CN202977438U - 一种全背面接触晶硅电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光伏技术领域的新型晶硅电池，具体地讲是涉及一种结合离子注入技术的全背面接触晶硅电池。全背面接触晶硅电池包括硅片基底、减反层、基极、发射极和金属栅线等，全背面接触晶硅电池的发射极和基极不在同一个平面内，能兼顾电子和空穴以很短的路径移动到发射极和基极，减少载流子电池内体复合；通过将发射极和金属栅线从正面即受光面移到背面，减少了光学损失；发射极通过离子注入的方法获得，较热扩散掺杂的方法工艺步骤少；正面和背面均有钝化层，正面还有正表面电场FSF，能减少载流子表面的复合，最终提供一种量产效率高、工艺简单的太阳能电池。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光伏技术领域的新型晶硅电池，具体地讲是涉及一种结合离子注入技术的全背面接触晶硅电池。
背景技术
光伏技术是利用pn结二极管将太阳能转化为电能的技术，这个pn结二极管就是通常我们所说的太阳能电池。当太阳能电池受到太阳辐射时，光子在太阳能电池中产生电子空穴对，pn结将电子空穴对分离，通过外部电路连接可以形成电流，从而向外输出功率。
太阳能电池可以分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，传统的晶硅电池发射极接触电极和基极接触电极分别制作在电池片的正面和背面，其中接触发射极的金属栅线电极是制作在接受阳光照射的正面，因此电池的部分表面被金属覆盖，这部分遮光面积不能参与吸收入射的太阳光，造成一部分光学损失。
影响太阳能电池效率的主要因素除了光学损失还有电学损失。电学损失主要包括太阳能电池表面及体内的光生载流子复合，太阳能电池表面和金属栅线的接触电阻损失。所以在背面接触晶硅电池的表面需要有钝化层，以及金属栅线之间接触面积需要尽量减少以降低硅片表面的光生载流子复合。而减少体内光生载流子复合通过提高硅片的体少数载流子（bulkminority carrier）寿命，以及减少发射极之间的节距(pitch)等方式实现。
现有的背接触技术主要有金属穿孔背绕技术（MWT），发射极穿孔背绕技术（EWT），发射极钝化背接触技术（PERC、PERL），交错背接触技术(IBC)。其中交错背接触电池由于发射极和金属栅线全部在背面，也称为全背面接触电池。这种电池兼顾了效率提高的两个要素，受光面无金属栅线减少光学损失和正面背面均有钝化，以及背面金属点接触减少电学损失，所以全背面接触电池能达到很高的转换效率，它是目前量产效率最高的光伏电池。Sunpower公司的在中国的专利申请CN200780027187.2中详细说明了一种IBC电池的制造工艺。
现有的全背面接触电池制作方法往往是在有机掩膜保护的条件下使用热扩散掺杂的方法先形成图案化的发射极和基极。由于引入掩膜的涂覆，光刻，掩膜的去除，热扩散掺杂需要去除硅酸盐，制作工艺步骤繁琐、复杂，从而成本很高。另外，由于热扩散掺杂方法的扩散位置无法精确控制，往往需要在发射极与基极之间形成绝缘隔离或者凹槽隔离，从而也增加了工艺复杂性。离子注入技术能很好地避免这些缺点，不需要掩膜的保护就能实现图案化的发射极和基极的制作，掺杂的位置也可以更加精确，从而能省去很多工艺步骤。而且掺杂浓度和深度范围更大，能提高电池效率。中国专利申请201110122708.0中提出了一种离子注入制造交错背接触IBC晶硅太阳能电池的工艺。
但是现有的全背面接触电池中使用离子注入技术制作的背面的发射极和基极在同一平面内，不能兼顾电子和空穴以很短的路径移动到发射极和基极。并且发射极和基极之间还需要通过激光刻蚀的方法进行绝缘隔离，增加了工艺复杂性。
实用新型内容
本实用新型提供一种全背面接触晶硅电池，该全背面接触晶硅电池的发射极和基极不在一个平面内，能兼顾电子和空穴以很短的路径移动到发射极和基极，减少载流子电池内体复合；由于正面即受光面没有发射极和金属栅线，减少了光学损失；发射极通过离子注入的方法获得，较热扩散掺杂的方法工艺步骤少；正面和背面均有钝化层，正面还有浅掺杂的正表面电场FSF，能减少载流子表面的复合。最终提供一种量产效率高、工艺简单的太阳能电池。
一种全背面接触晶硅电池，包括硅片基底、减反层、基极、发射极和金属栅线等，所述全背面接触晶硅电池的发射极和基极不在同一个平面上。
所述全背面接触晶硅电池的正面和背面均有钝化层。
所述全背面接触晶硅电池的正面和/或背面的钝化层为氧化层。
所述全背面接触晶硅电池的正面还包括正表面电场FSF，正表面电场FSF为浅掺杂型。
所述全背面接触晶硅电池的发射极和金属栅线位于全背面接触晶硅电池的背面。
本实用新型电池使用n型或者p型硅片基底，正面受光面为金字塔绒面结构，正面受光面从上到下覆盖有减反层、正面钝化层、正表面浅掺杂区形成的正表面电场、硅片基底、背面有无图形化的重掺区（P+或N+）形成的发射极和图形化的凹槽、以及位于凹槽底部的图形化重掺区形成的基极。背面有钝化层，在发射极和基极区域的钝化层有开口，分别在发射极和基极区域的开口内部形成金属连接。
与现有技术相比，本实用新型的最大优势在于发射极和基极不在同一个平面上。因为光生载流子一般产生在硅片的受光面，在现有的全背面接触电池中载流子移动到背面的发射极和基极的过程中容易复合，所以一般通过提高硅片的体少数载流子寿命来加以改善,但是受到硅片成本的限制，提高的幅度有限。另外减少发射极之间的节距（pitch）也是减少体复合的手段之一，但是考虑到晶硅电池大规模生产的重复性和可靠性的要求，图案化的精细度不宜过小，所以这种方式提升的幅度也很有限。现有的全背面接触电池中背面的发射极和基极在同一平面内，不能兼顾电子和空穴以很短的路径移动到发射极和基极。本实用新型中发射极较宽，基极区域较窄但是更靠近受光面，所以能在不改变体少数载流子寿命和不减少发射极之间节距的基础上减少正表面载流子的体复合几率，从而在不增加生产成本并且保证重复性和可靠性的基础上，提高电池效率。
另外由于发射极与基极不在同一个平面上能实现两者的绝缘而不用增加绝缘凹槽的步骤。而且在后续的金属化过程中金属栅的制作过程也能更好地将与不同极性掺杂区接触的金属栅分离。
一种全背面接触晶硅电池的制备方法，包括以下步骤：
1)在硅片基底的正面通过碱制绒的方法去除损伤层，形成随机金字塔结构，并对硅片基底的背面进行抛光处理；
2)在硅片基底的正面通过离子注入形成无图形的浅掺杂区，即正表面电场FSF，在硅片基底的背面通过离子注入方法形成无图形的掺杂区，即发射极，并退火处理去除离子注入中的损伤；
3)在背面通过湿法刻蚀或者激光开槽的方式形成图形化的凹槽区，湿法刻蚀是先覆盖图形化的耐腐蚀掩膜层，然后对露出的硅进行腐蚀后去掉掩膜层的方法，电池背面制备凹槽的目的是使发射极和基极不在同一个平面上，凹槽可以为条纹状、方块状或圆形状，凹槽的面积占整个背面面积的比例小于10%；
4)在凹槽区通过有遮蔽装置的离子注入的方法形成基极区，并在氧气或惰性气氛下退火处理去除离子注入中的损伤，如果硅片是n型，基极区是n+型，则可以掺杂磷或者砷；
5)在硅片基底的正面制备减反层，减反层可以是SiNx、TIOx或SiONx；
6)发射极、凹槽中的基极的开口通过激光或者湿法腐蚀，湿法腐蚀是通过制作耐腐蚀掩膜层露出凹槽和发射极需要开口的部分，置入HF等溶液中去除钝化层等的方法；
7)在硅片基底的背面开口区域通过丝网印刷或者电镀方法形成金属连接，并通过退火烧结形成欧姆接触的金属栅线，即得。
步骤1）中所述碱制绒中化学药液采用KOH、NaOH或IPA等碱性溶剂中的一种或几种，处理温度小于100℃；所述的背面抛光处理采用湿法化学或者机械方式，去除厚度小于50μm。
步骤2）中所述的硅片基底为n型，在硅片基底的正面通过离子注入磷和/或砷形成n+型正表面电场。
步骤2）中所述的发射极为P+型，在硅片基底的背面通过离子注入硼和/或镓。
步骤5）中在所述硅片基底的增加制备正面和背面钝化层。
步骤5）中在所述的钝化层为SiOx、AlOx、TiOx或SiNx中的一种或几种。
所述减反层和/或钝化层的制备采用等离子增强气相沉积（PECVD）、原子层沉积（ALD）、常压化学气相沉积（APCVD）或物理溅射沉积（PVD）方法。
与现有热扩散掺杂技术的相比，本实用新型全背面接触晶硅电池的制备方法中的发射极和基极的掺杂区使用的是离子注入的技术，掺杂能量和掺杂深度更均匀，范围也更大，更适用与尺寸较小并且图形化的掺杂区。由于离子注入的图形化是在离子注入机中增加遮蔽板的部件而无需增加涂覆有机掩膜，光刻，去除掩膜的工艺步骤，生产和投资成本大大降低。此外本实用新型各步骤的离子注入方法中只有一步需要图形化的注入，与传统方法不同，减少了图形化的部分，这样能避免在离子注入时不同图形间的对准问题。
与现有技术相比，本实用新型提供了一种全背面接触晶硅电池及其制备方法，具有以下优点：1）发射极和基极不在一个平面上，能兼顾电子和空穴以很短的路径移动到发射极和基极，减少电池内体复合，从而大大提高了效率；2）硅片基底的正面和背面均有钝化层，其中正面还有浅掺杂区形成的正表面电场FSF，能很好的减少表面复合；3）发射极和基极的掺杂区使用离子注入的技术，与热扩散掺杂相比，无需增加涂覆有机掩膜，光刻，去除掩膜的工艺步骤，生产和投资成本大大降低；4）发射极无图形化，解决了离子注入时不同图形间的对准问题；5）受光面无金属栅线，减少了光学损失。
附图说明
图1是本实用新型全背面接触晶硅电池的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例1
一种全背面接触晶硅电池，如图1所示，电池包括：n型硅片基底4，其厚度200μm，少数载流子寿命1000微秒，电阻50ohm/square，正面受光面为金字塔绒面结构，正面受光面从上到下覆盖有减反层1，正面氧化层2，正表面浅掺杂区形成的正表面电场FSF3，硅片基底4。背面有无图形化的重掺区形成的P+发射极8和图形化的凹槽，以及位于凹槽底部的图形化重掺区形成的n+基极5。背面有背面氧化层7，在发射极8和基极5区域的氧化层有开口，分别在发射极8和基极5区域的开口区形成金属栅线6连接，不同极的金属连接之间绝缘断开。
全背面接触晶硅电池的制备方法，参见图2-8，包括以下步骤：
步骤1：在硅片基底4的正面通过碱制绒的方法去除损伤层约10μm，并且形成随机金字塔结构，碱为KOH，处理温度80℃，并对背面采用湿法化学方法进行抛光处理，去除厚度10μm。
步骤2：在硅片基底4的正面通过离子注入磷的方法形成无图形的浅掺杂区，称为正表面电场FSF3，注入后结深约0.1μm,电阻约为50ohm/square。在硅片基底4的背面注入硼，形成无图形的掺杂区，即发射极8，注入后的结深约1μm,电阻约为10ohm/square。并在氧气气氛下退火，退火温度500℃，10分钟，处理去除离子注入中的损伤，形成正面氧化层2和背面钝化层7SiO2，正面氧化层和背面钝化层的厚度均为10nm。
步骤3：在背面通过激光开槽的方式形成图形化的凹槽区9，激光脉冲宽度1ps，激光波长为红外。形成的凹槽在背面看为方块状，方块宽度10μm，方块间距1mm。
步骤4：在凹槽9通过有遮蔽装置的离子注入磷的方法形成n+型基极5，注入后结深约0.1μm,电阻约为20ohm/square，在氧气气氛下退火，退火温度800℃，30分钟，处理去除离子注入中的损伤。
步骤5：在硅片基底4的正面通过PECVD制备减反层1Si3N4厚度为30nm，折射率为2。
步骤6：对发射极8和凹槽9中的基极5的氧化层7进行激光开孔，孔的直径为80μm，发射区域的孔间距为500μm。
步骤7：在硅片基底4的背面开口区域丝网印刷形成金属连接，并通过退火烧结形成欧姆接触的金属栅线6，退火温度500℃，10分钟。
实施例2
一种全背面接触晶硅电池，如图1所示，电池包括：n型硅片基底4，其厚度160μm，少数载流子寿命1000微秒，电阻20ohm/square，正面受光面为金字塔绒面结构，正面受光面从上到下覆盖有减反层1，正面钝化层2，正表面浅掺杂区形成的n+型正表面电场FSF3，硅片基底4。背面有无图形化的重掺区形成的P+发射极8和图形化的凹槽，以及位于凹槽底部的图形化重掺区形成的n+基极5。背面有背面钝化层7，在发射极8和基极5区域的钝化层有开口，分别在发射极8和基极5区域的开口区形成金属栅线6连接，不同极的金属连接之间绝缘断开。
全背面接触晶硅电池的制备方法，参见图2-8，包括以下步骤：
步骤1：在硅片基底4的正面通过碱制绒的方法去除损伤层约20μm，并且形成随机金字塔结构，化学药液包括KOH，IPA，处理温度90℃，并对背面采用机械方式进行抛光处理，去除厚度20μm。
步骤2：在硅片基底4的正面通过离子注入砷的方法形成无图形的浅掺杂区，称为正表面电场FSF3，注入后结深约1μm,电阻约为150ohm/square。在硅片基底4的背面注入镓，形成无图形的掺杂区，即发射极8，注入后的结深约2μm,电阻约为20ohm/square。并在氮气气氛下退火，退火温度1000℃，300分钟，处理去除离子注入中的损伤。
步骤3：在背面通过激光开槽的方式形成图形化的凹槽区9，激光脉冲宽度100ns，激光波长为紫外。形成的凹槽从背面看为条纹状，条纹宽度50μm，条纹间距5mm。
步骤4：在凹槽9通过有遮蔽装置的离子注入砷的方法形成n+型基极5，注入后结深约1μm,电阻约为100ohm/square，在氮气气氛下退火，退火温度1000℃，300分钟，处理去除离子注入中的损伤。
步骤5：在硅片基底4的正面通过PECVD依次制备正面钝化层2氮氧化硅和减反层1Si3N4，减反层1Si3N4厚度为60nm，折射率为1.9，正面钝化层2氮氧化硅厚度为20nm，折射率为1.6；在硅片基底4的背面通过PECVD依次制备背面钝化层7Al2O3和Si3N4，Al2O3厚度为20nm，Si3N4厚度为80nm。
步骤6：对发射极8和凹槽9中的基极5的钝化层7进行激光开孔，如图7所示孔10的直径为100μm，发射区域的孔间距为500μm。
步骤7：在硅片基底4的背面开口区域通过电镀方式形成金属接触，并通过退火烧结形成欧姆接触的金属栅线6，退火温度1000℃，时间300分钟。
Claims (5)
1.一种全背面接触晶硅电池，包括硅片基底、减反层、基极、发射极和金属栅线，其特征在于，所述全背面接触晶硅电池的发射极和基极不在同一个平面上。
2.根据权利要求1所述的全背面接触晶硅电池，其特征在于所述全背面接触晶硅电池的正面和背面均有钝化层。
3.根据权利要求2所述的全背面接触晶硅电池，其特征在于所述全背面接触晶硅电池的正面和/或背面的钝化层为氧化层。
4.根据权利要求2所述的全背面接触晶硅电池，其特征在于所述全背面接触晶硅电池的正面还包括正表面电场FSF，所述正表面电场FSF为浅掺杂型。
5.根据权利要求1所述的全背面接触晶硅电池，其特征在于所述发射极和金属栅线位于电池的背面。
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2012
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