CN115863480A - 背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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CN115863480A CN202211515383.7A CN202211515383A CN115863480A CN 115863480 A CN115863480 A CN 115863480A CN 202211515383 A CN202211515383 A CN 202211515383A CN 115863480 A CN115863480 A CN 115863480A
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袁玲
黄辉巍
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Jiangsu Shunfeng New Energy Technology Co ltd
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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域,具体涉及背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:(1)双面制绒;(2)正面硼扩散;(3)背面BSG清洗;(4)隧穿氧化层制备;(5)本征多晶硅层制备:使用硅烷、氢气、二氧化碳和氩气进行制备,温度控制在200℃‑500℃;(6)多层n‑poly si的制备:形成4‑8层n‑poly硅,且每层n‑poly硅的掺杂浓度随着与本征多晶硅层距离的加大而越来越高;(7)mask氧化层掩膜制备。本案通过添加碳元素,降低多晶硅的吸光性、提高电流;同时碳元素有利于多层磷掺杂多晶硅的制备,实现浓度的梯度提升,从而提高FF,提升转换效率。

Description

背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域,具体涉及背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法。
背景技术
TOPCON(tunnel oxide passivated contact)电池背面关键结构遂穿隧穿氧化层、本征多晶硅及多晶硅的掺杂,目前有两种方式:LPCVD和PECVD,LPCVD主要通过高温分解硅烷生长i-poly Si,再加一步多晶硅掺杂;而PECVD可以实现“氧化硅、非晶硅、掺杂”一体化完成。而且LPCVD生长i-poly si单面性比较差,其生长的单面i-poly si会对正面造成绕镀,清洗后会留下绕镀印迹无法去除,从而影响外观以及电池转换效率,并且难实验原位掺杂;而PECVD方式可实现单面生长、原位掺杂,可灵活引入各种掺杂元素。
目前采用PECVD方式的TOPCon电池制备流程基本为:N型硅片清洗制绒、正面B扩散制备PN结、背面酸洗去BSG、背面刻蚀、背面PECVD法—原位掺杂(遂穿氧化层、i-poly si层(本征多晶硅层)、多层n-poly si(多晶硅的掺杂层)、mask氧化层掩膜)、正面酸洗、正面去poly si绕度,酸洗去BSG、正面氧化铝、正面&背面钝化膜沉积、正背面电极印刷、烧结、抗LID注入。而i-poly si层的制备过程基本都是采用硅烷,氢气和氩气进行,但是氢含量虽有利于钝化,但氢含量过高容易造成爆膜,而i-poly si层的制备是本征多晶硅的沉积,需要降低磷的掺杂或基本无需磷的掺杂,而磷扩散越浅,则会产生更多的光生电流,因此在i-poly si层的制备中控制氢气和硅烷的用量,降低磷的扩散是提升太阳能性能的一种新的研究方向。
发明内容
为了克服背景技术中所述问题,提高一种背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,从而使太阳能电池获得较高的开路电压,并提高电池的填充因子FF和提升电池的转换效率。
为了实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
(1)双面制绒;
(2)正面硼扩散;
(3)背面BSG清洗;
(4)隧穿氧化层制备;
(5)本征多晶硅层制备:使用硅烷500sccm-2000scmm,氢气500sccm-2000sccm,二氧化碳200sccm-1000sccm,氩气2000sccm-10000sccm,压力130-500Pa,功率4000W-30000W,时间约1-10min,温度控制在200℃-500℃;
(6)多层n-poly si的制备:形成4-8层n-poly si,且每层n-poly si的掺杂浓度随着与本征多晶硅层距离的加大而越来越高;
(7)mask氧化层掩膜制备;
(8)去除正背面的BSG、PSG以及正面多晶硅;
(9)正面沉积氧化铝;
(10)正面减反膜沉积;
(11)背面钝化膜沉积;
(12)电极印刷及烧结;
(13)抗LID注入。
作为本发明的进一步改进为:步骤(5)中所述二氧化碳和硅烷的流量比例控制在1:3-6,且前述二氧化碳的的流量比例越高,所述反应温度越高。
本征多晶硅层的制备中,适量的碳元素掺杂可以使多晶硅晶体的光学带隙逐渐变宽,光寄生吸收的减少导致了更高的光生电流;但碳掺杂比过大会导致缺陷密度增加,过量的碳元素掺杂后会导致绝缘。同时如果单纯提高反应退火温度,可能会破坏隧穿氧化物,这也会降低使用寿命。
本发明通过控制碳元素的加入量以及对应的反应温度,在合适的碳比例控制下,提高硅膜结构致密性,降低磷扩散深度,从而产生多的光生电流。
另外,在本发明中加热过程中,C:H薄膜比Si:H薄膜具有更高的抗爆膜能力。
作为本发明的优选实施例:步骤(5)中所述本征多晶硅层厚度约4-12nm。
作为本发明的进一步改进为:步骤(6)中制作每层n-poly si所对应的工艺为:使用硅烷500sccm-2000scmm,氢气500sccm-2000sccm,氩气2000sccm-10000sccm,磷烷200sccm-1000sccm,压力130-500Pa,时间约1-20min,功率4000W-30000W,厚度约5-15nm,温度控制为300-650℃;
且通过控制磷烷的流量,以及逐步提升对应的掺杂工艺参数,使每层n-poly si的掺杂浓度逐步提高。
第一层n-poly si由于与i-poly si层相接触,而因i-poly si层有碳元素加入可以大大降低了磷的有效掺杂浓度,有利于并可实现第一层n-poly si的低浓度掺杂。
同时多层结构可使整个膜层的致密性好,通过分层控制掺杂浓度,并使每层的掺杂浓度由低到高,使表层获得较高的掺杂浓度,从而形成较好的接触电阻,提高了电池的填充因子FF。
作为本发明的进一步改进为:步骤(6)中所述多层n-poly si的总厚度控制在60nm以下。
作为本发明的优选实施例:步骤(6)中n-poly si的层数为5层,其五层n-poly si层的总厚度控制在50nm以下。
在多层n-poly si结构中,薄的掺杂厚度有利于提高光生电流,并且保证了多层结构致密性。
本发明的优势在于:
1、采用PECVD的生长方式在炉管内直接制备出SiOx层+ i-poly si层+多层n-polysi的结构,且绕度小于1mm,易去除。
2、本发明在i-poly si层的制备中,加入了二氧化碳气体,碳的加入可形成致密的结构,防止了磷原子在退火过程中扩散到硅基体中。
3、控制合适的碳掺杂比,可使多晶硅晶体的光学带隙逐渐变宽,光寄生吸收的减少导致了更高的光生电流。
4、在高温退火加热过程中,C:H薄膜比Si:H薄膜具有更高的抗爆膜能力,可以避免氢含量过高而出现爆膜现象。
5、poly-sicx薄膜可以提供与poly-si薄膜相当的高钝化质量,这种特性有利于太阳能电池获得较高的开路电压。
6、碳元素加入可以有效降低i-poly si层中磷的有效掺杂浓度,从而使与i-polysi层接触的第一层n-poly si中磷的有效掺杂浓度大大降低,进一步提高填充因子(FF),并保证多层结构致密性。
7、多层n-poly si,且从内层到表层形成逐步提高的掺杂浓度设计,表面浓度最高,有效的提高了膜层致密性,同时提高了填充因子,提升了电池转换效率。
附图说明
图1为本案多晶硅掺杂层与常规掺杂层关于掺杂厚度与掺杂浓度的对比图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于发明保护的范围。
实施例一:
本实施例涉及一种背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,采用N型硅片,电阻率2Ω.cm,少子寿命>10ms,具体包括如下步骤:
1)双面制绒:在槽式机台里,先进行抛光,抛光厚度约6μm,当然可以其它例如 5μm、7μm,都是常规数字;KOH:添加剂可以为7:1、8:1或9:1等,添加剂为常规添加剂,温度维持在本公司认为的最佳的80℃,时间6min 进行快速制绒,减薄量控制在0.25g左右;
2)正面硼扩散:采用BCl3方式进行B扩散,三氯化硼(BCl3):氧气(O2)比可以为1:10、1:8和1:6,本实施例使用为1:8,方阻控制在150Ω/□;
3)背面酸洗去BSG清洗:使用HF溶液的链式清洗机上去除背面BSG,HF溶液浓度为常规选择,本实施例中浓度体积比40%;
4)隧穿氧化层:温度维持在450℃,压力300Pa,功率8000W,N2O(笑气)8000sccm,时间约60sec,厚度约3nm;本步骤中使用笑气进行氧化,速率快;
5)i-poly si层:使用硅烷1400sccm,氢气(H2)1000sccm,二氧化碳(CO2)400sccm,氩气(Ar)5000sccm,压力250Pa,功率9000W,时间约4min,温度控制在400℃,得到本征多晶硅层厚度约7nm;
本步骤中加入了二氧化碳气体,碳的加入可形成致密的结构,防止了磷原子在退火过程中扩散到硅基体中,大大降低本步骤的掺杂浓度;但是碳掺杂比过大会导致缺陷密度增加,过量的碳元素掺杂后会导致绝缘,因此在本步骤中碳的含量控制及反应温度非常重要,提高反应温度可以解决磷的晶化率这一缺陷,但是提高温度,可能会破坏隧穿氧化物,这也会降低使用寿命。
本案申请中经过反复研究与实验:引入了硅烷和二氧化碳的流量比例及反应温度关系来控制二氧化碳的加入量,具体为:二氧化碳:硅烷为1:3-6,碳的掺杂比例越高,反应温度越高;温度与比例的关系只是讲述最佳的搭配方案,当二氧化碳在适当的比例时,反应温度并不是绝对的,也不是必须对应的去提高;例如当二氧化碳:硅烷流量比为1:5或1;6等时,反应温度可以在规定允许范围内的任何值,只是在比例较低时,如适当降低反应温度至300℃、200℃,可以更好的去实现目的,减少磷扩散和增加碳掺杂比例,使得硅膜结构越致密,磷扩散越浅,从而产生多的光生电流。例如本实施例中二氧化碳:硅烷为400:1400,反应温度为400℃;当二氧化碳比例增加时,二氧化碳:硅烷比例变成1:3时,为了得到更好的技术效果,反应温度最好需要相应的提高,例如提高到400℃,甚至是500℃,以此来解决碳掺杂比过大会导致缺陷密度增加等问题;当然在本案规定的范围比例内,就算温度为200℃时,也只是对提高的效果产生一些影响而已。
6)多层n-poly si的制备,本实施例涉及到五层,具体如下:
(a)第一层n-poly si:使用硅烷1000sccm,氢气1000sccm,氩气4000sccm,磷烷(PH3)300sccm,压力采用200Pa,功率采用8000W,时间约12min,温度控制为350℃,得到厚度约为8nm的n-poly si层;
第一层n-poly si与i-poly si层相接触,其掺杂浓度要控制为低掺杂浓度;由于i-poly si层有碳元素加入从而降低了磷的有效掺杂浓度,可以使于第一层n-poly si的形成较低的掺杂浓度,从而提升填充因子。
(b)第二层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷(PH3)400sccm,压力采用200Pa,功率采用8000W,时间约5min,温度控制为450℃,得到的厚度6nm;掺杂温度提升有利于浓度提升;
(c)第三层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷(PH3)500sccm,压力采用220Pa,功率采用10000W,时间约6min,温度控制为550℃,得到的厚度约8nm;
(d)第四层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷(PH3)600sccm,压力采用220Pa,功率采用10000W,时间约6min,温度控制为550℃,得到的厚度约8nm;
(e)第五层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷(PH3)700sccm,压力采用250Pa,功率采用12000W,时间约5min,温度控制为600℃,得到的厚度约10nm;增加表层掺杂量及增加反应温度、压力等,保证最外层的表面浓度最高。
本实施例涉及的上述五层n-poly si结构,掺杂浓度逐步提升。
通过上述工艺,可以直接得出磷烷(PH3)的流量增加,以及反应温度、压力等参数的提高都有利于掺杂浓度的提升。在本案申请中并没有对各级参数以及磷烷(PH3)的流量进行限定,在制备过程中掺杂浓度的提升可以使用各种手段搭配,本实施例不在进行一一举例和阐述。
本实施例中,五层的厚度之和为40nm,薄的掺杂厚度有利于提高光生电流;而五层结构可使整个膜层的致密性好,从表层到内层,掺杂浓度由高到低,表层的高浓度有利于形成较佳的接触电阻和较高的FF。
7)mask氧化层掩膜:使用硅烷1700sccm,笑气采用6800sccm,时间约80sec;氧化层作掩膜去除正面poly si绕镀时保护背面poly si层;
8)去除正背面的硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)以及正面多晶硅(Poly):利用5%浓度的氢氟酸单面去除正面PSG及BSG,而后使用碱抛光工艺,采用的氢氧化钾:抛光添加剂为4:1,温度维持在70℃,时间约6min,进行poly si去除,最后进行HF清洗正背面的PSG;
9)正面沉积氧化铝:在ALD腔室内真空条件下周期性通入TMA、N2、H2O双面沉积氧化铝3nm;
10)正面减反膜沉积:使用PECVD依次沉积SiNx或者SiOx、SiNx、SiON三者之间相互叠加的多层膜,总膜厚约在80nm,折射率2.0;
11)背面钝化膜沉积:使用PECVD沉积SiON、SiOx、SiNx,三者之中的一层或多层,总膜厚约在85nm,折射率2.1;
12)背面电极印刷、背面栅线印刷,正面电极以及栅线印刷,然后810℃温度高温烧结;
13)抗LID注入——电注入或光注入。
本实施例中步骤(7)至步骤(13)都为常规工艺,不再展开详细介绍,而且上述具体的数值和操作,仅仅代表本实施例而已。
实施例二:
本实施例在实施例一的基础上,将n-poly si层层数增加至8层,调整掺杂气体流量及每步的掺杂参数,使掺杂浓度逐步提升,具体过程为:
第一层n-poly si:使用硅烷900sccm,氢气800sccm,氩气3500sccm,磷烷300sccm,压力200Pa,功率8000W,时间6min,温度360℃,得到厚度约4nm;
第二层n-poly si:使用硅烷1000sccm,氢气1000sccm,氩气4500sccm,磷烷350sccm,压力200Pa,功率8000W,时间4min,温度400℃,厚度约5nm;
第三层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷450sccm,压力200Pa,功率10000W,时间4min,温度450℃,厚度约5nm;
第四层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷500sccm,压力220Pa,功率10000W,时间5min,温度550℃,厚度约6nm;
第五层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷550sccm,压力220Pa,功率10000W,时间5min,温度550℃,厚度约6nm;
第六层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷550sccm,压力220Pa,功率10000W,时间6min,温度580℃,厚度约7nm;
第七层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷600sccm,压力220Pa,功率11000W,时间6min,温度580℃,厚度约:8nm;
第八层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷700sccm,压力220Pa,功率12000W,时间7min,温度600℃,厚度约10nm。
本实施例中八层n-poly si总的掺杂厚度在60nm以下,薄的掺杂厚度能减少寄生损失,不损失短路电流(Isc),并且保证了多层结构致密性及精准控制掺杂浓度。
对比例一:
在实施例一的基础上,将n-poly si层层数调整为3层,具体如下:
第一层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1200sccm,氩气3500sccm,磷烷500sccm,压力200Pa,功率10000W,时间15min,温度450℃,厚度约15nm;
第二层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1200sccm,氩气4500sccm,磷烷600sccm,压力200Pa,功率12000W,时间10min,温度550℃,厚度约12nm;
第三层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1200sccm,氩气5000sccm,磷烷700sccm,压力200Pa,功率12000W,时间10min,温度650℃,厚度约15nm。
本实施例中的三层n-poly si总厚度同样控制在50nm以下,。
对比例二:
在实施例一的基础上,将二氧化碳:硅烷流量比例调整为1:2,明显增加了缺陷密度,但高的碳元素加入会导致晶体绝缘;因此在n-poly层掺杂时需要提高反应温度至800-950℃,但是一方面PECVD法掺杂炉管温度不能够满足;另一方面即使能使用高温掺杂,高温的掺杂速率将呈线性增加,无法精准控制分层厚度与掺杂浓度,只能实现单层掺杂,但厚度同样控制在50nm以内,具体对应工艺如下:
i-poly si层:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,二氧化碳600sccm,氩气5000sccm,压力200Pa,功率8000W,时间4min,温度400℃,厚度约6nm;
n-poly si层:使用硅烷1000sccm,氢气1000sccm,氩气4000sccm,磷烷400sccm,压力200Pa,功率8000W,时间15min,温度900℃,厚度约30nm。
对比例三:
在实施例一的基础上,调整二氧化碳:硅烷流量比例为固定1:3,总的n-poly si层厚度在50nm以内;但大大提高了反应温度,具体如下:
i-poly si层:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,二氧化碳400sccm,氩气5000sccm,压力200Pa,功率8000W,时间2min,温度600℃,厚度约6nm;
第一层n-poly si:使用硅烷900sccm,氢气800sccm),氩气3500sccm,磷烷300sccm,压力200Pa,功率8000W,时间3min,厚度约6nm,温度600℃;
第二层n-poly si:使用硅烷1000sccm,氢气1000sccm,氩气4500sccm,磷烷350sccm,压力200Pa,功率8000W,时间3min,厚度约6nm,温度600℃;
第三层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷450sccm,压力200Pa,功率10000W,时间3min,厚度约6nm,温度600℃;
第四层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷500sccm,压力220Pa,功率10000W,时间5min,厚度约8nm,温度650℃;
第五层n-poly si:使用硅烷1200sccm,氢气1000sccm,氩气5000sccm,磷烷550sccm,压力220Pa,功率10000W,时间5min,厚度约10nm,温度650℃。
对比例四:
在实施例一的基础上,调整i-poly si层制备时不加入气体二氧化碳,为了防止大面积爆膜,需要降低氢气流量,具体工艺如下:
i-poly si层:使用硅烷1200sccm,氢气800sccm,氩气5000sccm,压力200Pa,功率8000W,时间4min,温度400℃,厚度约6nm。
为了充分了解上述实施例和各对比例的技术参数、技术工艺对产品性能的影响,对各实施例和对比例生产的电池进行了UOC、Isc、FF和Eta等参数的检测,检测结果如下:
Figure 493893DEST_PATH_IMAGE001
从上述检测结构可以充分看出:
对比例一:由于采用了三层n-poly si结构,导致多层致密性的优势减少,钝化性能降低,并且三层结构掺杂浓度分层梯度不明显,相比于常规工艺流程,填充因子(FF)只略有优势。
对比例二:由于反应温度高至800-950℃,无法精准控制分层厚度与掺杂浓度,单层掺杂的厚度虽然控制在约50nm,但致密性无法与多层相比,钝化性能低;且无法实现梯度浓度,填充因子(FF)无增益;另外由于温度升温掺杂时,管内温度受热不均,磷的掺杂分布会不均匀,片内、片间均匀性差,整管效率波动范围大。
对比例三:在i-poly si层制备中大大提高了反应温度,而温度的大幅提升会破坏隧穿氧化物;另外会导致磷掺杂速率快,掺杂量大,无法做到阶梯式浓度递增,故不会产生对应的技术效果。
对比例四:由于无碳元素抵制磷掺杂,梯度浓度趋于平缓无明显阶梯;无碳元素光寄生吸收大导致低的光生电流,短路电流(Isc)相较于常规工艺只略有增益。
如图1所示:X轴代表掺杂厚度,Y轴代理掺杂浓度。通过对比可以看出,本案多晶硅掺杂的多层结构,能显著提升掺杂浓度,从而提高FF,提升转换效率。
综上看出:通过添加碳元素,降低多晶硅的吸光性、提高电流;同时碳元素有利于多层磷掺杂多晶硅的制备,实现浓度的梯度提升,从而提高FF,提升转换效率。
以上所述实施例仅为了表达和方便理解本发明的技术思路,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。

Claims (6)

1.一种背面多种元素掺杂的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)双面制绒;
(2)正面硼扩散;
(3)背面BSG清洗;
(4)隧穿氧化层制备;
(5)本征多晶硅层制备:使用硅烷500sccm-2000scmm,氢气500sccm-2000sccm,二氧化碳200sccm-1000sccm,氩气2000sccm-10000sccm,压力130-500Pa,功率4000W-30000W,时间约1-10min,温度控制在200℃-500℃;
(6)多层n-poly si的制备:形成4-8层n-poly si,且每层n-poly si的掺杂浓度随着与本征多晶硅层距离的加大而越来越高;
(7)mask氧化层掩膜制备;
(8)去除正背面的BSG、PSG以及正面多晶硅;
(9)正面沉积氧化铝;
(10)正面减反膜沉积;
(11)背面钝化膜沉积;
(12)电极印刷及烧结;
(13)抗LID注入。
2.根据权利要求1所述的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:步骤(5)中所述二氧化碳和硅烷的流量比例控制在1:3-6,且前述二氧化碳的流量比例越高,所述反应温度越高。
3.根据权利要求1或2所述的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:步骤(5)中所述本征多晶硅层厚度约4-12nm。
4.根据权利要求1所述的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:步骤(6)中制作每层n-poly si所对应的工艺具体为:使用硅烷500sccm-2000scmm,氢气500sccm-2000sccm,氩气2000sccm-10000sccm,磷烷200sccm-1000sccm,压力130-500Pa,功率4000W-30000W,时间约1-20min,厚度约5-15nm,温度控制为300-650℃;
且通过控制磷烷的流量,以及控制相应的掺杂工艺参数,使每层n-poly si的掺杂浓度逐步提高。
5.根据权利要求1或4所述的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:步骤(6)中所述多层n-poly si的总厚度控制在60nm以下。
6.根据权利要求5所述的N型TOPCon太阳能电池的制备方法,其特征在于:步骤(6)中n-poly si的层数为5层,其五层n-poly si的总厚度控制在50nm以下。
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