CN116435413A - 一种异质结ibc太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种异质结IBC太阳能电池及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：硅片正面沉积钝化减反膜并清洗后，在硅片背面沉积本征非晶硅薄膜；在本征非晶硅薄膜上预分层，形成交错排列且均匀间隔的第一区和第二区，相邻的所述第一区和第二区之间形成间隙区；在第一区上掺杂磷形成N+区，在第二区上掺杂硼形成P+区；再进行退火，使N+区的磷元素和P+区的硼元素扩散到间隙区。本发明的一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，通过在硅片背面掺杂了磷和硼的N+区和P+区间留出间隙区，再将硅片退火处理，使P+区和N+区中的掺杂原子分别进行横向扩散进入间隙区，两种元素在间隙区的不完全或不充分掺杂，大大降低间隙区内的复合，从而有效改善电池的电性能。
Description
技术领域
本发明属于光伏组件技术领域，具体涉及一种异质结IBC太阳能电池的制备方法及利用该制备方法制备得到的异质结IBC太阳能电池。
背景技术
传统的IBC(Interdigitated Back Contact)电池，背面分别进行硼和磷的局部扩散，形成指交叉排列的P+和N+区，同时两个掺杂区中间需要存在一个间隙 (gap)，因为P+和N+区直接相连的话，该区域会产生横向漏电，形成IBC电池的较大的复合区域。一般的间隙区域有以下几种处理方法：一种方法为直接用激光在此区域内开槽，形成P+和N+区域的间隙区域，这种用激光开槽的方法，容易对硅片造成损伤；另一种方法为在沉积P+和N+区时，通过掩膜将这一区域屏蔽，不对这一部分进行任何掺杂，这种方法虽然也可以形成间隙区域，但这一区域由于只是进行了简单的表面钝化，相对于背面的P+和N+区域，其复合还是很高，从而不利于电池效率的进一步提升。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，用于解决现有技术中P+和N+区之间的gap区的复合高的问题，提升异质结IBC太阳能电池的效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一方面，本发明提供了一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
硅片正面沉积钝化减反膜并清洗后，在硅片背面沉积本征非晶硅薄膜；接着在本征非晶硅薄膜上进行预分层，形成交错排列且均匀间隔的第一区和第二区，相邻的所述第一区和第二区之间形成间隙区；在第一区上掺杂磷形成N+区，在第二区上掺杂硼形成P+区；再进行退火，使N+区的磷元素和P+区的硼元素扩散到间隙区。
通过在掺杂了磷的N+区和掺杂了硼的P+区之间留出间隙区，此时的间隙区内无掺杂元素，再进行退火步骤，使P+区和N+区中的掺杂原子分别进行横向扩散进入间隙区，使间隙区的复合降低。
根据本发明的一些优选实施方面，所述间隙区包括相连的第一部和第二部，所述第一部靠近相邻的N+区，所述第二部靠近相邻的P+区；所述第一部内扩散有磷元素，所述第二部内扩散有硼元素；在每个所述间隙区内，所述第一部内的磷元素的浓度由远离所述第二部的一侧向靠近第二部的一侧逐渐降低，所述第二部内的硼元素的浓度由远离所述第一部的一侧向靠近第一部的一侧逐渐降低。在所述第一部与第二部重合的区域，所述磷元素的浓度与硼元素的浓度相等。
根据本发明的一些优选实施方面，所述N+区内掺杂的磷的浓度大于所述间隙区内的磷元素的浓度，所述P+区内掺杂的硼的浓度大于所述间隙区内的硼元素的浓度。所述间隙区的宽度为10-50μm；所述退火的温度为180-260℃，所述退火的时间为40-120min。
具体地，退火的目的是：利用浓度差异，使N+区和P+区的掺杂原子扩散到间隙区，形成在间隙区的如下掺杂剂的浓度分布：
与P+区相连的第二部，在二者交界处的浓度与P+区的浓度接近，随着远离 P+区，在第二部内的掺杂浓度急剧下降。由于靠近P+区一侧的第二部的硼的横向扩散，导致靠近P+区一侧第二部的空穴浓度增加和电子浓度降低。
与N+区相连的第一部，在二者交界处的浓度与N+区的浓度接近，随着远离N+区，在第一部内的掺杂浓度急剧下降。由于靠近N+区一侧第一部的磷的横向扩散，导致靠近N+区一侧的第一部的电子浓度增加和空穴浓度降低。
这两种元素在间隙区的不完全或不充分的掺杂，大大降低了该区域的复合，能有效改善这种异质结IBC结构电池的电性能。同时间隙区的宽度也取决于磷和硼在第一部和第二部内的掺杂水平，一般要求间隙区的极限宽度为：当第一部和第二部内的磷元素和硼元素相向扩散时，当所述第一部的一侧边与第二部的一侧边刚好重合时，此时第一部与第二部形成的间隙区的宽度(第一部与第二部的宽度之和)为最佳宽度，所述间隙区的宽度为10-50μm；此时，二者重合的侧边处的所述磷元素的浓度与硼元素的浓度相等。本发明的一些实施例中，所述第一部的宽度为8-40μm，所述第二部的宽度为1-15μm。
根据本发明的一些优选实施方面，所述在硅片背面沉积本征非晶硅薄膜可以通过等离子体增强的化学气相沉积法制备得到，其中，沉积压力为2-20mbar，射频功率为8-10MHz，腔体温度为180-250℃，所用的气体为氢气稀释的甲硅烷气体用作前驱体，所述本征非晶硅薄膜的厚度为50-300nm。
根据本发明的一些优选实施方面，所述硅片为n型硅或p型硅。
根据本发明的一些优选实施方面，所述第一区上掺杂磷形成N+区、在第二区上掺杂硼形成P+区的方法为：先在所述第二区及间隙区上均匀间隔地沉积一层光刻胶掩膜，在未沉积掩膜的第二区内先掺杂磷形成N+区；去除掩膜并在 N+区和间隙区上再均匀间隔地沉积一层光刻胶掩膜，在未沉积掩膜的第一内掺杂硼形成P+区。
根据本发明的一些优选实施方面，所述N+区掺杂磷的浓度为1×1020-1×1021atoms/cm3，所述P+区掺杂硼的浓度为1×1019-5×1020atoms/cm3；所述间隙区内的磷元素的浓度为1×1018-1×1021atoms/cm3，所述间隙区内的硼元素的浓度为 5×1017-1×1020atoms/cm3。
根据本发明的一些优选实施方面，所述在第一区内和第二区内通过离子注入法分别掺杂磷及硼。
根据本发明的一些优选实施方面，所述硅片正面沉积钝化减反膜的步骤前，还对晶体硅依次进行了双面抛光、背面沉积掩膜、正面制绒、正面硼扩散、去除正面BSG(Boron-Silicate Glass，硼硅酸盐玻璃)层和背面掩膜、正面沉积钝化减反膜和清洗；所述退火的步骤后还在硅片背面沉积了TCO(Transparent Conductive Oxide，透明导电氧化物)层，并在背面N+区和P+区制备金属电极。
具体地，本发明的一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
Step1：使用1.5％-15％的碱性溶液对硅片进行双面抛光，去除损伤层，反射率控制在38％-45％；其种，硅片的电阻率为1-5Ω·cm，厚度为50-150μm，碱性溶液为KOH溶液或NaOH溶液；
Step2：在硅片背面通过等离子体增强的化学气相沉积法沉积一层致密的掩膜层，该掩膜为SiNx、SiOx、SiOxNy中的一种；
Step3：对硅片的正表面进行单面制绒，形成具有限光作用的金字塔绒面结构；
Step4：对正面的绒的结构进行硼扩散形成FFE层；该过程可以通过低压扩散或离子注入的方式完成，方阻控制在120-180R/squ,表面的掺杂浓度控制在 1×1018-1×1020atoms/cm3；制备FFE层结构的目的是为了增强载流子的横向传输的能力，从而达到增大背面BSF(Back Surface Field)层宽度的目的；
Step5：用HF溶液去除正面的BSG层，同时去除背面的掩膜层；
Step6：在硅片正面通过等离子体增强的化学气相沉积法沉积钝化减反膜，并将所得的电池片在RCA溶液中再次清洗，以确保背表面清洁无污染；该钝化减反膜可以为AlxOy、SiNx、SiOx、SiOxNy的一种或几种的组合，该钝化减反射膜可以同时作为正面的保护掩膜；
Step7：将清洗过的电池片通过等离子体增强化学气相沉积法进行背面本征非晶硅薄膜的沉积，沉积压力为2-20mbar，射频功率为8-10MHz，腔体温度为 180-250℃，用氢气稀释的甲硅烷气体用作前驱体，本征非晶硅薄膜的厚度为 50-150nm；
Step8：在本征非晶硅薄膜上先标记出第一区和第二区，第一区和第二区交错均匀间隔排列，相邻的第一区和第二区之间即为间隙区；
Step9：采用光刻掩膜工艺在第二区和间隙区上沉积一层光刻胶掩膜，在没有掩膜的第一区用离子注入法，将磷注入到第一区中形成N+区，再去除第二区和间隙区的光刻胶；
Step10：再用光刻掩膜工艺在第一区和间隙区上沉积一层光刻胶掩膜，在没有掩膜的第二区内用离子注入法，将硼注入到第二区中形成P+区，并去除N+ 区和间隙区的光刻胶；
Step11：将步骤10中所得的电池片置于退火炉中退火40-120min，退火温度为180-260℃，利用浓度差异，使N+区和P+区的掺杂原子，扩散到间隙区内；
Step12：在硅片背面用RPD法(反应等离子沉积)或PVD法(物理气相沉积)沉积TCO层；
Step13：在硅片背面的N+和P+区通过真空蒸镀、电镀或丝网印刷制备金属电极。
另一方面，本发明还提供了一种利用如上所述的制备方法制备得到的异质结IBC太阳能电池。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，通过在硅片背面掺杂了磷的N+区和掺杂了硼的P+区之间留出间隙区，再将硅片进行退火处理，使P+区和N+区中的掺杂原子分别进行横向扩散进入间隙区，两种元素在间隙区的不完全或不充分的掺杂，大大降低了该间隙区内的复合，从而有效改善这种异质结IBC结构电池的电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的实施例一中的一种异质结IBC太阳能电池的制备方法的流程图；
图2是本发明的实施例二中的一种异质结IBC太阳能电池的结构示意图；
其中，附图标记包括：硅片-1，FFE层-2，正面钝化减反膜-3，N+区-4，P+ 区-5，间隙区-6，第一部-61，第二部-62，TCO层-7，金属电极-8。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一：一种异质结IBC太阳能电池的制备方法
参照图1，本实施例中的一种异质结IBC太阳能电池的制备方法如下所述，包括如下步骤：
Step1：选用的硅片1为n型晶体硅，并使用10％的KOH溶液对硅片进行双面抛光，去除损伤层，反射率控制在40％；其种，n型晶体硅的电阻率为3Ω·cm，厚度为100μm；
Step2：在硅片1背面通过等离子体增强的化学气相沉积法沉积一层致密的 SiNx掩膜层；
Step3：对硅片1的正表面进行单面制绒，形成具有限光作用的金字塔绒面结构；
Step4：对正面的绒面结构通过低压扩散法进行硼扩散，形成FFE层2；方阻为160R/squ,表面的掺杂浓度控制在4×1019atoms/cm3；
Step5：用HF溶液去除正面的BSG层，同时去除背面的掩膜层；
Step6：在硅片1正面通过等离子体增强的化学气相沉积法沉积正面钝化减反膜3(AlxOy)，并将所得的电池片在RCA溶液中再次清洗，以确保背表面清洁无污染；
Step7：将清洗过的电池片通过等离子体增强化学气相沉积法进行背面本征非晶硅薄膜的沉积，沉积压力为12mbar，射频功率为9MHz，腔体温度为200℃，用氢气稀释的甲硅烷气体作为前驱体，本征非晶硅薄膜的厚度为100nm；
Step8：在本征非晶硅薄膜上先标记出第一区和第二区，第一区和第二区交错均匀间隔排列，相邻的第一区和第二区之间即为间隙区6；
Step9：采用光刻掩膜工艺在第二区和间隙区6上沉积一层光刻胶掩膜，在没有掩膜的第一区用离子注入法，将磷注入到第一区中形成N+区4，N+区4内磷的掺杂浓度为9×1020atoms/cm3，再去除第二区和间隙区6的光刻胶；
Step10：再用光刻掩膜工艺在第一区和间隙区6上沉积一层光刻胶掩膜，在没有掩膜的第二区内用离子注入法，将硼注入到第二区中形成P+区5，P+区5 内硼的掺杂浓度为4×1019atoms/cm3，并去除N+区4和间隙区6的光刻胶；
Step11：将步骤10中所得的电池片置于退火炉中退火100min，退火温度为 220℃，利用浓度差异，使N+区4和P+区5的掺杂原子分别扩散到间隙区6的第一部61和第二部62内，此时，第一部61与第二部62相互接触的一侧处的扩散的磷和硼的浓度相等，为8×1018atoms/cm3；
Step12：在硅片1背面用RPD法沉积TCO层7；
Step13：在硅片1背面的N+区4和P+区5通过丝网印刷制备金属电极8。
实施例二：一种异质结IBC太阳能电池
如图2所示，本实施例的太阳能电池的结构包括n型硅片1，由内向外依次包括设置在硅片1正面的FFE层2及正面钝化减反膜3；由内向外依次包括设置在硅片1背面的掺杂区及TCO层7，在TCO层7上对应每个N+区4和P+区 5的区域设置有金属电极8。
其中，掺杂区包括交错且均匀间隔设置的N+区4和P+区5，N+区4内掺杂有磷元素，P+区5内掺杂有硼元素；相邻的N+区4和P+区5之间为间隙区6。每个间隙区6包括靠近相邻的N+区4的第一部61，和靠近相邻的P+区5的第二部62，第一部61内掺杂有磷元素，第二部62内掺杂有硼元素。
对比例一
本对比例的异质结IBC太阳能电池的制备方法与实施例一的区别在于没有Step11的步骤，在形成N+区4和P+区5后不进行退火处理，其余的步骤均与实施例一相同。
实施例三结果与讨论
对按照实施例一和对比例一的异质结IBC太阳能电池的制备方法制备的电池进行相关电化学性能测试，测试方法为：利用传统的Halm测试仪，在STC (Standard TestConditions)条件(25℃，1000w/m2)进行测试。测试结果见表 1。
表1实施例一及对比例一制备的异质结IBC太阳能电池的电性能测试结果
| Uoc(V) | Jsc(A/cm2) | FF(％) | Eta(％) | |
| 实施例一 | 724 | 40.30 | 81.70 | 23.84 |
| 对比例一 | 706 | 39.87 | 81.20 | 22.86 |
从表1中可以看出，按照实施例一的制备方法制备得到的异质结IBC太阳能电池在开路电压(Uoc)、电流密度(Jsc)、影响因子(FF)及转换效率(Eta) 等方面都明显优于对比例一不进行退火而制备得到的异质结IBC太阳能电池。实施例一的制备方法在掺杂之后增加退火步骤，使制备得到的电池的转换效率提高，开路电压、短路电流和填充因子均提升；因此，通过退火处理，使P+区和N+区中的掺杂原子分别进行横向扩散进入间隙区，两种元素在间隙区的不完全或不充分的掺杂，大大降低了该间隙区内的复合，从而有效改善这种异质结 IBC结构电池的电性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种异质结IBC太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
硅片正面沉积钝化减反膜并清洗后，在硅片背面沉积本征非晶硅薄膜；接着在本征非晶硅薄膜上进行预分层，形成交错排列且均匀间隔的第一区和第二区，相邻的所述第一区和第二区之间形成间隙区；在第一区上掺杂磷形成N+区，在第二区上掺杂硼形成P+区；再进行退火，使N+区的磷元素和P+区的硼元素扩散到间隙区。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述间隙区包括相连的第一部和第二部，所述第一部靠近相邻的所述N+区，所述第二部靠近相邻的所述P+区；所述第一部内扩散有磷元素，所述第二部内扩散有硼元素；在每个所述间隙区内，所述第一部内的磷元素的浓度由远离所述第二部的一侧向靠近第二部的一侧逐渐降低，所述第二部内的硼元素的浓度由远离所述第一部的一侧向靠近第一部的一侧逐渐降低。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述第一部与第二部重合的区域，所述磷元素的浓度与硼元素的浓度相等。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述N+区内掺杂的磷的浓度大于所述第一部内的磷元素的浓度，所述P+区内掺杂的硼的浓度大于所述第二部内的硼元素的浓度。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一部的宽度为8-40μm，所述第二部的宽度为1-15μm，所述间隙区的宽度为10-50μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为180-260℃，所述退火的时间为40-120min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一区上掺杂磷形成N+区、在第二区上掺杂硼形成P+区的方法为：先在所述第二区及间隙区上均匀间隔地沉积一层光刻胶掩膜，在未沉积掩膜的第二区内先掺杂磷形成N+区；去除掩膜并在N+区和间隙区上再均匀间隔地沉积一层光刻胶掩膜，在未沉积掩膜的第一区内掺杂硼形成P+区。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述N+区掺杂磷的浓度为1×1020-1×1021atoms/cm3，所述P+区掺杂硼的浓度为1×1019-5×1020atoms/cm3；所述第一部内的磷元素的浓度为1×1018-1×1021atoms/cm3，所述第二部内的硼元素的浓度为5×1017-1×1020atoms/cm3。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在第一区内和第二区内通过离子注入法分别掺杂磷及硼。
10.一种由权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到的异质结IBC太阳能电池。
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