CN205960002U - 一种全背接触光伏电池及其组件和系统 - Google Patents

一种全背接触光伏电池及其组件和系统 Download PDF

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刘志锋
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Abstract

本实用新型涉及一种全背接触光伏电池及其组件和系统。本实用新型的一种全背接触光伏电池，N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为交替排列的背表面p+掺杂区域和背表面n+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面电极，背表面电极包括p+电极和n+电极；所述背表面钝化膜上设置有p+孔状阵列和n+孔状阵列，所述p+电极穿过p+孔状阵列与背表面p+掺杂区域欧姆接触，所述n+电极穿过n+孔状阵列与背表面n+掺杂区域欧姆接触。其有益效果是：用点状接触取代线条状接触，减少了金属电极与掺杂硅界面处的高复合；使用低温工艺形成铝电极，不会给掺杂硅表面带来破坏；铝与掺杂硅之间有优异的金属半导体接触；由此所制电池具有更高的开路电压、填充因子和转换效率。

Description

一种全背接触光伏电池及其组件和系统
技术领域
本实用新型涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种全背接触光伏电池及其组件和系统。
背景技术
太阳能电池是一种将光能转化为电能的半导体器件，较低的生产成本和较高的能量转化效率一直是太阳能电池工业追求的目标。对于目前常规太阳能电池，其p+掺杂区域接触电极和n+掺杂区域接触电极分别位于电池片的正反两面。电池的正面为受光面，正面金属接触电极的覆盖必将导致一部分入射的太阳光被金属电极所遮挡反射，造成一部分光学损失。普通晶硅太阳能电池的正面金属电极的覆盖面积在7％左右，减少金属电极的正面覆盖可以直接提高电池的能量转化效率。
背接触电池，是一种将p+掺杂区域和n+掺杂区域均放置在电池背面(非受光面)的电池，该电池的受光面无任何金属电极遮挡，从而有效增加了电池片的短路电流，使电池片的能量转化效率得到提高。其背表面的金属化一般采用丝网印刷法印刷线条状的掺铝银浆和银浆，这些浆料经高温烧结后烧穿背表面钝化膜与p+和n+掺杂区域形成欧姆接触。这种金属化方法存在如下不足：金属浆料和硅表面接触区域为线条状，在接触区域有严重的复合，接触面积越大，复合越大；在高温烧结过程中金属浆料会对硅表面形成一定程度的破坏。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全背接触光伏电池及其组件和系统。本实用新型采用低温工艺形成点状接触的铝电极，克服了现有全背接触光伏电池的金属化方法的不足。
本实用新型提供的一种全背接触光伏电池，其技术方案是：
一种全背接触光伏电池，包括N型晶体硅基体，N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为n+掺杂前表面场和前表面钝化减反膜，N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为交替排列的背表面p+掺杂区域和背表面n+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面电极，背表面电极包括p+电极和n+电极；所述背表面钝化膜上设置有p+孔状阵列和n+孔状阵列，所述p+电极穿过p+孔状阵列与背表面p+掺杂区域欧姆接触，所述n+电极穿过n+孔状阵列与背表面n+掺杂区域欧姆接触；所述N型晶体硅基体的长度与厚度的比值为300～10000。
其中，p+电极是p+铝电极，n+电极是n+铝电极。
其中，覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的宽度大于或者等于p+孔状阵列中的孔直径；覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的宽度大于或者等于n+孔状阵列中的孔直径。
其中，p+孔状阵列的孔直径为140～300μm，n+孔状阵列的孔直径为60～100μm。
其中，n+掺杂前表面场为轻掺杂，方阻为50～200Ω/sqr，结深为0.2～2.0μm。
其中，背表面n+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。
其中，背表面n+掺杂区域的宽度为50～400μm；N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm；N型晶体硅基体的厚度为50～300μm。
其中，前表面钝化减反膜是厚度为5～30nm的SiOx介质膜和厚度为40～80nm的SiNx介质膜；背表面钝化膜是厚度为4～20nm的AlOx介质膜和厚度为20～50nm的SiNx介质膜。
本实用新型化提供了一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，所述太阳能电池是上述的一种全背接触光伏电池。
本实用新型化提供了一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，其特征在于：所述太阳能电池组件是上述的太阳能电池组件。
本实用新型还提供了一种全背接触光伏电池的金属化方法，包括以下步骤：
(1)分别对N型晶体硅基体的前表面和背表面进行掺杂处理，在N型晶体硅基体的前表面形成n+掺杂前表面场，在N型晶体硅基体的背表面形成相互交替排列的背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域；并在N型晶体硅基体的前表面形成前表面钝化减反膜，在N型晶体硅基体的背表面形成背表面钝化膜；
(2)、在背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域上方开设贯穿背表面钝化膜的n+孔状阵列和p+孔状阵列；
(3)、在步骤(2)处理后的N型晶体硅基体的背表面沉积铝层；
(4)、在孔状阵列上印刷耐酸掩膜，将N型晶体硅基体放入酸性刻蚀液中，去除未被耐酸掩膜覆盖区域的铝层，形成相互电绝缘的p+铝电极和n+铝电极；
(5)、将步骤(4)处理后的N型晶体硅基体放入碱性溶液中，去除耐酸掩膜，得到全背接触光伏电池。
其中，步骤(1)中，对N型晶体硅基体的背表面进行掺杂处理的方法是：首先在N型晶体硅基体的背表面注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2的硼离子，然后在N型晶体硅基体的背表面选择性的注入磷离子，磷离子的注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2。
其中，注入磷离子时，在N型晶体硅基体的背表面和离子束之间设置掩膜，掩膜上设置线条状开口，线条状开口宽50～400μm。
其中，步骤(1)中，对N型晶体硅基体的前表面进行掺杂处理的方法是：在N型晶体硅基体的前表面注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2的磷离子。
其中，步骤(1)中，将掺杂完成后的N型晶体硅基体进行退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min，环境气源为N2和Ｏ2。
其中，在制备前表面钝化减反膜和背表面钝化膜之前将N型晶体硅基体放入清洗机中进行清洗、烘干处理；
前表面钝化减反膜的制备方法是：在N型晶体硅基体的前表面利用PECVD设备先沉积一层厚度为5～30nm的SiOx介质膜，然后在SiOx介质膜上再沉积一层厚度为40～80nm的SiNx介质膜；
背表面钝化膜的制备方法是：在N型晶体硅基体的背表面用PECVD设备或ALD设备沉积一层厚度为4～20nm的AlOx介质膜，然后在AlOx介质膜的表面再沉积一层厚度为20～50nm的SiNx介质膜。
其中，步骤(2)为使用激光器在N型晶体硅基体的背表面开设贯穿钝化膜的p+孔状阵列和n+孔状阵列。
其中，步骤(3)中，沉积铝层的方法为物理气相沉积法，铝层的厚度为2～5μm。
其中，步骤(4)中，耐酸掩膜是石蜡或者耐酸树脂，耐酸掩膜的宽度大于或者等于p+孔状阵列中的孔直径和n+孔状阵列中的孔直径；
酸性刻蚀液为盐酸；
步骤(5)中，碱性溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、四甲基氢氧化铵或乙二胺。
其中，开始步骤(1)之前，对N型晶体硅基体的前表面作制绒处理；N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm；N型晶体硅基体的厚度为50～300μm。
本实用新型的技术优点主要体现在：
在金属化过程中，用点状接触取代线条状接触，减少了金属电极与掺杂硅界面处的高复合；使用低温工艺形成铝电极，不会给掺杂硅表面带来破坏；铝与掺杂硅之间有优异的金属半导体接触；由此所制电池具有更高的开路电压、填充因子和转换效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤一后的电池结构截面示意图。
图2为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤二后的电池结构截面示意图。
图3为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤三后的电池结构截面示意图。
图4为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤四后的电池结构截面示意图。
图5为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤五后的电池结构截面示意图。
图6为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤六后的电池结构截面示意图。
图7为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤七后的电池结构截面示意图。
图8为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤八后的电池结构截面示意图。
图9为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤九后的电池结构截面示意图。
图10为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤十后的电池结构截面示意图。
图11为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤十一后的电池结构截面示意图。
图12为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤七中开孔图案示意图。
图13为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤十一后的背表面俯视图。
图14为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤三中使用的离子注入掩膜结构示意图。
图15为本实用新型实施例的全背接触光伏电池的制备方法步骤九后的电池背表面局部示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本实用新型加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。
本实用新型涉及的孔状阵列的孔直径，孔状图案如果是圆点，则孔直径为圆的直径，如果孔状图案为非圆形的孔状(如方形、椭圆形或者其它无规则的形状图案)，则孔直径为孔图案内连线的最长边的长度。
如图11所示，本实施例还提供了一种全背接触光伏电池，包括N型晶体硅基体10，N型晶体硅基体10的前表面从内到外依次为n+掺杂前表面场13和前表面钝化减反膜，N型晶体硅基体10的背表面从内到外依次为交替排列的背表面p+掺杂区域11和背表面n+掺杂区域12、背表面钝化膜和背表面电极，背表面电极包括p+电极和n+电极；所述背表面钝化膜上设置有p+孔状阵列和n+孔状阵列，所述p+电极穿过p+孔状阵列与背表面p+掺杂区域欧姆接触，所述n+电极穿过n+孔状阵列与背表面n+掺杂区域欧姆接触。p+电极是p+铝电极401，n+电极是n+铝电极402。N型晶体硅基体10的长度与厚度的比值为300～10000，N型晶体硅基体10的长度与厚度的比具体可以选择300∶1，125∶0.18，156∶0.18，156∶1，1560∶5，1560∶1，10000∶1。本实施例提供的一种全背接触光伏电池，用点状接触取代线条状接触，减少了金属电极与掺杂硅界面处的高复合；使用低温工艺形成铝电极，不会给掺杂硅表面带来破坏；铝与掺杂硅之间有优异的金属半导体接触；由此所制电池具有更高的开路电压、填充因子和转换效率。
优选地，如图11所示，覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的宽度大于或者等于p+孔状阵列中的孔直径。覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的宽度大于或者等于n+孔状阵列中的孔直径。p+孔状阵列的孔直径为140～300μm，n+孔状阵列的孔直径为60～100μm。
n+掺杂前表面场13为轻掺杂，方阻为50～200Ω/sqr，结深为0.2～2.0μm。背表面n+掺杂区域12的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域11的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。背表面n+掺杂区域12的宽度为50～400μm。前表面钝化减反膜是厚度为5～30nm的SiOx介质膜20和厚度为40～80nm的SiNx介质膜22；背表面钝化膜是厚度为4～20nm的AlOx介质膜21和厚度为20～50nm的SiNx介质膜23。N型晶体硅基体10的电阻率为0.5～15Ω·cm；N型晶体硅基体10的厚度为50～300μm。
参见图1至图15所示，本实施例提供的一种全背接触光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择156mm×156mm的N型晶体硅基体10，并对N型晶体硅基体10的前表面作制绒处理；N型晶体硅基体10的电阻率为0.5～15Ω·cm，优选1～5Ω·cm；N型晶体硅基体10的厚度为50～300μm，优选80～200μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示。
(2)、使用离子注入机在步骤(1)处理后的N型晶体硅基体10背表面进行离子注入，注入元素为硼，注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2，优选1.5×1015cm-2～2.5×1015cm-2。完成本步骤后的电池结构如图2所示。
(3)、使用离子注入机在步骤(2)处理后的N型晶体硅基体10背表面进行选择性地离子注入，注入元素为磷，注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2，优选4×1015cm-2～6×1015cm-2。离子注入时，在N型晶体硅基体10背表面和离子束之间设置掩膜50。掩膜50的材质为石墨，如图14所示，掩膜50上设置线条状开口51，线条状开口51宽50～400μm，优选100～300μm。掩膜50上的开口区域对应的N型晶体硅基体10背表面注入有硼和磷，其他区域则仅为硼注入。控制磷注入的剂量大于硼注入的剂量。完成本步骤后的电池结构如图3所示。
(4)、使用离子注入机在步骤(3)处理后的N型晶体硅基体10前表面进行离子注入，注入元素为磷，注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2，优选1×1015cm-2～3×1015cm-2。完成本步骤后的电池结构如图4所示。
(5)、将步骤(4)处理后的N型晶体硅基体10放入退火炉中进行高温退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，优选为850～1000℃，退火时间为30～200min，优选为60～200min，环境气源优选为N2和O2。退火完成后即形成n+掺杂前表面场13、背表面n+掺杂区域12和背表面p+掺杂区域11。其中掩膜50上的开口对应的N型晶体硅基体10背表面区域为背表面n+掺杂区域12，这是因为该区域注入的磷的剂量大于硼的剂量，同时硼在硅中的固溶度要低于磷，所以退火后该区域为n+掺杂。背表面其他区域为背表面p+掺杂区域11。其中n+掺杂前表面场13为轻掺杂，其方阻为50～200Ω/sqr，结深为0.2～2.0μm。背表面n+掺杂区域12的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。背表面p+掺杂区域11的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。完成本步骤后的电池结构如图5所示。
(6)、将步骤(5)处理后的N型晶体硅基体10放入清洗机中，清洗硅片表面并进行烘干。然后在N型晶体硅基体10的前表面用PECVD(等离子增强化学气相沉积)的方式先沉积一层厚度为5～30nm的SiOx介质膜20，然后在SiOx介质膜20上再沉积一层SiNx介质膜22，膜的厚度为40～80nm；在N型晶体硅基体10的背表面用PECVD或ALD(原子层沉积)的方式制作一层AlOx介质膜21，膜的厚度为4～20nm，然后在AlOx介质膜21的表面再沉积一层SiNx膜23，SiNx膜23的厚度为20～50nm。硅基体前表面的SiOx介质膜20与SiNx介质膜22的作用为硅基体前表面的钝化和光的减反射；硅基体背表面的AlOx介质膜21与SiNx介质膜23的作用为硅基体背表面的钝化，同时SiNx介质膜23也起到了对AlOx介质膜21的保护作用。完成本步骤后的电池结构如图6所示。
(7)、使用激光器在背表面钝化膜上开孔，确保其完全打开背表面AlOx介质膜21和SiNx介质膜23而不破坏背表面n+掺杂区域和p+掺杂区域，开孔的图案可以根据实际生产情况设定，例如可以是圆孔或者方孔，本步骤仅作出优选的示例性说明。本实施例中，开孔图案如图12所示，其中p+掺杂区域开孔图案31为p+孔状阵列，孔直径为140～300μm，n+掺杂区域的开孔图案32为n+孔状阵列，孔直径为60～100μm。完成本步骤后的电池结构如图7所示。
(8)、在步骤(7)处理后的N型晶体硅基体10的背表面采用PVD(物理气相沉积)法沉积铝层40，铝层40的厚度为2～5μm，本实施例中，铝层40的厚度指的是覆盖在钝化膜上的铝层厚度，不包括钝化膜的厚度。完成本步骤后的电池结构如图8所示。
(9)、在步骤(8)处理后的N型晶体硅基体10的背表面印刷耐酸掩膜60，耐酸掩膜60的成分为石蜡，还可以为耐酸树脂。印刷耐酸掩膜60的目的是为了保护将来要形成p+电极和n+电极的区域，而露出p+电极和n+电极之间的区域，这样可以在后续的刻蚀步骤中实现p+和n+电极之间的绝缘。为了方便说明，图15给出了完成本步骤后的电池背表面局部示意图，在背表面p+掺杂区域11和背表面n+掺杂区域12交界处一定宽度范围内为开孔区域，其余区域则被耐酸掩膜60覆盖。完成本步骤后的电池结构如图9所示。
(10)、将步骤(9)处理后的N型晶体硅基体10放入酸性刻蚀液中，去除未被耐酸掩膜60覆盖区域下方的铝层40，酸性刻蚀液为盐酸。刻蚀完成后，铝层40被分割为p+铝电极401和n+铝电极402，p+铝电极401与n+铝电极402之间电绝缘。完成本步骤后的电池结构如图10所示。
(11)、将步骤(10)处理后的N型晶体硅基体10放入碱性溶液中，去除耐酸掩膜60，碱性溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、四甲基氢氧化铵或乙二胺。完成本步骤后的背表面俯视图如图13所示，电池结构如图11所示。至此即完成本实用新型全背接触光伏电池的制作。
本实施例还提供了一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，所述太阳能电池是上述的一种全背接触光伏电池。
本实施例还提供了一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，其特征在于：所述太阳能电池组件是上述的太阳能电池组件。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种全背接触光伏电池，包括N型晶体硅基体，其特征在于：N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为n+掺杂前表面场和前表面钝化减反膜，N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为交替排列的背表面p+掺杂区域和背表面n+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面电极，背表面电极包括p+电极和n+电极；所述背表面钝化膜上设置有p+孔状阵列和n+孔状阵列，所述p+电极穿过p+孔状阵列与背表面p+掺杂区域欧姆接触，所述n+电极穿过n+孔状阵列与背表面n+掺杂区域欧姆接触；所述N型晶体硅基体的长度与厚度的比值为300～10000。
2.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：p+电极是p+铝电极，n+电极是n+铝电极。
3.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的p+电极的宽度大于或者等于p+孔状阵列中的孔直径；覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的厚度为2～5μm；覆盖在背表面钝化膜上的n+电极的宽度大于或者等于n+孔状阵列中的孔直径。
4.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：p+孔状阵列的孔直径为140～300μm，n+孔状阵列的孔直径为60～100μm。
5.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：n+掺杂前表面场为轻掺杂，方阻为50～200Ω/sqr，结深为0.2～2.0μm。
6.根据权利要求5所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：背表面n+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；背表面p+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。
7.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：背表面n+掺杂区域的宽度为50～400μm；N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm；N型晶体硅基体的厚度为50～300μm。
8.根据权利要求1所述的一种全背接触光伏电池，其特征在于：前表面钝化减反膜是厚度为5～30nm的SiOx介质膜和厚度为40～80nm的SiNx介质膜；背表面钝化膜是厚度为4～20nm的AlOx介质膜和厚度为20～50nm的SiNx介质膜。
9.一种太阳能电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、太阳能电池、封装材料、背层材料，其特征在于：所述太阳能电池是权利要求1-8任一所述的一种全背接触光伏电池。
10.一种太阳能电池系统，包括一个以上的太阳能电池组件，其特征在于：所述太阳能电池组件是权利要求9所述的太阳能电池组件。
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CN106653881A (zh) * 2017-02-24 2017-05-10 泰州中来光电科技有限公司 一种背接触太阳能电池串及其制备方法和组件、系统
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