CN206179885U - 一种背接触太阳能电池及其组件和系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种背接触太阳能电池及其组件和系统。本实用新型的一种背接触太阳能电池，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轻掺杂的n+前表面场和钝化减反膜；N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为掺杂区域、钝化膜和金属电极，掺杂区域包括背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域，背表面n+掺杂区域设置有n+金属电极，背表面p+掺杂区域设置有p+金属电极。其有益效果是：本实用新型的背接触太阳能电池在完成前后表面的钝化膜覆盖后，经测试，其隐开路电压可达690mV以上，暗饱和电流密度J0＜30fA/cm2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达95％以上。性能优良。

Description

一种背接触太阳能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，具体涉及一种背接触太阳能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。
背接触结构的太阳能电池是目前太阳能工业化批量生产的晶硅太阳能电池中能量转化效率最高的一种电池，它的高转化效率、低组件封装成本，一直深受人们青睐。但是，背接触电池制作工艺比较复杂，其中包含多道制作掩膜的工艺，该工艺要求很高的对准精度，在以往的制作方法中，大都采用半导体集成电路中所使用的光刻技术来制作背接触电池的掩膜，然而光刻技术的成本非常昂贵，就目前而言很难应用于大规模的背接触电池生产。同时还会有多步的高温过程，不仅增加了工艺的复杂性，还会提高硅片的生产成本。因此，采用低成本、工艺简单的方法制作高效的背接触电池，一直以来都是一个巨大的挑战。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高性能、生产成本低的背接触太阳能电池及其组件和系统。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采取的技术方案为：
一种背接触太阳能电池，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轻掺杂的n+前表面场和钝化减反膜；N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为掺杂区域、钝化膜和金属电极，掺杂区域包括背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域，背表面n+掺杂区域设置有n+金属电极，背表面p+掺杂区域设置有p+金属电极；N型晶体硅基体的长度与厚度的比值为300～10000。
其中，n+前表面场的方阻为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，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，p+金属电极为银铝合金电极，n+金属电极为银电极。
其中，背表面n+掺杂区域的图案为线条状图案或者点状图案。
其中，线条状图案宽50～400μm，点状图案的直径为500～1500μm。
其中，钝化减反膜是SiOx介质膜和SiNx介质膜，钝化膜是AlOx介质膜和SiNx介质膜，钝化减反膜的厚度为45～110nm，钝化膜的厚度为24～70nm。
本实用新型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，太阳能电池是上述的一种背接触太阳能电池。
本实用新型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，太阳能电池组件是上述的太阳能电池组件。
上述背接触太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、选择N型晶体硅基体，并对N型晶体硅基体的前表面作制绒处理；
(2)、在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行离子注入，注入元素包括硼；
(3)、在处理后的N型晶体硅基体的背表面进行选择性地离子注入，注入元素包括磷，磷的注入剂量大于硼的注入剂量；
(4)、在N型晶体硅基体的前表面进行离子注入，注入元素包括磷；
(5)、将处理后的N型晶体硅基体进行高温退火处理，退火的峰值温度为800～1100℃，退火时间为30～200min；退火完成后在N型晶体硅基体的前表面形成轻掺杂的n+前表面场，在N型晶体硅基体的背表面形成背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域；
(6)、将步骤(5)处理后的N型晶体硅基体进行清洗处理，去除前表面和背表面的氧化层，然后在N型晶体硅基体的前表面形成钝化减反膜，在N型晶体硅基体的背表面形成钝化膜；
(7)、通过丝网印刷技术在N型晶体硅基体的背表面p+掺杂区域上印刷p+金属电极浆料，在背表面n+掺杂区域上印刷n+金属电极浆料，并进行烧结处理。
其中，步骤(2)中，硼的注入剂量为0.5×1015cm-2～3×1015cm-2。
其中，步骤(3)中，磷的注入剂量为3×1015cm-2～8×1015cm-2；离子注入磷时，在N型晶体硅基体的背表面和离子束之间设置掩膜，掩膜上设置有开孔图案，掩膜的材质为石墨，掩膜上的开孔图案为线条状开口图案或者点状开口图案，线条状开口图案宽50～400μm，点状开口图案的直径为500～1500μm。
其中，步骤(4)中，磷的离子注入剂量为1×1015cm-2～4×1015cm-2。
其中，步骤(5)中，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技术先沉积一层厚度为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；
钝化膜的制备方法是在N型晶体硅基体的背表面利用PECVD技术或ALD技术先沉积一层厚度为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膜。
本实用新型的技术优点主要体现在：
本实用新型的背接触太阳能电池在完成前后表面的钝化膜覆盖后，经测试，其隐开路电压(Implied Voc)可达690mV以上，暗饱和电流密度J0＜30fA/cm2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达95％以上。性能优良。
本实用新型的背接触太阳能电池的制备方法还具有以下优点：
1、无需使用复杂的介质膜掩膜生长及开孔工艺就可形成交替排列的p+和n+掺杂区域，极大地简化了工艺流程；
2、n+前表面场、背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域在一次高温工序中共同形成，极大减少了高温工序数目，节约了生产成本；
3、使用离子注入和退火的方法完成掺杂，相对扩散来说其方阻均匀性更好，过程更容易控制。
由此可见，本实用新型的制备工艺流程较为简单，且成本较低、安全可控，便于进行产业化推广。
附图说明
图1为本实用新型实施例的背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能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背接触太阳能电池的制备方法步骤三中使用的条状开孔掩膜结构示意图。
图9为本实用新型实施例的背接触太阳能电池的制备方法步骤三中使用的点状开孔掩膜结构示意图。
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。
参见图7所示，本实施例的一种背接触太阳能电池，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轻掺杂的n+前表面场13和钝化减反膜；N型晶体硅基体10的背表面从内到外依次为掺杂区域、钝化膜和金属电极，掺杂区域包括背表面n+掺杂区域12和背表面p+掺杂区域11，背表面n+掺杂区域12设置有n+金属电极31，背表面p+掺杂区域11上设置有p+金属电极30。背表面n+掺杂区域12的图案为线条状图案或者点状图案，线条状图案宽50～400μm，点状图案的直径为500～1500μm。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。
优选地，n+前表面场13的方阻为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。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；p+金属电极30为银铝合金电极，n+金属电极31为银电极。钝化减反膜是SiOx介质膜20和SiNx介质膜22，钝化膜是AlOx介质膜21和SiNx介质膜23，钝化减反膜的厚度为45～110nm，钝化膜的厚度为24～70nm。
上述结构的背接触太阳能电池在完成前后表面的钝化膜覆盖后，经测试，其隐开路电压(Implied Voc)可达690mV以上，暗饱和电流密度J0＜30fA/cm2，印刷电极制成的背接触电池后，其短波段的内量子效率达95％以上。
参见图1至图9所示，本实施例提供的一种背接触太阳能电池的制备方法，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40。掩膜40的材质为石墨，如图8所示，掩膜40上可以设置线条状开口41，线条状开口41宽50～400μm，优选100～300μm。如图9所示，掩膜40上还可以设置点状开口42，点状开口42图案的点直径为500～1500μm，优选100～300μm。掩膜40上的开孔图案还可以为其他任意排布的周期或准周期阵列，其图案可以根据需要有多种选择，此处不作限定，仅进行举例列举。掩膜40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+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40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+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，去除前表面和背表面的氧化层并进行烘干。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)、通过丝网印刷的方法在步骤(6)处理后的N型晶体硅基体10的背表面p+掺杂区域11上印刷银铝合金浆料，在背表面n+掺杂区域12上印刷银浆。印刷结束后将N型晶体硅基体10传送入带式烧结炉进行烧结形成欧姆接触，烧结后银铝合金浆料形成与背表面p+掺杂区域11欧姆接触的p+金属电极30，与背表面n+掺杂区域12欧姆接触的n+金属电极31。完成本步骤后的电池结构如图7所示。至此即完成本实用新型背接触太阳能电池的制作。
需要指出的是，上述实施例的步骤并没有严格的顺序之分，本领域技术人员在阅读完本实施例后可以进行步骤顺序的调整而不影响技术方案的实施，对方法步骤的顺序调整亦在本实用新型的权利要求保护范围之内。
本实施例的背接触太阳能电池的制备方法无需使用复杂的介质膜掩膜生长及开孔工艺就可形成交替排列的p+和n+掺杂区域，极大地简化了工艺流程；n+前表面场、背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域在一次高温工序中共同形成，极大减少了高温工序数目，节约了生产成本；使用离子注入和退火的方法完成掺杂，相对扩散来说其方阻均匀性更好，过程更容易控制。
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，太阳能电池是上述的一种背接触太阳能电池。
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，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)

1.一种背接触太阳能电池，包括N型晶体硅基体，其特征在于：所述N型晶体硅基体的前表面从内到外依次为轻掺杂的n+前表面场和钝化减反膜，所述n+前表面场的结深为0.2～2.0μm；所述N型晶体硅基体的背表面从内到外依次为掺杂区域、钝化膜和金属电极，所述掺杂区域包括背表面n+掺杂区域和背表面p+掺杂区域，所述背表面n+掺杂区域设置有n+金属电极，所述背表面p+掺杂区域设置有p+金属电极；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所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述n+前表面场的方阻为50～200Ω/sqr。
3.根据权利要求1所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述背表面n+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm；所述背表面p+掺杂区域的方阻为20～150Ω/sqr，结深为0.3～2.0μm。
4.根据权利要求1所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述N型晶体硅基体的电阻率为0.5～15Ω·cm，所述N型晶体硅基体的厚度为50～300μm。
5.根据权利要求1所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述p+金属电极为银铝合金电极，所述n+金属电极为银电极。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：背表面n+掺杂区域的图案为线条状图案或者点状图案。
7.根据权利要求6所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述线条状图案宽50～400μm，所述点状图案的直径为500～1500μm。
8.根据权利要求1所述的一种背接触太阳能电池，其特征在于：所述钝化减反膜是SiOx介质膜和SiNx介质膜，所述钝化膜是AlOx介质膜和SiNx介质膜，所述钝化减反膜的厚度为45～110nm，所述钝化膜的厚度为24～70nm。
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任一所述的一种背接触太阳能电池。
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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