限；同时，由于钝化接触结构中的多晶硅结构为非晶硅经高温退火晶化形成，其结构中非晶态与晶态并存，降温后的温度不足以使氢离子进入多晶硅层钝化该层内的缺陷；基于此，本发明提出了进行第二次升温，可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步的钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化。第二次的降温热处理过程使得硅基体与多晶硅层内的氢离子进行二次再分布。
因此，本发明提供的两段式热处理操作完全可以替代原有的氢钝化处理，同时也替代了原有的烧结工艺，这样一来，不仅省去了氢钝化设备，而且只需在现有的烧结炉的基础上适当改造即可实现热处理，设备改造工程量小，改造成本低。
第四方面，本发明提供了一种钝化接触太阳能电池，所述的钝化接触太阳能电池采用第三方面所述的制备方法制备得到。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的太阳能电池包括硅片，所述硅片的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层、背面及减反层和背面金属栅线，所述的背面金属栅线与背面钝化薄膜钝化接触。
作为本发明一种优选的技术方案，所述硅片的正面依次层叠设置有硼扩散层、正面钝化薄膜、正面减反层和正面金属栅线。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过连续的升温和降温实现了氢钝化效果，传统的烧结过程包括一个升温降温过程，仅有一个温度峰值，但一次升温过程中，钝化接触太阳电池内的氢离子受高温影响逃逸，所能起到的钝化作用有限；因此本发明在一次升温降温的基础上进行多段升温降温的热处理，此后每一段升温热处理的峰值温度都比前一段低，在这种热处理方式下，可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步的钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化，实现了氢钝化效果，可以增加短路电流和开路电压，大幅提升钝化接触电池效率且降低光致衰减和热辅助光致衰减，完全可以替代常规工艺中的氢钝化处理。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种电池片的制备方法，所述的制备方法具体包括如下步骤：
(1)对厚度为170μm的N型单晶硅片使用KOH及制绒添加剂进行制绒，并通过RCA清洗进行清洗形成金字塔结构的绒面，绒面反射率为12％；
(2)通过高温扩散的方式在硅片的表面制备一层硼扩散层，硼扩散层的方阻为120Ω/□；
(3)通过HF和HNO3的混合酸洗液将背面形成的硼硅玻璃和边缘多余的硼扩散层刻蚀去除，保留硅片正面的硼扩散层；
(4)通过LPVCD设备在硅片背面沉积生长一层1.5nm厚的SiO2层和120nm厚的n型多晶硅层；
(5)清洗去除多余的n型多晶硅层，并经过RCA清洗；
(6)采用ALD法在硼扩散层表面生长一层10nm厚的氧化铝钝化层；
(7)采用PECVD法在氧化铝钝化层表面依次沉积生长70nm厚的正面氮化硅层；
(8)采用PECVD法在p型多晶硅层表面沉积75nm厚的背面氮化硅层；
(9)在背面氮化硅层和正面氮化硅层表面分别通过丝网印刷形成背面金属栅线和正面金属栅线，正面金属栅线中主栅线的宽度为0.6mm，主栅线的数目为9，副栅线的宽度为35μm，副栅线数为100；背面金属栅线中主栅线的宽度为0.6mm，主栅线的数目为9，副栅线的宽度为35μm，副栅线数为110。
实施例2
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至200℃，再次升温至550℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例3
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至770℃，随后降温至250℃，再次升温至570℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例4
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至780℃，随后降温至300℃，再次升温至600℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例5
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至785℃，随后降温至350℃，再次升温至630℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例6
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至790℃，随后降温至400℃，再次升温至590℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例7
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至800℃，随后降温至600℃，再次升温至650℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例8
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至620℃，再次升温至650℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例9
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至180℃，再次升温至550℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例10
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至200℃，再次升温至600℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
实施例11
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至200℃，再次升温至500℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
对比例1
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片升温至760℃，随后降温至200℃，再次升温至900℃后降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
对比例2
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片进行烧结，烧结过程包括：将电池片送入烧结炉中，升温至760℃随后冷却降至室温，得到钝化接触太阳能电池。
对比例3
本实施例提供了一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，对实施例1制备得到的电池片进行烧结和氢钝化得到所述的钝化接触太阳能电池，其中，烧结过程包括：将电池片送入烧结炉中，升温至760℃随后冷却降至室温；氢钝化过程包括对电池片一次进行三个阶段的电注入，第一阶段：电注入电流为10～12A，电注入时间为300～450s；第二阶段：电注入电流为16～18A，电注入温度为260～285℃，电注入时间为1500～2250s；第三阶段：电注入电流为14～16A，电注入温度为240～275℃，电注入时间为600～900s。
对实施例1-11以及对比例1-3制备得到的钝化接触太阳能电池进行测试，绘制相应的I-V检测图，由图中计算电池的短路电流密度、开路电压和光电转换效率，具体数据见表1。
表1
由表1数据可以看出：
(1)实施例8和实施例9对第一次降温热处理的温度进行了调整，其中，实施例8超出了本申请优选范围的上限，而实施例9超出了本发明优选范围的下限，根据表1数据可以看出，与实施例2相比，实施例8和实施例9的短路电流密度、开路电压和光电转换效率均较低，这是由于，在第一次降温热处理的过程下，由于仍保留了一定的温度条件，剩余的基体内氢离子进行重新分布，对体内缺陷起到一定的钝化作用，但是第一次降温热处理的温度不能过高，否者会导致氢气大量逃逸，而不会进入多晶硅层或硅基体；第一次降温热处理的温度也不能过低，否则会影响第二次升温热处理的钝化效果。
(2)实施例10和实施例11对第二次升温热处理的温度进行了调整，其中，实施例10超出了本申请优选范围的上限，而实施例11超出了本发明优选范围的下限，根据表1数据可以看出，与实施例2相比，实施例10和实施例11的短路电流密度、开路电压和光电转换效率均较低，这是由于，第二次升温热处理可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化；但温度过高会导致氢气逃逸，而不会进入多晶硅层，温度过低则氢气量不足，无法达到钝化效果。
(3)对比例1与实施例2相比，区别在于，对比例1中第二次升温热处理的峰值温度高于第一次热处理的峰值温度，由此造成制备得到的钝化接触太阳能电池的短路电流密度、开路电压和光电转换效率均显著降低，这是由于第一次升温热处理的峰值温度过高，大量氢离子逃逸，所能起到的钝化作用有限，因此在第二次升温热处理过程中则需要控制温度，温度不能过高，否则氢离子会进一步逃逸，无法实现钝化效果。
(4)对比例2与实施例2相比，区别在于，对比例2仅采用了一次升温降温的烧结过程，而实施例2则采用了两次分段热处理，由此造成制备得到的钝化接触太阳能电池的短路电流密度、开路电压和光电转换效率均显著降低。实施例2中第一次升温降温的热处理过程与对比例2的烧结过程相同，在此基础上又增加了第二次的升温降温热处理过程，通过第二次升温降温的热处理过程，可以使得钝化接触结构电池背面富氢氮化硅层中的氢离子进入多晶硅层，进一步的钝化多晶硅层内的缺陷，同时部分氢离子通过多晶硅层及遂穿层进入硅基体，对硅基体缺陷进行进一步的钝化。在第二次降温热处理的过程中，使得硅基体与多晶硅层内的氢离子进行二次再分布。
(5)对比例3与实施例2相比，区别在于，对比例3采用了常规的烧结+氢钝化的处理方案，而实施例2中采用两次分段热处理替代了“烧结+氢钝化”，由表1数据可以看出，采用这两种制备方案制备得到的钝化接触太阳能电池的各项特性相差不大，因此可以认为，采用分段热处理可以代替常规的氢钝化处理。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种钝化接触太阳能电池的热处理方法，其特征在于，所述的热处理方法包括：对电池片依次交替进行升温热处理和降温热处理，各段升温热处理的峰值温度逐级下降。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述的热处理方法具体包括：对电池片依次进行第一次升温热处理、第一次降温热处理和第二次升温热处理后降至室温。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述的第一次升温热处理的峰值温度高于第二次升温热处理的峰值温度。
4.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述的第一次升温热处理的峰值温度为760～800℃。
5.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述的第一次降温热处理的峰值温度为200～600℃，优选为350～450℃。
6.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述的第二次升温热处理的峰值温度为550～650℃，优选为590～610℃。
7.一种用于进行权利要求1-6任一项所述的热处理方法的热处理装置，其特征在于，所述的热处理装置包括烧结炉。
8.一种钝化接触太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
(1)对硅片表面进行制绒，在硅片表面进行硼扩散并去除背面的硼硅玻璃；
(2)在硅片背面依次沉积背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层；
(3)对硅片正面进行单面清洗，去除正面的磷硅玻璃及多晶硅绕镀；
(4)在硅片正面依次沉积正面钝化薄膜和正面减反层；
(5)在硅片背面沉积背面减反层；
(6)在背面减反层和正面减反层表面通过丝网印刷形成金属栅线得到电池片；
(7)对电池片进行热处理得到所述的钝化接触太阳能电池；
其中，步骤(7)中的热处理采用权利要求1-6任一项所述的热处理方法。
9.一种钝化接触太阳能电池，其特征在于，所述的钝化接触太阳能电池采用权利要求8所述的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的钝化接触太阳能电池，其特征在于，所述的太阳能电池包括硅片，所述硅片的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层、背面减反层和背面金属栅线，所述的背面金属栅线与背面钝化薄膜钝化接触；
优选地，所述硅片的正面依次层叠设置有硼扩散层、正面钝化薄膜、正面减反层和正面金属栅线。
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