CN115881835A - 太阳能电池及其制备方法、光伏组件 - Google Patents

太阳能电池及其制备方法、光伏组件 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种太阳能电池及其制备方法、光伏组件，其中，所述太阳能电池包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底的后表面的隧穿层；位于所述隧穿层表面的氢阻挡层；位于所述氢阻挡层表面的轻掺杂导电层；及位于所述轻掺杂导电层的至少部分表面的栅状掺杂导电层，所述栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层。本申请提供的太阳能电池能够提高电池的转换效率。

Description

太阳能电池及其制备方法、光伏组件
技术领域
本申请涉及光伏电池技术领域，具体地讲，涉及太阳能电池及其制备方法、光伏组件。
背景技术
TOPCon(tunnel oxide passivation contact)电池全称为隧穿氧化钝化接触电池，其核心在于背面超薄的隧穿氧化层以及重掺杂的多晶硅层，超薄氧化层可以使电子隧穿进入多晶硅层，同时阻挡空穴的输运，降低复合速率，提升电池的钝化效果及转化效率。重掺杂多晶硅又有一定的寄生光吸收，背面较厚的多晶硅层导致电池短路电流的降低。
目前光伏电池制备金属电极通常采用丝网印刷方式，在金属化浆料高温烧结后，负责起到欧姆接触作用的细栅线中的银侵蚀约30nm深度的多晶硅。虽然加厚整体多晶硅层改善金属化过程造成的掺杂多晶硅层的钝化损失，然而高浓度掺杂的多晶硅导致寄生光吸收。另外，丝网印刷金属化工艺中使用的较高温度烧制步骤会降低钝化和接触区域中磷掺杂多晶硅结构的钝化质量，进而降低钝化效果，导致光电转换效率下降。
发明内容
鉴于此，本申请提出一种太阳能电池及其制备方法、光伏组件，能够提高太阳能电池的光电转换效率。
第一方面，本申请提供一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：
半导体衬底；位于所述半导体衬底的后表面的隧穿层；
位于所述隧穿层表面的氢阻挡层；
位于所述氢阻挡层表面的轻掺杂导电层；及
位于所述轻掺杂导电层的至少部分表面的栅状掺杂导电层，所述栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述栅状掺杂导电层还包括位于所述金属阻挡层表面的第三掺杂导电层。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述氢阻挡层包括氮氧化硅层、氧化铪层和氧化钽层中的至少一种。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述氢阻挡层的厚度为0.2nm～1nm。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述氢阻挡层的介电常数为4.0～28。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述氢阻挡层的折射率为1.6～2.6。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述金属阻挡层包括M的氮化物、M的氧化物、M的碳化物、M的氮氧化物、M金属、碳化硅及氮化硅中的至少一种，其中，M选自Ti、Al、Ta、Cr、Ca、Mo、V、Zr和W中的至少一种。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述金属阻挡层包括氮化钽层、氮化钛层、碳化钛层、碳化钨层及碳化硅层中的至少一种；
结合第一方面，在一些实施方式中，所述金属阻挡层为氧化钛铝层与氧化钛层的叠层结构。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述金属阻挡层的厚度为1nm～5nm。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述金属阻挡层的电阻率＜1.5mΩ·cm。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述轻掺杂导电层的掺杂浓度为0.8E20 cm-3～4E20 cm-3，所述重掺杂导电层的掺杂浓度为4E20 cm-3～2E21 cm-3。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述重掺杂导电层的带隙为1.4eV～1.8eV；和/或，所述轻掺杂导电层、所述重掺杂导电层的晶化率＞70％。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述栅状掺杂导电层的宽度为70μm～110μm，所述栅状掺杂导电层的总厚度为20nm～50nm。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述太阳能电池还包括第一钝化层以及第一电极，所述第一钝化层位于所述栅状掺杂导电层之间，所述第一电极与至少部分的所述栅状掺杂导电层形成欧姆接触。
结合第一方面，在一些实施方式中，所述太阳能电池还包括第一钝化层以及第一电极，所述第一钝化层位于所述栅状掺杂导电层之间以及所述栅状掺杂导电层表面，所述第一电极穿透所述第一钝化层与至少部分的所述栅状掺杂导电层形成欧姆接触。
第二方面，本申请提供一种太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
对半导体衬底进行制绒处理；
在所述半导体衬底的后表面形成隧穿层；
在所述隧穿层表面沉积形成氢阻挡层；
在所述氢阻挡层表面沉积形成第一多晶硅层；
在所述第一多晶硅层表面形成掩膜，在所述掩膜未覆盖区域沉积形成栅状第二多晶硅层同时进行原位掺杂处理形成第二掺杂导电层，并在所述第二掺杂导电层表面沉积形成金属阻挡层；
对所述第一多晶硅层与所述第二掺杂导电层进行二次掺杂处理，得到轻掺杂导电层及重掺杂导电层。
第三方面，本申请提供一种光伏组件，所述光伏组件包括多个太阳能电池串，所述太阳能电池串包括上述的太阳能电池。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
在本申请中，通过在太阳能电池的后表面形成选择性钝化接触结构可以提升电池填充因子效率，并且在隧穿层与轻掺杂导电层之间设置氢阻挡层，利用氢阻挡层来避免退火处理过程中氢的外溢，提升退火后隧穿层界面的氢浓度，提升钝化效果；在栅状掺杂导电层构建层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层，金属阻挡层可以避免金属电极侵蚀重掺杂导电层，还能够降低整个太阳能电池的钝化多晶硅层的厚度，增强光电转换效率；使得太阳能电池在选择性钝化接触结构、氢阻挡层及金属阻挡层的协同作用下，能够相比于普通的TOPCon电池提升填充因子效率，提升太阳能转换效率。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种太阳能电池的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种太阳能电池的另一结构示意图。
图3为本申请实施例提供的光伏组件的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的太阳能电池的制备方法的流程示意图。
图5为本申请对比例3提供的一种太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
TOPCon(tunnel oxide passivation contact)电池全称为隧穿氧化钝化接触电池，其核心在于背面超薄的隧穿氧化层以及重掺杂的多晶硅层，超薄氧化层可以使电子隧穿进入多晶硅层，同时阻挡空穴的输运，降低复合速率，提升电池的钝化效果及转化效率。重掺杂多晶硅又有一定的寄生光吸收，背面较厚的多晶硅层导致电池短路电流的降低。
目前常用的丝网印刷方式的金属化浆料高温烧结导致银侵蚀约30nm深度的多晶硅。然而整体多晶硅层较厚或者高浓度掺杂的多晶硅导致寄生光吸收。另外，丝网印刷金属化工艺中使用的高温烧制步骤会降低钝化和接触区域中磷掺杂多晶硅结构的钝化质量，进而降低钝化效果，造成光电转换效率下降。
基于此，第一方面，本申请提供一种太阳能电池，如图1所示，太阳能电池包括：
半导体衬底10；
位于半导体衬底的后表面的隧穿层20；
位于隧穿层20表面的氢阻挡层30；
位于氢阻挡层30表面的轻掺杂导电层40；及
位于轻掺杂导电层40的至少部分表面的栅状掺杂导电层，栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层50及金属阻挡层60。
在上述方案中，通过在太阳能电池的后表面形成选择性钝化接触结构可以提升电池效率，并且在隧穿层与轻掺杂导电层之间设置氢阻挡层，利用氢阻挡层来避免退火处理过程后氢的外溢，提升退火后隧穿层界面的氢浓度，提升钝化效果；在栅状掺杂导电层构建层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层，金属阻挡层可以避免金属电极侵蚀重掺杂导电层，还能够降低整个太阳能电池钝化多晶硅层的厚度，增强电池的光吸收；使得太阳能电池在选择性钝化接触结构、氢阻挡层及金属阻挡层的协同作用下，能够相比于普通的TOPCon电池提升转换效率。
半导体衬底10的前表面可以指受光面，即接收太阳光线照射的表面(受光面)，半导体衬底10的后表面是指与前表面相对的表面。在一些实施例中，形成的太阳能电池为单面电池，前表面可以是指受光面，后表面可以是指背光面。在一些实施例中，形成的太阳能电池为双面电池，前表面和后表面均可以是受光面。
作为本申请可选的技术方案，半导体衬底10为N型晶体硅衬底(或硅片)，可以采用高温扩散、浆料掺杂或者离子注入中的任意一种或多种工艺，在半导体衬底的前表面形成P型掺杂层，以便在半导体衬底10中形成PN结。在一些实施例中，半导体衬底10可以为单晶硅衬底、多晶硅衬底、微晶硅衬底或碳化硅衬底中的一种。
在一些实施例中，P型掺杂层为掺硼扩散层。掺硼扩散层是利用硼源通过扩散工艺使硼原子扩散到前表面一定深度而形成的P型掺杂层(即，P+层)。例如，硼源可以是液态三溴化硼。
在一些实施例中，半导体衬底10的前表面具有绒面结构，绒面结构可以通过对半导体衬底进行制绒工艺来形成。制绒工艺的方式可以是化学刻蚀、激光刻蚀、机械法、等离子刻蚀等。绒面结构使在丝网印刷金属浆料形成电极时可以更好地填充于绒面结构中，获得更优异的电极接触，能够有效降低电池串联电阻，提高填充因子。
如图1所示，位于半导体衬底10的后表面的隧穿层20，隧穿层20可以是氧化硅层、氧化铝层、氮氧化硅层、氧化钼层、氧化铪层中的一种或多种层叠结构。在其他实施例中，隧穿层20也可以是含氧氮化硅层、含氧碳化硅层等。
隧穿层20的厚度为0.8nm～2.5nm。具体地，隧穿层20的厚度为0.8nm、0.9nm、1.0nm、1.2nm、1.4nm、1.6nm、1.8nm、2nm或2.5nm等。隧穿层20的厚度是指隧穿层相对于形成面上的厚度。隧穿层20的厚度过大，不利于降低隧穿层的接触电阻。通过控制隧穿层的厚度，可以抑制接触电阻引起的填充因子的降低。隧穿层的厚度过大时，多数载流子的隧穿效应受到影响，载流子难以传输通过隧穿层20，电池的光电转换效率会逐渐下降。隧穿层20的厚度过小时，无法起到钝化作用。优选地，隧穿层20为氧化硅层，隧穿层20的厚度为0.6nm～1.6nm。
在一些实施方式中，如图1所示，氢阻挡层30设置于隧穿层20远离半导体衬底10的整个表面。
在一些实施方式中，氢阻挡层30的材质为高介电常数的氧化物，具体地，氢阻挡层30包括氮氧化硅层、氧化铪层和氧化钽层中的至少一种。由于氢阻挡层具有高介电常数，其正电荷密度高于隧穿层的材质，烧结及退火处理后，氢大部分进入半导体衬底内，或扩散至隧穿层远离半导体衬底一侧的表面，通过氢阻挡层30的设置，可以防止退火处理过程中氢的外溢至轻掺杂导电层，起到阻止氢向外扩散，提升退火后隧穿层界面的氢浓度，提升钝化效果。
氢阻挡层30的厚度为0.2nm～1nm。具体地，氢阻挡层30的厚度为0.2nm、0.3nm、0.35nm、0.4nm、0.5nm、0.7nm、0.9nm或1.0nm等，当然也可以是上述范围内的其他值。厚度控制在上述范围内，既能够满足防止氢扩散的效果，且不影响电子的隧穿。
氢阻挡层30的介电常数为4.0～28；具体地，氢阻挡层30的介电常数为4.0、5、6、6.5、7、9、10或25等，当然也可以是上述范围内的其他值。介电常数过高时，氢阻挡层30绝缘导电性变差。
氢阻挡层30的折射率为1.6～2.6；具体地，氢阻挡层30的折射率为1.6、1.8、1.9、2.1、2.2、2.4或2.6等，当然也可以是上述范围内的其他值。
在一些实施方式中，轻掺杂导电层40位于氢阻挡层30远离半导体衬底10的表面。
在一些实施方式中，轻掺杂导电层40与半导体衬底10具有相同导电类型的掺杂元素。当半导体衬底10为N型单晶硅衬底，轻掺杂导电层40为N型掺杂多晶硅层、N型掺杂微晶硅层或N型掺杂碳化硅层，掺杂元素可以是磷等N型掺杂元素。
如图1所示，轻掺杂导电层40的掺杂浓度为0.8E20 cm-3～4E20 cm-3，具体可以是0.8E20 cm-3、1.0E20 cm-3、1.2E20 cm-3、1.5E20 cm-3、1.8E20cm-3、2.0E20 cm-3、2.5E20 cm-3、3.0E20 cm-3或3.9E20 cm-3等，当然也可以是上述范围内的其他值。
轻掺杂导电层40的厚度为40nm～110nm，具体地，轻掺杂导电层40为N型掺杂多晶硅层，掺杂导电层40的折射率范围为3.5-4.5。
进一步地，栅状掺杂导电层位于轻掺杂导电层40的至少部分表面，即栅状掺杂导电层与金属栅线区域相对应，栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层50及金属阻挡层60。
在一些实施方式中，重掺杂导电层50的掺杂浓度为4E20 cm-3～12E20cm-3，具体可以是4E20 cm-3、5E20 cm-3、6E20 cm-3、7E20 cm-3、8E20 cm-3、9E20 cm-3、10E20 cm-3、11E20cm-3或12E20 cm-3等，当然也可以是上述范围内的其他值。重掺杂导电层50的厚度相对较厚时可以提升电池的开路电压，较薄时有利于降低寄生光吸收，提升电池的短路电流，提升重掺杂导电层50的局域掺杂浓度可以提高电池的填充因子和开路电压。
重掺杂导电层50的带隙为1.4eV～1.8eV；具体可以是1.4eV、1.5eV、1.6eV、1.65eV、1.7eV或1.8eV等，当然也可以是上述范围内的其他值。
在一些实施方式中，轻掺杂导电层40及重掺杂导电层50的晶化率＞70％，晶化率高表示导电层中的晶体内缺陷少、光电学特性好，能够提高电池的光电转换效率。
进一步地，金属阻挡层60位于重掺杂导电层50远离半导体衬底的表面。可以理解地，太阳能电池在金属化处理形成电极时，容易对重掺杂导电层造成局部损伤或者侵蚀，侵蚀深度越大，电池的开路电压越低；而过厚的重掺杂导电层又会带来寄生光吸收，导致短路电流的降低以及电池双面率的降低。通过金属阻挡层的设置，可以避免金属电极侵入重掺杂导电层，还能够降低整个太阳能电池的厚度，增强光电转换效率。
在一些实施方式中，金属阻挡层60的材质为熔点较高且无负电荷的物质。金属阻挡层60包括M的氮化物、M的氧化物、M的碳化物、M的氮氧化物、M金属、碳化硅及氮化硅中的至少一种，其中，M选自Ti、Al、Ta、Cr、Ca、Mo、V、Zr和W中的至少一种。
具体地，金属阻挡层包括氮化钽层、氮化钛层、碳化钛层、碳化钨层及碳化硅层中的至少一种。示例性地，氮化钽的熔点为3090℃，电阻率为128μΩ·cm；氮化钛的熔点为2950℃，电阻率为22μΩ·cm；碳化钛的熔点为3140℃，电阻率为60μΩ·cm。从制备工艺便捷性以及制备成本考虑，优选地，金属阻挡层为碳化硅层，其中碳化硅中的碳的质量含量小于20％。
在一些实施方式中，金属阻挡层60为氧化钛铝层与氧化钛层的叠层结构。这种叠层结构能够兼具较低的生成成本还能保障金属阻挡层防侵蚀效果。
在一些实施方式中，金属阻挡层60的厚度为0.5nm～5nm，具体可以是0.5nm、0.7nm、0.9nm、1nm、2nm、3nm、4nm或5nm，当然也可以是上述范围内的其他值。
在一些实施方式中，金属阻挡层的电阻率＜1.5mΩ·cm，具体可以是1.45mΩ·cm、1.3mΩ·cm、1.25mΩ·cm、1.15mΩ·cm、1.1mΩ·cm、1.0mΩ·cm或0.8mΩ·cm等，当然也可以是上述范围内的其他值。即金属阻挡层的导电率优于重掺杂导电层(重掺杂多晶硅层)，可改善接触，提升电池的填充因子。
进一步地，为了更好地保护金属阻挡层60，栅状掺杂导电层还包括位于金属阻挡层表面的第三掺杂导电层70。第三掺杂导电层70的材质可以与重掺杂导电层的材质一样，也可以不一样。具体地，第三掺杂导电层70为N型掺杂多晶硅层。
在一些实施方式中，第三掺杂导电层70的掺杂浓度高于重掺杂导电层50的掺杂浓度。
如图1所示，栅状掺杂导电层的宽度D为70μm～110μm，宽度的取值具体可以是70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm或110μm等，当然也可以是上述范围内的其他值。
栅状掺杂导电层的总厚度H为20nm～50nm，总厚度具体可以是20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm等，当然也可以是上述范围内的其他值。重掺杂导电层50与第三掺杂导电层7的厚度一般大于20nm，重掺杂导电层50的具体厚度值没有限定，只需要控制栅状掺杂导电层的总厚度H在上述范围内即可。
进一步地，太阳能电池还包括第一钝化层81以及第一电极82。第一钝化层81位于栅状掺杂导电层之间，第一电极82与至少部分的栅状掺杂导电层形成欧姆接触。如图1所示，第一电极82位于金属阻挡层60的表面，形成欧姆接触。第一钝化层81的厚度大于栅状掺杂导电层的厚度，且与栅状掺杂导电层表面的第一电极82形成高度差。
在一些实施方式中，第一钝化层81位于栅状掺杂导电层之间以及栅状掺杂导电层表面，第一电极82穿透第一钝化层81与至少部分的栅状掺杂导电层形成欧姆接触。如图2所示，第一电极82穿透第一钝化层81与第三掺杂导电层70形成欧姆接触。
在一些实施例中，第一钝化层81包括氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层中的至少一种。
请继续参考图1，太阳能电池100还包括位于半导体衬底10的前表面的第二钝化层91及第二电极92。
在一些实施方式中，第二钝化层91及第二电极92交替设置于半导体衬底10的前表面。第二钝化层91包括氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层、氮氧化硅层中的至少一种或多种的层叠结构。
在一些实施例中，第二钝化层91的厚度范围为10nm-120nm，具体可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或120nm等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。
在一些实施例中，第二钝化层91为氧化铝层和氮化硅层的叠层钝化结构。氧化铝层设置在半导体衬底10前表面上，氮化硅层设置在氧化铝层表面上。
其中，第二电极92与半导体衬底10的前表面的P型掺杂层(例如，掺硼扩散层)形成欧姆接触，第一电极82与栅状掺杂导电层形成欧姆接触。第一电极82以及第二电极92可以通过涂敷金属导电浆料烧结形成。在一些实施例中，第一电极82或第二电极92的材料包括银、铝、铜、镍等金属材料。
第二方面，本申请实施例提供了一种光伏组件，光伏组件包括多个太阳能电池串。
如图3所示，光伏组件包括第一盖板1、第一封装胶层2、太阳能电池串3、第二封装胶层4和第二盖板5。
其中，太阳能电池串3包括多个太阳能电池(如图1的太阳能电池)，太阳能电池之间通过导电带(图未示)连接。太阳能电池之间的连接方式可以是部分层叠，也可以是拼接。
第一盖板1、第二盖板5可以为透明或不透明的盖板，例如玻璃盖板、塑料盖板。
第一封装胶层2的两侧分别与第一盖板1、太阳能电池串3接触贴合，第二封装胶层4的两侧分别与第二盖板5、太阳能电池串3接触贴合。其中，第一封装胶层2、第二封装胶层4分别可以乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)胶膜、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)胶膜或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)胶膜。
光伏组件还可以采用侧边全包围式封装，即采用封装胶带对光伏组件的侧边完全包覆封装，以防止光伏组件在层压过程中发生层压偏移的现象。
进一步地，光伏组件还包括封边部件，该封边部件固定封装于光伏组件的部分边缘。该封边部件可以固定封装于光伏组件上的靠近拐角处的边缘。该封边部件可以为耐高温胶带。该耐高温胶带具有较优异的耐高温特性，在层压过程中不会发生分解或脱落，能够保证对光伏组件的可靠封装。其中，耐高温胶带的两端分别固定于第二盖板5和第一盖板1。该耐高温胶带的两端可以分别与第二盖板5和第一盖板1粘接，而其中部能够实现对光伏组件的侧边的限位，防止光伏组件在层压过程中发生层压偏移。
第三方面，本申请还提供一种太阳能电池的制备方法，用于制备上述太阳能电池，如图4所示，制备方法包括以下步骤：
步骤S10，对半导体衬底进行制绒处理；
步骤S20，在半导体衬底的后表面形成隧穿层；
步骤S30，在隧穿层表面沉积形成氢阻挡层；
步骤S40，在氢阻挡层表面沉积形成第一多晶硅层；
步骤S50，在第一多晶硅层表面形成掩膜，在掩膜未覆盖区域沉积形成栅状第二多晶硅层同时进行原位掺杂处理形成第二掺杂导电层，并在第二掺杂导电层表面沉积形成金属阻挡层；
步骤S60，对第一多晶硅层与第二掺杂导电层进行二次掺杂处理，得到轻掺杂导电层及重掺杂导电层。
以下具体介绍本方案：
步骤S10，对半导体衬底进行制绒处理。
半导体衬底可以为晶体硅衬底(硅衬底)，例如为多晶硅衬底、单晶硅衬底、微晶硅衬底或碳化硅衬底中的一种，本申请实施例对于半导体衬底的具体类型不作限定。在一些实施例中，半导体衬底为N型晶体硅衬底(或硅片)，半导体衬底的厚度为60um～240um，具体可以是60um、80um、90um、100um、120um、150um、200um或240um等，在此不做限定。半导体衬底的掺杂元素可以是磷、氮等。
需要指出的是，本申请对于制绒的具体操作方式不作限定。例如，可以选用不限于湿法制绒工艺对N型衬底进行制绒，当N型半导体衬底为N型单晶硅衬底时，可以采用碱性溶液例如氢氧化钾溶液进行制绒。
制绒工艺的方式可以是化学刻蚀、激光刻蚀、机械法、等离子刻蚀等。绒面结构使在丝网印刷金属浆料形成电极时可以更好地填充于绒面结构中，获得更优异的电极接触，能够有效降低电池串联电阻，提高填充因子。
在步骤S20之前，方法还包括：
对制绒后的半导体衬底的前表面进行掺杂处理，形成掺杂层。
在具体实施方式中，当半导体衬底10为N型衬底时，可以采用高温扩散、浆料掺杂或者离子注入中的任意一种或多种工艺在半导体衬底的前表面形成P型掺杂层，以便在半导体衬底10中形成PN结。
在一些实施例中，P型掺杂层为掺硼扩散层。掺硼扩散层是利用硼源通过扩散工艺使硼原子扩散到前表面一定深度而形成的P型掺杂层(即，P+层)。例如，硼源可以是液态三溴化硼。硼扩散处理的衬底的微晶硅相转变为多晶硅相。由于半导体衬底表面具有较高浓度的硼，通常会形成硼硅玻璃层(BSG)。
步骤S20，在半导体衬底的后表面形成隧穿层。
在一些可行的实施方式中，可以采用臭氧氧化法、高温热氧化法、硝酸氧化法、化学气相沉积法、低压化学气相沉积法对半导体衬底进行后表面刻蚀之后进行处理，形成隧穿层20。
在一些实施例中，采用变温式工艺以及化学气相沉积法在半导体衬底的后表面沉积形成隧穿层20。在沉积过程中，控制升温速率为0.5℃/min～3℃/min，沉积温度为560℃～620℃，沉积时间为3min～10min。
具体地，在沉积过程中，沉积温度可以是560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、615℃或620℃等，沉积时间可以是3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10min等，升温速率可以为0.5℃/min、0.8℃/min、1.0℃/min、1.2℃/min、1.5℃/min、2.0℃/min、2.5℃/min或3℃/min等，当然也可以是上述范围内的其他值，在此不做限定。
优选地，采用低压化学气相沉积法在半导体衬底的后表面沉积形成隧穿层20，可以减少后续高温掺杂处理时较薄的隧穿层20局部掺杂浓度过高的影响，降低开路电压的波动，通过变温式工艺以及低压化学气相沉积法沉积形成的隧穿层20。
隧穿层20可以是氧化硅层、氧化铝层、氮氧化硅层、氧化钼层、氧化铪层中的一种或多种层叠结构。在其他实施例中，隧穿层20也可以是含氧氮化硅层、含氧碳化硅层等。隧穿层20的厚度为0.8nm～2.5nm。
步骤S30，在隧穿层20表面沉积形成氢阻挡层30。
具体地，在隧穿层20表面沉积形成氢阻挡层30，氢阻挡层30的材质为高介电常数的氧化物，具体地，氢阻挡层30包括氮氧化硅层、氧化铪层和氧化钽层中的至少一种。氢阻挡层30的设置，可以防止退火处理过程中半导体衬底内氢向外扩散，提升退火后隧穿层界面的氢浓度，避免氢外溢至氢掺杂导电层或栅状掺杂导电层，提升钝化效果。
氢阻挡层30的厚度为0.2nm～1nm。具体地，氢阻挡层30的厚度为0.2nm、0.3nm、0.35nm、0.4nm、0.5nm、0.7nm、0.9nm或1.0nm等，当然也可以是上述范围内的其他值。厚度控制在上述范围内，既能够满足防止氢扩散的效果，且不影响电子的隧穿。
氢阻挡层30的介电常数为4.0～28；具体地，氢阻挡层30的介电常数为4.0、5、6、6.5、7、9、10或25等，当然也可以是上述范围内的其他值。介电常数过高时，氢阻挡层30绝缘导电性变差。
氢阻挡层30的折射率为1.6～2.6；具体地，氢阻挡层30的折射率为1.6、1.8、1.9、2.1、2.2、2.4或2.6等，当然也可以是上述范围内的其他值。
当氢阻挡层的材质为氮氧化硅时，可以采用氨气、二氧化氮与硅烷的混合气体作为气源进行等离子体增强化学气相沉积，控制沉积温度为450℃-600℃。在其他实施方式中，也可以采用低压化学气相沉积法或物理气相沉积法沉积形成氢阻挡层。
步骤S40，在氢阻挡层表面沉积形成第一多晶硅层。
在一些实施方式中，采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法中的任意一种方法在氢阻挡层表面沉积形成第一多晶硅层。化学气相沉积法可以是低压化学气相沉积法或常压化学气相淀积法。
在一些实施方式中，可以采用硅烷作为气源进行等离子体增强化学气相沉积，控制沉积温度为490℃-560℃。在其他实施方式中，也可以采用采用硅烷作为气源进行低压化学气相沉积或物理气相沉积形成第一多晶硅层，控制沉积温度为590℃-640℃。
在一些实施方式中，第一多晶硅层的沉积厚度为40nm～110nm。
步骤S50，在第一多晶硅层表面形成掩膜，在掩膜未覆盖区域沉积形成栅状第二多晶硅层同时进行原位掺杂处理形成第二掺杂导电层，并在第二掺杂导电层表面沉积形成金属阻挡层。
在一些实施方式中，采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法中的任意一种方法在第一多晶硅层表面的未被掩膜覆盖的区域内沉积形成栅状第二多晶硅层，同时进行原位掺杂处理形成第二掺杂导电层。
在具体实施方式中，栅状第二多晶硅层的沉积以及栅状第二多晶硅层的原位掺杂均在低压化学气相沉积设备中形成。
在一些实施方式中，如图1所示，栅状第二多晶硅层的宽度D为70μm～110μm，宽度的取值具体可以是70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm或110μm等，当然也可以是上述范围内的其他值。
进一步地，在原位掺杂后的栅状第二多晶硅层表面沉积形成金属阻挡层60。可以理解地，太阳能电池在金属化处理形成电极时，容易对重掺杂导电层造成局部损伤或者侵蚀，侵蚀深度越大，电池的开路电压越低；而过厚的重掺杂导电层又会带来寄生光吸收，导致短路电流的降低以及电池双面率的降低。通过金属阻挡层的设置，可以避免金属电极侵入重掺杂导电层，还能够降低整个太阳能电池的厚度，增强光电转换效率。
在一些实施方式中，金属阻挡层60的材质为熔点较高且无负电荷的物质。金属阻挡层60包括M的氮化物、M的氧化物、M的碳化物、M的氮氧化物、M金属、碳化硅及氮化硅中的至少一种，其中，M选自Ti、Al、Ta、Cr、Ca、Mo、V、Zr和W中的至少一种。
具体地，金属阻挡层包括氮化钽层、氮化钛层、碳化钛层、碳化钨层及碳化硅层中的至少一种。示例性地，氮化钽的熔点为3090℃，电阻率为128μΩ·cm；氮化钛的熔点为2950℃，电阻率为22μΩ·cm；碳化钛的熔点为3140℃，电阻率为60μΩ·cm。从制备工艺便捷性以及制备成本考虑，优选地，金属阻挡层为碳化硅层，其中碳化硅中的碳的质量含量小于20％。
当金属阻挡层的材质为氮化钽、氮化钛或金属时，可以采用磁控溅射方法制备形成金属阻挡层，金属阻挡层中的金属钛、钽可以与硅接触形成低阻的欧姆接触。
当金属阻挡层的材质为M的碳化物时，例如碳化钙、碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨等，也可以采用磁控溅射方法制备形成金属阻挡层。
在一些实施方式中，金属阻挡层60为氧化钛铝层与氧化钛层的叠层结构。这种叠层结构能够兼具较低的生成成本还能保障金属阻挡层防侵蚀效果。在实际制备过程中，可以采用原子层沉积法制备得到。
在一些实施方式中，金属阻挡层60的厚度为1nm～5nm，具体可以是1nm、2nm、3nm、4nm或5nm，当然也可以是上述范围内的其他值。
在一些实施方式中，金属阻挡层的电阻率＜1.5mΩ·cm，具体可以是1.45mΩ·cm、1.3mΩ·cm、1.25mΩ·cm、1.15mΩ·cm、1.1mΩ·cm、1.0mΩ·cm或0.8mΩ·cm等，当然也可以是上述范围内的其他值。即金属阻挡层的导电率优于重掺杂导电层(重掺杂多晶硅层)，可改善接触，提升电池的填充因子。
栅状掺杂导电层的总厚度H为20nm～50nm，总厚度具体可以是20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm等，当然也可以是上述范围内的其他值，只需要控制栅状掺杂导电层的总厚度H在上述范围内即可。
步骤S60，对第一多晶硅层与第二掺杂导电层进行二次掺杂处理，得到轻掺杂导电层及重掺杂导电层。
可以理解地，去除掩膜后，第一多晶硅层经过掺杂处理形成轻掺杂导电层，而第二掺杂导电层经过二次掺杂处理形成重掺杂导电层，同时重掺杂导电区域以及轻掺杂导电区域的部分掺杂元素扩散进入氢阻挡层。
在步骤S60之后，并在步骤S70之前，上述方法还包括：
二次掺杂之后进行了高温退火处理和清洗处理。
本申请实施例对于该高温退火处理和清洗处理的具体操作方式不作限定。示例性的，该高温退火处理所处理的是沉积的多晶硅层，能使得多晶硅层更好的结晶，退火的温度范围可以为700℃～1000℃。
通过高温退火处理，使得扩散五价的磷原子形成掺杂导电层，退火处理后，晶体硅的硅相转变为多晶硅相，磷沉积在半导体衬底表面形成磷硅玻璃(PSG)。其中，轻掺杂导电层40及重掺杂导电层50的晶化率＞70％，晶化率高表示导电层中的晶体内缺陷少、光电学特性好，能够提高电池的光电转换效率。优选地，轻掺杂导电层的晶化率＞88％，重掺杂导电层50的晶化率＞80％。
清洗处理是为了去除在掺杂过程中形成的磷硅玻璃层(PSG)。可以理解地，在磷扩散时，由于半导体衬底表面具有较高浓度的磷，通常会形成磷硅玻璃层(PSG)，这层磷硅玻璃层具有金属吸杂作用，会影响太阳能电池的正常工作，需要去除。
具体可以采用酸洗清洗去除磷硅玻璃层。需要说明的是，酸洗后需要进行水洗，水洗时间为10～20s，水洗温度可以为15℃～25℃；当然，水洗之后还可以对半导体衬底进行烘干处理。
步骤S70，在栅状掺杂导电层表面覆盖第二掩膜，在栅状掺杂导电层之间沉积形成第一钝化层；并在半导体衬底的前表面形成第二钝化层。
在一些实施例中，可以采用等离子体增强化学气相沉积法沉积第一钝化层以及第二钝化层，当然还可以采用其他的方法，例如有机化学气相沉积法等。本申请实施例对于第一钝化层、第二钝化层的具体实施方式不作限定。上述钝化层能够对半导体衬底产生良好的钝化效果，有助于提高电池的转换效率。
步骤S80，去除第二掩膜，在栅状掺杂导电层表面形成第一电极，在半导体衬底的前表面形成第二电极。
在一些实施例中，第一电极以及第二电极可以通过涂敷在第一钝化层以及第二钝化层表面的金属导电浆料烧结形成。第一电极或第二电极的材料包括银、铝、铜、镍等金属材料。第二电极与半导体衬底的前表面的P型掺杂层(例如，掺硼扩散层)形成欧姆接触，第一电极与栅状掺杂导电层形成欧姆接触。
如图2所示，所需制备的太阳能电池中，第一钝化层81位于栅状掺杂导电层之间以及栅状掺杂导电层表面，第一电极82穿透第一钝化层81与至少部分的栅状掺杂导电层形成欧姆接触。其制备工艺与上述步骤不同之处在于：
步骤S70，在栅状掺杂导电层表面沉积形成第一钝化层，此时，第一钝化层81位于栅状掺杂导电层之间以及栅状掺杂导电层表面。并在半导体衬底的前表面形成第二钝化层。
步骤S80，在第一钝化层表面形成第一电极，在半导体衬底的前表面形成第二电极，其中，第一电极82穿透第一钝化层81与至少部分的栅状掺杂导电层形成欧姆接触。在此不再赘述。
选取硅片衬底的尺寸为M10规格，边长通常在182-182.3mm，根据上述方法制备得到太阳能电池实施例1至7，太阳能电池结构部分参数如表1所示。
其中，实施例1至6中的栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层；实施例7中的栅状掺杂导电层还包括位于金属阻挡层表面的第三掺杂导电层。
对比例1的太阳能电池的后表面依次层叠隧穿层以及位于隧穿层表面的栅状掺杂导电层、第一钝化层及第一电极，栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层。
对比例2的太阳能电池的后表面依次层叠隧穿层、氢阻挡层以及位于氢阻挡层表面的栅状掺杂导电层、第一钝化层及第一电极，栅状掺杂导电层为重掺杂导电层。
对比例3的太阳能电池为常规TOPCon，其结构如图5所示，其中隧穿层20表面为掺杂导电层40’，其掺杂浓度与实施例1中轻掺杂导电区域的掺杂浓度相同。
表1太阳能电池的参数
Figure BDA0004082292420000171
制得太阳能电池的测试结果见表2所示：
表2.太阳能电池的测试结果
样本 开路电压(mV) 短路电流(A) 填充因子 光电转化效率(％)
实施例1 722 13.77 83.65 25.1967
实施例2 723 13.78 83.80 25.2419
实施例3 725 13.78 83.80 25.3468
实施例4 725 13.78 84.00 25.4073
实施例5 725 13.78 84.20 25.4678
实施例6 726 13.78 84.00 25.4073
实施例7 725 13.78 83.80 25.3468
对比例1 721 13.75 83.62 25.1492
对比例2 721 13.74 83.63 25.0540
对比例3 721 13.73 83.60 25.0168
根据实施例1～7的测试结果可知，TOPCon型太阳能电池在氢阻挡层、在选择性钝化接触结构、氢阻挡层及金属阻挡层的协同作用下，能够相比于普通的TOPCon电池提升填充因子效率，提升太阳能转换效率。并且在隧穿层与掺杂导电层之间设置设置氢阻挡层，利用氢阻挡层来避免退火处理过程中氢的外溢，提升退火后隧穿层界面的氢浓度，提升钝化效果；在栅状掺杂导电层构建层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层，金属阻挡层可以避免金属电极侵蚀重掺杂导电层，还能够降低整个太阳能电池的钝化多晶硅层的厚度，增强光电转换效率。
对比例1制备的太阳能电池，没有设置氢阻挡层，隧穿层的隧穿效果略有影响，太阳能电池的开路电压、填充因子及太阳能转换效率均有所影响。
对比例2制备的太阳能电池，重掺杂导电层表面没有设置金属阻挡层，金属电极侵蚀重掺杂导电层，太阳能电池的开路电压、填充因子及太阳能转换效率均有所影响。
对比例3为常规的TOPCon电池，太阳能电池的综合性能皆劣于实施例1～7的数据。
本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底的后表面的隧穿层；
位于所述隧穿层表面的氢阻挡层；
位于所述氢阻挡层表面的轻掺杂导电层；及
位于所述轻掺杂导电层的至少部分表面的栅状掺杂导电层，所述栅状掺杂导电层包括层叠设置的重掺杂导电层及金属阻挡层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述栅状掺杂导电层还包括位于所述金属阻挡层表面的第三掺杂导电层。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述氢阻挡层包括氮氧化硅层、氧化铪层和氧化钽层中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，其满足以下特征中的至少一种：
(1)所述氢阻挡层的厚度为0.2nm～1nm；
(2)所述氢阻挡层的介电常数为4.0～28；
(3)所述氢阻挡层的折射率为1.6～2.6。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属阻挡层包括M的氮化物、M的氧化物、M的碳化物、M的氮氧化物、M金属、碳化硅及氮化硅中的至少一种，其中，M选自Ti、Al、Ta、Cr、Ca、Mo、V、Zr和W中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其满足以下特征中的至少一种：
(1)所述金属阻挡层包括氮化钽层、氮化钛层、碳化钛层、碳化钨层、氧化钛铝层及碳化硅层中的至少一种；
(2)所述金属阻挡层为氧化钛铝层与氧化钛层的叠层结构；
(3)所述金属阻挡层的厚度为0.5nm～5nm；
(4)所述金属阻挡层的电阻率＜1.5mΩ·cm。
7.根据权利要求1～6任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述轻掺杂导电层的掺杂浓度为0.8E20 cm-3～4E20 cm-3，所述重掺杂导电层的掺杂浓度为4E20 cm-3～2E21 cm-3。
8.根据权利要求1～6任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述重掺杂导电层的光学带隙为1.4eV～1.8eV；和/或，所述轻掺杂导电层、所述重掺杂导电层退火后的晶化率＞70％。
9.根据权利要求1～6任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述栅状掺杂导电层的宽度为70μm～110μm，所述栅状掺杂导电层的总厚度为20nm～50nm。
10.根据权利要求1～6任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括第一钝化层以及第一电极，所述第一钝化层位于所述栅状掺杂导电层之间，所述第一电极与至少部分的所述栅状掺杂导电层形成欧姆接触。
11.根据权利要求1～6任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括第一钝化层以及第一电极，所述第一钝化层位于所述栅状掺杂导电层之间以及所述栅状掺杂导电层表面，所述第一电极穿透所述第一钝化层与至少部分的所述栅状掺杂导电层形成欧姆接触。
12.一种权利要求1～11任一项所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
对半导体衬底进行制绒处理；
在所述半导体衬底的后表面形成隧穿层；
在所述隧穿层表面沉积形成氢阻挡层；
在所述氢阻挡层表面沉积形成第一多晶硅层；
在所述第一多晶硅层表面形成掩膜，在所述掩膜未覆盖区域沉积形成栅状第二多晶硅层同时进行原位掺杂处理形成第二掺杂导电层，并在所述第二掺杂导电层表面沉积形成金属阻挡层；
对所述第一多晶硅层与所述第二掺杂导电层进行二次掺杂处理，得到轻掺杂导电层及重掺杂导电层。
13.一种光伏组件，其特征在于，所述光伏组件包括多个太阳能电池串，所述太阳能电池串包括权利要求1～11任一项所述的太阳能电池。
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