CN1815760A - 基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，P型硅片上设有磷扩散形成的PN结、正面设有氮化硅层或二氧化硅层表面钝化层和减反膜，以及正电极。特征是，该硅片背金属层通过p－型点状合金扩散区构成欧姆接触，背金属的其他部分与硅片背面之间设有钝化层。其制造方法是：硅片选用P型；绒面制作和清洗；磷扩散形成PN结；等离子刻蚀腐蚀边缘：两面生长氮化硅或二氧化硅；背面通过丝网印刷，用固相－固相扩散或选择性气相扩散的方法制成点接触的P+的浓区；正面通过丝网印刷电极及烧结；背面全面积加金属层。本发明使电池的开路电压＞650mV，电流密度＞38mA/cm2，填充因子在74％～78％，电池的转换效率可达18％～20％。

Description

基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种基于丝网印刷工艺的背面点接触高效低成本硅太阳电池的结构；本发明还涉该硅太阳电池的制造方法。
背景技术
硅太阳电池实为一个PN结的器件，通过PN结的电场将光照所产生的光生载流子扫到PN结的两边形成光生电流，达到光电转换的效果。为了增加光生载流子，太阳电池的表面被制成绒面或类金字塔结构来增加光吸收，同时用减反射膜来减少光反射。为了减少光生载流子的复合，在硅体内和表面都增加了减少复合机制的结构或措施。在体内，要选择高纯度、无缺陷、低含氧量的硅单晶或多晶材料；在结构上采用高质量的扩散方法形成高质量的PN结，PN结两边的浓度不易太浓，避免形成“死区”；背面通过扩散形成背面电场，加速光生载流子的漂移速度等等。在表面，通过各类钝化技术如PECVD生长氮化硅膜等方法减少表面复合；减少硅片两面浓区的扩散面积等等。
硅太阳电池的制作工艺可以类比于集成电路的工艺。但是太阳电池的低成本决定了其工艺技术一定是大产能和低成本的工艺技术，减少工艺制作成本和提高太阳电池的转换效率就是主要的技术核心所在。太阳电池的制作工艺中扩散用普通的扩散工艺，表面钝化用PECVD工艺，这两项工艺类同于集成电路工艺。金属化则采用丝网印刷和烧结工艺，这样的工艺产能大且成本低。太阳电池不采用光刻工艺。
常规的丝网印刷太阳电池工艺制作的主要过程如下：
1、硅片选用P型0.5～10欧姆-厘米，厚度0.2μm～0.4μm。
2、绒面制作和清洗：
通过化学腐蚀方法使硅片双面形成绒面。
3、磷扩散形成PN结。
4、等离子刻蚀腐蚀边缘。
5、PECVD生长氮化硅在硅片上表面作表面钝化和减反膜。
6、丝网印刷电极及烧结，其中正面金属为主栅线和次栅线；背面金属为全面积接触。
结构图见图1：p-型硅片1；正面淀积氮化硅钝化层2；背面全面积的背金属4。
常规的丝网印刷工艺制作的单晶硅太阳电池效率在16％左右，其中开路电压在600mV左右，填充因子在75％～78％左右，电流密度在～35mA/cm2。
常规的丝网印刷工艺制作的太阳电池背面为全面积的金属接触，没有表面钝化，表面态差，电池的开路电压和短路电流都受到很大的影响，对电池效率的不利影响是显而易见的。
发明内容
针对上述常规的丝网印刷工艺制作的硅太阳电池背面全金属接触结构所造成的开路电压低和短路电流小的缺点，本发明将提供一种基于常规丝网印刷工艺的硅太阳电池新结构：背面点接触的硅太阳电池，这种背面点接触结构的硅太阳电池可以明显提高太阳能电池的性能，使电池的开路电压＞650mV，电流密度＞38mA/cm2，填充因子可达到74％～78％，电池的转换效率可以达到18％～20％。同时，本发明还将提供这种硅太阳电池的制造方法。
完成上述发明任务的方案是：基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，P型硅片上设有磷扩散形成的PN结、正面设有氮化硅层或二氧化硅层表面钝化层和减反膜，以及正电极。其特征在于，该硅片背金属层通过p-型点状合金扩散区构成欧姆接触，背金属的其他部分与硅片背面之间设有钝化层。
换言之，本发明所述的硅太阳电池的正面结构与常规的丝网印刷工艺制作的太阳电池一样，同样是经过绒面腐蚀、正面发射极磷扩散、PECVD氮化硅钝化减反射膜，再金属化。新结构是指：它增加了太阳电池的背面钝化层及背面点接触。
所述的背面钝化层是指：背面的钝化层可以通过PECVD生长氮化硅形成，也可以通过热氧化形成二氧化硅的钝化层。钝化层的厚度要求不严格，在1000至3000之间即可，太薄有针孔，太厚则加长工艺时间，增加成本。
所述的背面点接触是指：背面通过点扩散区作为与背面电极的接触。背面则是点接触合金扩散，点接触的点面积可以在200um×200um以上，点接触的点为面阵列排列，点与点的间距控制在1mm以内，点接触的面积与硅片背面的总面积之比控制在0.1％～20％之间：比例越小，开路电压高短路电流大，但是填充因子下降，比例大则反之，优化点接触的面积比可以找到最佳的转换效率。
在p-型硅衬底浓度为1Ω-CM的条件下，典型值的点接触面积比在0.5～2.5％，本申请推荐采用1.5％左右。
点接触面积的大小由丝网印刷的精度所决定；印刷的浆料可以为铝浆，银铝浆等，也可以使用以铝元素为主和其他三族元素的混合浆料；经烧结扩散后与本体的p-型硅形成欧姆接触并得到一定的深度，烧结扩散的温度可以控制在680℃～1150℃左右，温度越高扩散的深度越深。
印刷浆料本申请推荐采用铝硼浆或以铝元素为主的三族元素混合浆料。
以上结构的制作方法是：在现有通用的丝网印刷工艺的基础上，通过丝网印刷的方法印制背面点接触的扩散源，达到选择行扩散的目的，再通过烧结工艺与背面电极连接。该结构与工艺方法广泛实用于丝网印刷的太阳电池生产工艺，按照该方法生产的太阳电池，可以提高2％～4％的绝对转换效率。
更具体和更优化地说，上述基于丝网印刷工艺的背面点接触高效低成本硅太阳电池的结构的特征在于：
1、电池背面基区的接触是点接触由P+的浓区构成，浓区的浓度可以在1018/cm3以上，浓区的结深可以在0.5um以上。
该浓区浓度的上限，受到制造成本的制约，在可能的情况下其浓度越高，技术效果越好。
2、点接触的P+的浓区可以是通过固相-固相扩散、选择性气相扩散的方法制成。
3、点接触区域的形成方法，即所述的“固相-固相扩散、选择性气相扩散的方法”可以是：
a.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅。背面采用丝网印刷印制银铝浆或其他含三族元素的点阵的点接触源。经过高温烧结烧穿氮化硅或二氧化硅再扩散进入硅本体形成浓扩散区与欧姆接触。最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化。
b.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅。利用激光打孔打出背面点接触的点阵区域，再经过常规的背面全印刷银铝浆烧结扩散后形成金属化。
c.在激光打制出点接触的阵列后，该点接触深度可以数um深。再经过碱腐蚀清洗点接触孔，通过常规的硼扩散在点接触孔内形成浓硼扩散。最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化。
d.点接触的浓硼区也可以通过“lift-off”的工艺方式实现，所谓的“lift-off”工艺是指，利用丝网印刷的方法将点接触的扩散源印的硅片背面(这个扩散源可以是硼铝源等三族元素组成，但是最好有铝元素)。再进行固-固扩散，扩散温度在950℃至1150℃，通过这样的固-固扩散，一般会形成浓度超过1018/cm3和数um结深的p-型扩散区。背面的点接触形成后，再做正面磷扩散和两面的钝化层。利用硝酸腐蚀液的腐蚀，会将背面点接触的固-固扩散源腐蚀掉，附在固-固扩散源上的钝化层也同时驳落，也就将背面的p-型浓区的点接触孔暴露出来。接下来就可以通过常规的金属化工艺实现双面金属化接触。
4、电池的两面可以同时生长氮化硅或二氧化硅作为两面的钝化保护，正面的钝化层同时也是减反射层。
5、在上述第三点中的a与b为固相-固相扩散后再金属化，在上述第三点中的c为选择性气相扩散后再金属化。
本发明基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池的制造方法，包括以下步骤：
硅片选用P型0.5～10欧姆-厘米，厚度0.2μm～0.4μm；
绒面制作和清洗；
磷扩散形成PN结；
等离子刻蚀腐蚀边缘；
两面生长氮化硅或二氧化硅；
背面通过丝网印刷，用固相-固相扩散或选择性气相扩散的方法制成点接触的P+的浓区；
正面通过丝网印刷电极及烧结；
背面全面积金属层。
上述制造方法中的“用固相-固相扩散或选择性气相扩散的方法制成点接触的P+的浓区”，具体可以选自以下方法：
a.硅片背面采用丝网印刷印制银铝浆或其他含三族元素的点阵的点接触源。经过高温烧结烧穿氮化硅或二氧化硅再扩散进入硅本体形成浓扩散区与欧姆接触。最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
b.利用激光打孔打出背面点接触的点阵区域，再经过常规的背面全印刷银铝浆烧结扩散后形成金属化；
c.在激光打制出点接触的阵列后，该点接触深度可以数um深。再经过碱腐蚀清洗点接触孔，通过常规的硼扩散在点接触孔内形成浓硼扩散。最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
d.点接触的浓硼区也可以通过“lift-off”的工艺方式实现，所谓的“lift-off”工艺是指，利用丝网印刷的方法将点接触的扩散源印的硅片背面(这个扩散源可以是硼铝源等三族元素组成，最好有铝元素)。再进行固-固扩散，扩散温度在950℃至1150℃，通过这样的固-固扩散，一般会形成浓度超过1018/cm3和数um结深的p-型扩散区。背面的点接触形成后，再做正面磷扩散和两面的钝化层。利用硝酸腐蚀液的腐蚀，会将背面点接触的固-固扩散源腐蚀掉，附在固-固扩散源上的钝化层也同时驳落，也就将背面的p-型浓区的点接触孔暴露出来。接下来就可以通过常规的金属化工艺实现双面金属化接触。
本发明的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，明显提高了电池的性能，可使电池的开路电压＞650mV，电流密度＞38mA/cm2，填充因子在74％～78％，电池的转换效率可以达到18％～20％。其制造方法简单实用，可直接用于工业化生产。
具体实施方案
实施例1：
硅片基本要求：p-型硅片，电阻率：0.5～10Ω-CM，厚度：250～400um。
制作工艺是：
清洗；
绒面制作：(1)碱腐蚀(通常为100晶向单晶硅)。腐蚀深度5～15um。
          (2)酸腐蚀(通常为除100晶向以外的单晶硅或多晶硅)腐
             蚀深度5～15um。
          (3)清洗，HF漂洗
磷扩散：方块电阻50～100Ω-CM
两面淀积氮化硅：PECVD，厚度～1000。
     或热氧化二氧化硅：厚度～1000。
背面激光刻点接触区：点接触面积比0.5～20％，点接触深度为3～5um。
碱腐蚀，清洗。
正面丝网印刷正电极，烧结。
背面丝网印刷全面积的背金属，烧结。
实施例2：
片基本要求：p-型硅片，电阻率：0.5～10Ω-CM，厚度：250～400um。
清洗
绒面制作：(1)碱腐蚀(通常为100晶向单晶硅)。腐蚀深度5～15um。
          (2)酸腐蚀(通常为除100晶向以外的单晶硅或多晶硅)
                 腐蚀深度5～15um。
          (3)清洗，HF漂洗
磷扩散：方块电阻50～100Ω-CM
两面淀积氮化硅：PECVD，厚度～1000。
或热氧化二氧化硅：厚度～1000。
背面激光刻点接触区：点接触面积比0.5～20％，点接触深度为3～5um。
碱腐蚀，清洗。
硼扩散：方块电阻50～200Ω-CM
正面丝网印刷正电极，烧结。
背面丝网印刷全面积的背金属，烧结。
实施例3：
硅片基本要求：p-型硅片，电阻率：0.5～10Ω-CM，厚度：250～400um。
清洗
绒面制作：(1)碱腐蚀(通常为100晶向单晶硅)。腐蚀深
                 度5～15um。
          (2)酸腐蚀(通常为除100晶向以外的单晶硅或多晶硅)腐
                 蚀深度5～15um。
          (3)清洗，HF漂洗
磷扩散：方块电阻50～100Ω-CM
两面淀积氮化硅：PECVD，厚度～1000；
    或热氧化二氧化硅：厚度～1000。
正面丝网印刷正电极，烧结。
背面丝网印刷点接触的背金属，烧结。
背面丝网印刷背金属，低温烧结。
实施例4：
片基本要求：p-型硅片，电阻率：0.5～10Ω-CM，厚度：250～400um。
清洗
绒面制作：(1)碱腐蚀(通常为100晶向单晶硅)。腐蚀深度5～15um。
          (2)酸腐蚀(通常为除100晶向以外的单晶硅或多晶硅)腐
                 蚀深度5～15um。
          (3)清洗，HF漂洗
背面丝网印刷点接触图形：扩散源可以是硼铝等固-固扩散源。
背面固-固扩散：方块电阻～100Ω-CM，结深在数um。
正面磷扩散：方块电阻50～100Ω-CM
两面淀积氮化硅：PECVD，厚度～1000。
或热氧化二氧化硅：厚度～1000。
硝酸“lift-off”：在以硝酸为主的腐蚀液中通过超声腐蚀。
正面丝网印刷正电极，烧结。
背面丝网印刷点接触的背金属，烧结。
背面丝网印刷背金属，低温烧结。

Claims (10)

1、基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，P型硅片上设有磷扩散形成的PN结、正面设有氮化硅层或二氧化硅层表面钝化层和减反膜，以及正电极，其特征在于，该硅片背金属层通过p-型点状合金扩散区构成欧姆接触，背金属的其他部分与硅片背面之间设有钝化层。
2、按照权利要求1所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的背面钝化层是指：通过PECVD生长氮化硅形成的钝化层，或通过热氧化形成的二氧化硅钝化层；
所述的背面点接触是指：背面通过点扩散区作为与背面电极的接触，所述点接触的点面积在200um×200um以上，背面点接触为面阵列结构，点接触的面积与背面总面积之比控制在0.1％～20％之间。
3、按照权利要求1所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，在p-型硅衬底浓度为1Ω-CM的条件下，所述的点接触面积比在0.5～2.5％。
4、按照权利要求2所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的点接触面积比在1.5％。
5、按照权利要求1或2或3或4所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的点接触由丝网印刷和烧结扩散形成，所述的丝网印刷的浆料为铝浆，银铝浆，或以铝元素为主和其他三族元素的混合浆料。
6、按照权利要求5所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的烧结扩散的温度在680℃～1150℃；所述的印刷浆料采用铝浆或以铝元素为主的三族元素混合浆料。
7、按照权利要求6所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的电池背面基区的点接触由P+的浓区构成，浓区的浓度在1018/cm3以上，浓区的结深在0.5um以上。
8、按照权利要求7所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池，其特征在于，所述的点接触的P+的浓区是通过固相-固相扩散、选择性气相扩散的方法制成，所述的“固相-固相扩散、选择性气相扩散的方法”是以下方法之一：
a.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅，背面采用丝网印刷印制银铝浆或其他含三族元素的点阵的点接触源，经过高温烧结烧穿氮化硅或二氧化硅再扩散进入硅本体形成浓扩散区与欧姆接触，最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
b.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅；利用激光打孔打出背面点接触的点阵区域，再经过常规的背面全印刷银铝浆烧结扩散后形成金属化；
c.在激光打制出点接触的阵列后，该点接触深度达数um深，再经过碱腐蚀清洗点接触孔，通过常规的硼扩散在点接触孔内形成浓硼扩散；最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
d.点接触的浓硼区也通过“lift-off”的工艺方式实现，所述的“lift-off”工艺是指，利用丝网印刷的方法将点接触的扩散源印的硅片背面；再进行固-固扩散，扩散温度在950℃至1150℃，形成浓度超过1018/cm3和数um结深的p-型扩散区；背面的点接触形成后，再做正面磷扩散和两面的钝化层；利用硝酸腐蚀液的腐蚀，将背面点接触的固-固扩散源腐蚀掉，附在固-固扩散源上的钝化层也同时驳落，将背面的p-型浓区的点接触孔暴露出来；然后通过常规的金属化工艺实现双面金属化接触。
9、一种权利要求1所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池的制造方法，包括以下步骤：
硅片选用P型0.5～10欧姆-厘米，厚度0.2μm～0.4μm；
绒面制作和清洗；
磷扩散形成PN结；
等离子刻蚀腐蚀边缘；
两面生长氮化硅或二氧化硅；
背面通过丝网印刷，用固相-固相扩散或选择性气相扩散的方法制成点接触的P+的浓区；
正面通过丝网印刷电极及烧结；
背面全面积加金属层。
10、按照权利要求9所述的基于丝网印刷工艺的背面点接触硅太阳电池的制造方法，其特征在于，所述的“用固相-固相扩散或选择性气相扩散的方法制成点接触的P+的浓区”，选自以下方法之一：
a.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅，背面采用丝网印刷印制银铝浆或其他含三族元素的点阵的点接触源，经过高温烧结烧穿氮化硅或二氧化硅再扩散进入硅本体形成浓扩散区与欧姆接触，最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
b.硅片正面经过磷扩散形成PN结后，两面生长氮化硅或二氧化硅；利用激光打孔打出背面点接触的点阵区域，再经过常规的背面全印刷银铝浆烧结扩散后形成金属化；
c.在激光打制出点接触的阵列后，该点接触深度达数um深，再经过碱腐蚀清洗点接触孔，通过常规的硼扩散在点接触孔内形成浓硼扩散；最后经过常规的背面全印刷银铝浆烧结形成金属化；
d.点接触的浓硼区也通过“lift-off”的工艺方式实现，所述的“lift-off”工艺是指，利用丝网印刷的方法将点接触的扩散源印的硅片背面；再进行固-固扩散，扩散温度在950℃至1150℃，形成浓度超过1018/cm3和数um结深的p-型扩散区；背面的点接触形成后，再做正面磷扩散和两面的钝化层；利用硝酸腐蚀液的腐蚀，将背面点接触的固-固扩散源腐蚀掉，附在固-固扩散源上的钝化层也同时驳落，将背面的p-型浓区的点接触孔暴露出来；然后通过常规的金属化工艺实现双面金属化接触。
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