CN208806263U - 一种钝化接触电极结构及其适用的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钝化接触电极结构及其适用的太阳能电池，所述的电极结构包括在晶硅衬底上沉积的掺杂半导体层，以及在掺杂半导体层上的铜电极；所述的掺杂半导体层为多晶硅，微晶硅或微晶硅碳合金中的任一种，厚度为5‑100nm。实施过程中，所适用的太阳能电池在晶硅衬底的背面或两面包括所述的钝化接触电极结构。本实用新型还给出了制作具有该钝化接触电极结构的太阳能电池的制作方法。本专利通过钝化了所有金属电极的接触，降低了光生载流子的表面复合效率，实现了更加彻底的钝化效果，同时，相比于现有的工艺方法，本专利方案不仅可实行量产，且使用电镀铜作为导电层来代替银，降低了电池生产成本。

Description

一种钝化接触电极结构及其适用的太阳能电池

技术领域

本实用新型属于太阳能电池片领域，具体涉及一种钝化接触电极结构及其适用的太阳能电池。

背景技术

太阳能电池的工作原理简而言之就是将光生电子-空穴对在其复合之前进行提取并产生电流。所以如何降低复合损失一直是太阳能电池研发的核心点之一。纵观二十几年来硅基电池的技术发展路线，在任何时候都把降低复合损失，提升光生电子/空穴收集效率放在重中之重，并且提出了包括铝背场钝化，使用介质膜进行的正、背面钝化，局部或整面形成的高低结电场以及异质结钝化等在内的一系列技术。而使用薄膜隧穿层进行全表面钝化接触可以钝化所有金属电极的接触，避免局部接触造成的载流子横向运输带来的串阻增加和复合效应，而且相比于异质结钝化金属此工艺可以承受后道高温制成并能更好的兼容现有PERC电池技术，更容易实现产线升级。

而如何实现金属化是表面钝化接触工艺实现商业化的关键问题之一。而目前所用的在表面钝化接触结构上使用物理气相沉积，蒸镀等实验室金属化工艺很难应用于大规模量产，而使用丝网印刷加烧穿(firing through)金属化工艺则需要超过100nm甚至是300nm厚的重掺杂半导体层，这会带来更大的辐照损失，尤其在双面电池上更为明显，还会增加载流子的俄歇复合损失。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种钝化接触电极结构及其适用的太阳能电池。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种应用于太阳能电池的钝化接触电极结构，包括在晶硅衬底上沉积的掺杂半导体层，以及在掺杂半导体层上的铜电极；所述的掺杂半导体层为多晶硅，微晶硅或微晶硅碳合金中的任一种，厚度为5-100nm。其中，所述的掺杂半导体层采用低压化学气相沉积(LPCVD)法、等离子气相沉积(PECVD)或热丝辅助化学汽相淀积(HWCVD)等方式在晶硅衬底的表面生长一层半导体层，然后再对其进行掺杂而形成。

相比于现有的使用丝网印刷制作银电极并烧穿至掺杂半导体层的金属化工艺，本实用新型采用了价格低廉的、导电性强的电镀铜电极，且由于无需烧穿，其可制作在厚度仅为5-100nm的掺杂半导体层上，并以此结构为基础实现金属电极采用钝化接触的方式制作在晶硅衬底上。

作为本实用新型的进一步改进，还可以包括一层设置在晶硅衬底和掺杂半导体层之间的薄膜隧穿层，厚度为0.5-10nm；所述薄膜隧穿层为氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN_x)、氮氧化硅(SiO_xN_y)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化钛(TiO₂)其中的任一种。

包含以上所述的钝化接触电极结构的双面太阳能电池，所述的钝化接触电极结构制作在晶硅衬底的背面或两面。其中，“正面”指的是所形成的太阳能电池工作时面向阳光的一面，“背面”指的是所形成的太阳能电池背对阳光的一面。

本实用新型的一种实施例，在晶硅衬底的背面制作所述的钝化接触电极结构，在晶硅衬底的正面制作掺杂晶硅层和铜电极。其中，所述的掺杂晶硅层是通过直接在晶硅衬底表面上进行掺杂而形成。位于正面所述的掺杂晶硅层与位于背面所述钝化接触电极结构中的掺杂半导体层极性不同，且其中两者中任意一层与晶硅衬底的掺杂极性相同且掺杂浓度大于晶硅衬底。

本实用新型的第二种实施例，所述在晶硅衬底的正面和背面制作所述的钝化接触电极结构，位于正面所述的掺杂半导体层与位于背面所述的掺杂半导体层的极性不同，任意一侧所述的掺杂半导体层与晶硅衬底的掺杂极性相同且掺杂浓度大于晶硅衬底。

作为本实用新型的进一步改进，包括在电池的正面或两面沉积一层透明减反层，所述的透明减反层介于掺杂晶硅层和铜电极之间；所述电池正面和背面的透明减反膜相同或不同；所述的透明减反层包括电介质膜或透明导电膜(TCO)的任意一种或两种，所述的电介质膜为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、SiO_xN_y或TiO₂中的任一种或两种，所述TCO为氧化铟锡(ITO)，掺钨氧化铟(IWO)，掺铝氧化锌(ZnO_zAl)，掺镓氧化锌(ZnO_zGA)和Zn-in-Sn-O(ZITO)任意一种或两种。

作为本实用新型的进一步改进，所制作的太阳能电池包括双面无主栅电池结构。将所述的太阳能电池所具有的钝化接触电极结构应用于无主栅电池结构的制作过程中。

作为本实用新型的进一步改进，还包括选择发射极，所述的选择发射极设置在电池正面所述的掺杂晶硅层上与铜电极接触的局部重掺层，所述的选择发射极的极性与晶硅衬底极性相反

根据以上所述的钝化接触电极结构的双面太阳能电池，其制作方法包括以下步骤：

步骤一：对晶硅衬底进行清洗、制绒；

步骤二：根据需要在电池的背面或者双面制作或者不制作薄膜隧穿层。之后在电池的正面制作与所述的晶硅衬底极性相同或相反的掺杂晶硅层或掺杂半导体层；具体的为，如果在电池的正面制作本实用新型所述的钝化接触电极结构，则在正面沉积掺杂半导体层；如果在电池的正面所制作的电极不具有钝化接触结构，则沉积掺杂晶硅层。然后，电池的背面制作与所述的晶硅衬底正面的掺杂晶硅层或掺杂半导体层极性不同的掺杂半导体层；

步骤三：在电池的正面或两面制作包括电介质膜或TCO任一种或两种的单层或双层透明减反层。包括以下点：1.所述的透明减反层制作在电池的正面，在电池的背面可以制作透明减反层，也可以不制作电池减反层。2.所述的透明减反层包括两种材料：电介质膜和TCO，位于同一面的透明减反层可以包括其中的任何一种材料所沉积的单层膜，也可以同时包括一种或两种材料所沉积的双层膜。3.同时在两面制作透明减反层，可以在其中一面沉积单层膜，另一面沉积双层膜，或者两面都是单层膜或者双层膜，在两面制作减反层的材料可以是相同的，也可以是不同的。

步骤四：在电池的正面和背面制作铜电极：包括先在电池的正面和背面按照栅线图案制作图形化掩膜或对电介质膜进行开槽，之后在图形化掩膜开口处或电介质膜开槽处制作铜电极。.如果通过采用图形化掩膜法制作的背面铜电极，电极制作完成后的掩膜可以除去，也可以保留。

进一步，步骤四中，在电池的正面对应于开槽的区域制作与晶硅衬底极性相反的局部重掺层，所述的局部重掺层与之后制作的铜电极接触形成选择性发射极。

进一步，本实用新型的一种实施例中，对采用电介质膜作为透明减反层进行开槽，步骤四中，在电池的正面和背面的电介质膜上进行开槽的方法包括图形化掩膜-化学蚀刻法、激光烧蚀、激光掺杂。

进一步，在电介质膜上所制备的铜电极的过程为依次使用化学镀或电镀法制作镍阻挡层，使用电镀法制作铜导电层，使用化学镀或电镀法制作锡或银保护层。该制作过程中，还需要将制作完在镍阻挡层或保护层后的电池片放入氮气或惰性气体环境下进行烧结，形成镍硅合金(NiSi_X)，烧结温度约为300-500℃，时间约为0.5-2min。

进一步，步骤四中，在电池的正面或背面沉积在所述的TCO上的铜电极在即包括铜导电层，还包括或不包括种子层或保护层的任意一层或两层。

本实用新型的有益效果：本专利提出了一种采用电镀铜制程金属化的钝化接触电极结构，相比于现有的PERC电池的电极结构，本专利钝化接触电极结构对太阳能电池进行单面或双面全表面钝化使得钝化效果可以更加彻底，钝化了所有金属电极的接触，降低了光生载流子的表面复合效率。同时可以在钝化接触电极结构上使用TCO，避免了尤其是在发射极载流子横向运输带来的串阻增加和复合效应。

同时，本专利提供了一种应用于钝化接触电极结构上的金属化解决方案，相比起无法量产的现有实验室金属化工艺，本专利方案不仅量产可行，且使用电镀铜作为导电层来代替银，降低了电池生产成本。而且，相比于丝网印刷加烧穿技术，本专利方案对钝化接触电极结构中的重掺杂半导体层厚度没有要求，配合TCO膜更是可以使重掺杂半导体层厚度小于20nm，且不会由于烧穿高温过程造成钝化效果减弱，大大提高了双面率，减少了辐照损失和重掺杂层中的复合损失。

附图说明

图1为采用本实用新型的第一种实施方法所制备的太阳能电池的结构示意图；

图2为采用本实用新型的第二种实施方法所制备的太阳能电池的结构示意图；

图3为采用本实用新型的第三种实施方法所制备的太阳能电池的结构示意图；

图4为采用本实用新型的第四种实施方法所制备的太阳能电池的结构示意图；

图5为采用本实用新型的第五种实施方法所制备的太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。本专利中所述铜电极指的是电极的主体部分，即导电层为铜的金属化电极。由于上诉所述的“透明减反层”是由电介质膜，透明导电膜(TCO)或电介质膜和TCO组合形成的，在以下所述的实施例中，由于采用了不同的材料，所形成的“透明减反层”具有钝化、导电或减反其一或其二作用的透明层。因此为了便于说明的清楚简明型，在以下的各个实施例中将其称作功能性的减反层。例如，对具有导电作用的减反层称之为透明导电减减反层。

实施例1

图1说明了根据本实用新型实施例的制造太阳能电池的一个示例图。

晶硅衬底110可以为n型或p型晶体硅片，厚度为70～250μm。在此实施例中，晶硅衬底110优选为p型晶体硅片，这里可以为单晶或多晶硅片。对p型晶硅衬底110进行清洗制绒处理。对制绒后的p型晶硅衬底正面进行磷扩散形成n型掺杂晶硅层120发射极。

在电池背面制作钝化接触电极结构。所述钝化接触电极结构包括在晶硅衬底110上沉积的为掺杂多晶硅，微晶硅或微晶硅碳合金中其中一种的掺杂半导体层140，厚度约为5-100nm，以及在掺杂半导体层140上使用电镀法制作的铜电极172。在一些实施例中，所述掺杂半导体层140可为均匀掺杂或具有浓度梯度的非均匀掺杂。

在本实施例中，掺杂半导体层140为使用LPCVD法或PECVD法沉积一层多晶硅层140，厚度优选为5-50nm，然后使用扩散法或离子注入法对该多晶硅层140进行p型重掺杂。

在本实施例中，钝化接触电极结构中还包括一层使用热氧化法、臭氧氧化法，硝酸氧化法或化学气相沉积法形成SiO₂遂穿薄膜层130，厚度优选为1-5nm。所述遂穿薄膜层130位于掺杂半导体层140和晶硅衬底110之间。

本本实施例中，在制作铜电极前在电池正面n型晶硅层120上使用PECVD法制作SiNx透明膜作为钝化减反层150，厚度优选为60-150nm。并在电池背面多晶硅薄膜层140表面上沉积TCO160以形成透明导电减反层。在此实施例中，TCO160可为使用磁控溅射法沉积的ITO层，厚度优选为80-150nm。

对电池正面和背面进行图形化并制作铜电极的步骤可以两面分别依次进行，也可以将其中一步或几步在两面同时进行。

在本实施例中，先在电池正面钝化减反层150上制作图形化掩膜层，在此实施例中，首先在该表面上通过旋转涂布制作一层含有高分子材料的掩膜层，该掩膜层具有光敏成分。使用局部遮光板对掩膜层进行选择性UV曝光后显影。使用化学蚀刻法在掩膜层开口处对钝化减反层150进行开槽。在钝化减反层150开槽处使用化学镀或电镀法制作镍阻挡层，厚度约为0.1-2μm。为了降低由金属-半导体接触特性导致的载流子复合，减少接触电阻，需要在制作镍阻挡层后或制作阻挡层/导电层/保护层叠层后将电池置入氮气环境并在约300-500℃的温度下进行时间约为0.5-2min的烧结处理，使阻挡层与n型晶硅层接触处形成NiSi_X合金来提升铜电极的接触性能。之后使用光诱导电镀法在镍阻挡层上制作厚度约为3-20μm的铜导电层，并使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm锡或银保护层，以形成正面铜电极171。

在电池背面TCO160表面上使用与正面相似的光刻方法制作图形化掩膜层，并在掩膜层开口处制作铜电极，包括在TCO160表面上直接电镀法制作厚度约为3-20μm的铜导电层以及使用化学镀在铜导电层上制作厚度约为0.1-2μm的银保护层，以形成背面铜电极172。

双面同时去除掩膜。

实施例2

图2说明了根据本实用新型的第二个实施例的制造太阳能电池的示例图。

在此实施例中，晶硅衬底210为n型晶体硅片，这里可以为单晶或多晶硅片。对n型晶硅衬底210进行清洗制绒处理。对制绒后的n型晶硅衬底210正面进行硼扩散形成p型晶硅层220发射极。

在晶硅衬底210背面使用LPCVD法或PECVD法沉积一层多晶硅层230，厚度优选为5-50nm，然后使用离子注入法对该多晶硅层230进行n型重掺杂。

在电池正面p型晶硅层220上使用PECVD或原子层沉积(ALD)法制作厚度约为2-20nm的Al₂O₃层251并在此层上使用PECVD法沉积40-100nm的SiN_x层252，两者相叠作为钝化减反层。

在电池背面多晶硅薄膜层230表面上沉积TCO240以形成透明导电减减反层。在此实施例中，TCO240可为使用反应等离子体沉积法制作IWO，厚度优选为80-150nm。

在电池正面上使用激光烧蚀法根据正面金属化图形对钝化减反层251和252进行开槽。在开槽处使用离子注入法制作局部p型重掺层280以形成选择发射极。

在局部p型重掺层处280使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm的镍阻挡层,使用光诱导电镀法在镍阻挡层上制作厚度约为3-20μm的铜导电层，并使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm锡或银保护层。将电池置入氮气环境并在约300-500℃的温度下进行时间约为0.5-2min的烧结处理，使阻挡层与n型晶硅层接触处形成NiSi_X合金。然后形成电池正面铜电极271。

在电池背面TCO260表面上使用与实施例1相似的光刻法制作图形化掩膜层290，并在掩膜层290开口处制作铜电极，包括在TCO260表面上用化学镀法制作的厚度约为0.1-2μm的镍种子层,电镀法制作厚度约为3-20μm的铜导电层以及使电镀法制作的厚度约为0.1-2μm的银保护层，以形成电池背面电极272。背面无需去除掩膜290。

实施例3

图3说明了根据本实用新型实施例的制造太阳能电池的另一个示例图。

在此实施例中，晶硅衬底310为n型晶体硅片，这里可以为单晶或多晶硅片。对n型晶硅衬底310进行清洗制绒处理。对制绒后的n型晶硅衬底310正面进行磷扩散形成n型重掺杂晶硅层320。

在电池背面使用PECVD形成SiN_x遂穿薄膜层330，厚度优选为1-5nm。

在SiO₂遂穿薄膜层330上使用PECVD或HWCVD法沉积的微晶硅层340，厚度优选为5-50nm，然后使用离子注入法对该微晶硅层340进行p型掺杂。

在电池正面n型重掺杂晶硅层320使用PECVD法沉积80-150nm的SiN_x层作为钝化减反层350。

在电池背面微晶硅层340表面上使用与实施例1相似的光刻法制作图形化掩膜层，并在掩膜层开口处制作铜电极，包括在微晶硅层340表面上用电镀法制作厚度约为3-20μm的铜导电层，以形成电池背面铜电极372。之后去除背面掩膜。

在电池正面上使用激光烧蚀法根据正面金属化图形对钝化减反层350进行开槽。在开槽处使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm的镍阻挡层,将电池置入氮气环境并在约300-500℃的温度下进行时间约为0.5-2min的烧结处理，使阻挡层与n型晶硅层接触处形成NiSi_X合金，使用光诱导电镀法在镍阻挡层上制作厚度约为3-20μm的铜导电层，并使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm锡或银保护层。然后形成正面铜电极371。

所形成的电池为无主栅电池，其特征在于，正背两面每条副栅线宽度约为12-45μm，高度约为2-15μm的金属铜栅线电极。正面铜电极371相邻副栅线间距为1.10-1.55mm，背面铜电极372相邻栅线间距为0.85-1.30mm。所述的无主栅太阳能电池结构可使用叠片互联或智能网无主栅互联技术实现电池片互联。

实施例4

图4说明了根据本实用新型实施例的制造太阳能电池的一个示例图。

在此实施例中，晶硅衬底410为n型晶体硅片，这里可以为单晶或多晶硅片。对n型晶硅衬底410进行清洗制绒处理。

在电池正面和背面使用臭氧氧化法沉积法各形成一层SiO₂遂穿薄膜层421和422，厚度优选为1-5nm。

在两面SiO₂遂穿薄膜层421和422上使用PECVD法各沉积一层由氢化非晶硅与碳元素形成的厚度优选为5-50nm的微晶硅碳合金层430和440。相比于非晶硅层，微晶硅碳层不易气泡并拥有更好的稳定性。之后使用扩散法对正面微晶硅碳层430进行p型掺杂，对背面微晶硅碳层440进行重n型掺杂。在一些实施例中，在所述微晶碳硅层430和/或440和与其同一面的隧穿薄膜层421和/或422之间还有一层非晶本征层作为缓冲层。

在电池正面p型微晶硅碳层430表面上沉积TCO450以形成透明导电减减反层。在此实施例中，TCO450可为使用磁控溅射法沉积的ITO层，厚度优选为80-150nm。

在电池背面重n型重掺杂微晶硅碳层440上使用PECVD法制作SiNx透明膜作为钝化减反层460，厚度优选为60-150nm.

在电池背面钝化减反层460上进行激光开槽。在钝化减反层460开槽处使用电镀法制作厚度约为0.1-2μm的镍阻挡层，将电池置入氮气环境并在约300-500℃的温度下进行时间约为0.5-2min的烧结处理，使阻挡层与n型晶硅层接触处形成NiSi_X合金来提升金属电极的接触性能。之后使用光诱导电镀法在镍阻挡层上制作厚度约为3-20μm的铜导电层，并使用化学镀或电镀法制作厚度约为0.1-2μm的锡保护层，以形成电池背面电极472。

在电池正面TCO450表面上使用光刻方法制作图形化掩膜层，并在掩膜层开口处制作铜电极，包括在TCO450表面上电镀法制作厚度约为0.1-2μm的镍种子层，电镀法制作厚度约为3-20μm的铜导电层以及化学镀法制作厚度约为0.1-2μm的锡保护层，以形成电池正面电极471。最后去除掩膜。

实施例5

图5说明了根据本实用新型实施例的制造太阳能电池的一个示例图。

在此实施例中，晶硅衬底510为p型晶体硅片，这里可以为单晶或多晶硅片。对p型晶硅衬底510进行清洗制绒处理。

在电池正面和背面使用热氧氧化法沉积法各形成一层SiO₂遂穿薄膜层521和522，厚度优选为1-5nm。

在两面SiO₂遂穿薄膜层521和522上使用LPCVD法各沉积一层多晶硅层530和540，厚度优选为5-50nm，然后使用扩散法对正面多晶硅层530进行n型掺杂，对背面多晶硅层540进行重p型掺杂。

在电池正面和背面的n型和p型多晶硅薄膜层530和540表面上各沉积厚度优选为80-150nm的TCO551和552以形成透明导电减减反层。

在电池正面和背面TCO551和552上皆使用光刻法按照各自表面金属化电极的栅线图形制作图形化掩膜层。

在电池正和背面TCO551和552表面上使用电镀法制作厚度约为0.1-2μm的镍种子层，电镀法制作厚度约为3-20μm的铜导电层以及化学镀法制作厚度约为0.1-2μm的锡保护层，以形成电池正面电极571和背面电极572。最后双面去除掩膜。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种应用于太阳能电池的钝化接触电极结构，其特征在于：包括在晶硅衬底上沉积的掺杂半导体层，以及在掺杂半导体层上的铜电极；所述的掺杂半导体层为多晶硅，微晶硅或微晶硅碳合金中的任一种，厚度为5-100nm。

2.根据权利要求1所述的钝化接触电极结构，其特征在于：还可以包括一层设置在晶硅衬底和掺杂半导体层之间的薄膜隧穿层，厚度为0.5-10nm；所述薄膜隧穿层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝和氧化钛其中的任一种。

3.应用权利要求1或2所述的钝化接触电极结构制作的双面太阳能电池，其特征在于：所述的钝化接触电极结构制作在晶硅衬底的背面或两面。

4.根据权利要求3所述的双面太阳能电池，其特征在于：在晶硅衬底的背面制作所述的钝化接触电极结构，在晶硅衬底的正面制作掺杂晶硅层和铜电极，位于正面所述的掺杂晶硅层与位于背面所述钝化接触电极结构中的掺杂半导体层极性不同，且其中两者中任意一层与晶硅衬底的掺杂极性相同且掺杂浓度大于晶硅衬底。

5.根据权利要求3所述的双面太阳能电池，其特征在于：所述在晶硅衬底的正面和背面制作所述的钝化接触电极结构，位于正面所述的掺杂半导体层与位于背面所述的掺杂半导体层的极性不同，任意一侧所述的掺杂半导体层与晶硅衬底的掺杂极性相同且掺杂浓度大于晶硅衬底。

6.根据权利要求4或5所述的双面太阳能电池，其特征在于：包括在电池的正面或两面沉积一层透明减反层，所述的透明减反层介于掺杂晶硅层和铜电极之间；所述电池正面和背面的透明减反膜相同或不同；所述的透明减反层包括电介质膜或透明导电膜的任意一种或两种，所述的电介质膜为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或氧化钛中的任一种或两种，所述透明导电膜为氧化铟锡，掺钨氧化铟，掺铝氧化锌，掺镓氧化锌和Zn-in-Sn-O任意一种或两种。

7.根据权利要求4或5所述的双面太阳能电池，其特征在于：所制作的太阳能电池包括双面无主栅电池结构。

8.根据权利要求4所述的双面太阳能电池，其特征在于：还包括选择发射极，所述的选择发射极设置在电池正面所述的掺杂晶硅层上与铜电极接触的局部重掺层，所述的选择发射极的极性与晶硅衬底极性相反。