CN209912878U - 一种多层隧道结的钝化太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多层隧道结的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的背表面包括依次从内到外的隧道结总层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；所述隧道结总层包括至少两层隧道结层，所述隧道结层包括从内到外设置的氧化层和n+掺杂多晶硅层。本实用新型使用多层隧道结层结构，满足低金属接触复合、低非金属接触区域复合、低接触电阻率，并由不同的单层隧道结分开满足，不需要考虑三者之间的平衡和制约。

Description

一种多层隧道结的钝化太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种多层隧道结的钝化太阳能电池。

背景技术

在晶体硅太阳电池中，金属-半导体接触成为制约晶体硅太阳电池效率发展的重要因素，良好的金属-半导体接触需要具备两方面条件： 1)低界面复合；2)低接触电阻率。

但是，目前商业化的晶体硅太阳电池中，如p型常规铝背场电池或p型PERC电池，在保证接触电阻率较低的情况下，磷掺杂的n+ 发射与金属接触区域的暗饱和电流密度(J_0,metal)为800～1000fA/cm²；对于具有广泛市场前景的n型电池，在同样保证接触电阻较低的情况下，p+发射极与金属接触区域的暗饱和电流密度(J_0,metal)为1000～2000 fA/cm²。

随着市场对高效电池和高功率组件的需求急剧增加，研究具有：1) 低接触电阻率；2)低金属-半导体接触复合的结构显得尤为重要。

现有的太阳能电池的隧穿氧化层钝化金属接触结构由一层超薄的隧穿氧化层和掺杂的多晶硅层组成。2017年，德国Fraunhofer太阳能系统研究所的Feldmann等将基于隧穿氧化层钝化金属接触结构的太阳电池的转换效率提升至25.8％；次年，德国ISFH太阳能研究所将隧穿氧化层钝化金属接触结构引入IBC电池，取得26.1％的转换效率。隧穿氧化层钝化金属接触结构既可以用于n-Si衬底也可以用于 p-Si衬底，在金属接触区域可以获得低于10fA/cm²的J₀值，同时接触性能良好，接触电阻率低于10mΩ·cm²。

但是，上述高效率电池的金属化工艺为电镀、物理气象沉积法，不会对隧穿氧化层/掺杂多晶硅结构产生破坏；然而，晶体硅太阳电池产业化中最常用的金属化方法是丝网印刷加烧结，Fraunhofer、ECN、 Tempress等机构均研究发现采用丝网印刷加烧结工艺会使金属穿透隧穿氧化层/掺杂多晶硅，直接与硅衬底接触，导致金属区域下的复合激增，接触变差。对于采用银铝浆的浆料，金属穿透氧化层/掺杂多晶硅的现象会更加严重。

申请号为CN201611232997.9的中国发明专利公开了一种全钝化太阳能电池结构，包括电池层和在所述电池层的侧部形成的肖特基接触金属层，所述电池层包括N型硅基体，所述N型硅基体的正面设置有正面结构层，所述N型硅基体的背面设置有背面结构层，其中，所述正面结构层包括设置于所述N型硅基体的正面的P型硅扩散层，所述P型硅扩散层的正面设置有钝化减反膜，所述钝化减反膜的正面设置有正面电极；所述背面结构层包括设置于所述N型硅基体的背面的SiO₂隧穿结，所述SiO₂隧穿结的背面设置有N+硅层，所述N+ 硅层的背面设置有背面电极；所述正面结构的靠近边缘处的四周开设有边缘隔离槽；该全钝化太阳能电池结构，能够实现全部表面的钝化，极大地提升太阳能电池效率。

上述专利的背面结构采用单层的SiO₂隧穿结和N+硅层，其接触电阻率高，N+硅层的背面设置有背面电极，背面电极印刷加烧结时会使金属穿透SiO₂隧穿结和N+硅层，直接与硅衬底接触，导致金属区域下的复合激增，接触变差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多层隧道结的钝化太阳能电池，本实用新型采取的技术方案为：

一种多层隧道结的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体，所述 N型晶体硅基体的背表面包括依次从内到外的隧道结总层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；

所述隧道结总层包括至少两层隧道结层，所述隧道结层包括从内到外设置的氧化层和n+掺杂多晶硅层。

其中，靠近所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度小于远离所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度。

其中，靠近所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不高于1E+18cm^-3，远离所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不低于1E+20cm^-3。

其中，所述n+金属电极穿过所述背钝化减反射薄膜与所述n+掺杂多晶硅层接触设置。

其中，靠近所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度小于远离所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度。

其中，靠近所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度为0.5～3.5 nm，远离所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度为2.0～15nm。

其中，所述各氧化层的材料可不同，为氧化硅、氧化钛、氧化铝中的一种。

其中，所述隧道结总层厚度为50～500nm，方阻值为10～250Ω/sq。

其中，所述N型晶体硅基体的电阻率为0.3～10Ω·cm，厚度为 90～300μm。

其中，所述N型晶体硅基体的前表面包括依次从内到外的p+掺杂发射极、前表面钝化减反射薄膜、p+金属电极，所述p+掺杂发射极方阻值为40～200Ω/sq。

其中，前表面为叠层钝化减反射薄膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中的两种的组合；背钝化减反射薄膜为单层或者叠层膜，选取二氧化硅、氮化硅中的至少一种。

其中，n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，所述栅线的主栅等间距设置4～12根，宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述栅线的副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为 10～40μm。

本实用新型使用多层隧道结层结构，满足低金属接触复合、低非金属接触区域复合、低接触电阻率，并由不同的单层隧道结分开满足，不需要考虑三者之间的平衡和制约。

本实用新型体现的技术优点为：1)通过合理设置氧化层的种类和厚度，使金属浆料的烧穿深度大大降低，仅烧穿靠近外侧的部分单层隧道结，不到达N型晶体硅基体，降低金属接触区域的复合；2) 靠近金属电极一侧的n+掺杂多晶硅层为重掺杂，金属电极与重掺杂的n+多晶硅接触，极大的降低接触电阻率，降低电阻损失；3)靠近 N型晶体硅基体一侧的n+掺杂多晶硅层为轻掺杂，使得带尾很浅，可以获得极低的非接触区域复合；4)可以降低掺杂多晶硅层的厚度，降低所需掺杂原子的剂量，从而降低成本；5)工艺简单，多层隧道结中的各层多晶硅层的掺杂通过一次掺杂即可完成，涉及的工艺过程均已经产业化，适合大规模生产。综合而言，本实用新型可以显著降低金属区域接触复合、非金属接触区域的复合和电阻损失，提高电池的开路电压和转换效率，采用的工艺技术适用于大规模量产。

多层隧道结结构可以很好的满足金属-半导体接触的条件，且尤其适用于较薄的多晶硅层，可以将目前产业化电池的单层隧道结中的掺杂多晶硅层厚度降低一半，此结构在电池中的运用可进一步提高电池的转换效率，适用于大规模量产。

附图说明

图1为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(1’)后的电池结构截面示意图。

图2为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(2’)中的电池结构截面示意图。

图3为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(2’)后的电池结构截面示意图。

图4为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(1)后的电池结构截面示意图。

图5为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(2)后的电池结构截面示意图。

图6为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(3)后的电池结构截面示意图。

图7为本实用新型实施例的多层隧道结的钝化金属接触太阳电池的制备方法步骤(4)后的电池结构截面示意图，即多层隧道结结构的钝化金属接触太阳电池的结构图。

图8为本实用新型实施例的多层隧道结及常规的单层隧穿氧化层钝化金属接触结构中测得的磷原子的掺杂ECV曲线对比图。

图中，1、N型硅基体，2、p+掺杂发射极，31、第一个隧道结的氧化层，41、第一个隧道结的本征多晶硅层，32、第二个隧道结的氧化层，42、第二个隧道结的本征多晶硅层……3n、第n个隧道结的氧化层，4n、第n个隧道结的本征多晶硅层，51、第一个隧道结的n+ 掺杂多晶硅层，52、第二个隧道结的n+掺杂多晶硅层……5n、第n 个隧道结的n+掺杂多晶硅层，6、前钝化减反射薄膜，7、背钝化减反射薄膜，8、正面p+金属电极，9、背面n+金属电极。

附图8中，N1和N2分别为本实用新型多层隧道结和常规的单层隧道结的表面磷原子的掺杂浓度，N3和N4分别为本实用新型多层隧道结和常规的单层隧道结对应的N型晶体硅基体界面的掺杂浓度，D1和D2分别为本实用新型多层隧道结和常规的单层隧道结的带尾的深度。

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。

本实施例提供一种多层隧道结的钝化太阳能电池，包括N型晶体硅基体，N型晶体硅基体的背表面包括依次从内到外的隧道结总层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；隧道结总层包括至少两层隧道结层，隧道结层包括从内到外设置的氧化层和n+掺杂多晶硅层。使用多层隧道结层结构，满足低金属接触复合、低非金属接触区域复合、低接触电阻率。并可以降低掺杂多晶硅层的厚度，降低所需掺杂原子的剂量，从而降低成本。多层隧道结结构还可以很好的满足金属-半导体接触的条件，且尤其适用于较薄的多晶硅层，可以将目前产业化电池的单层隧道结中的掺杂多晶硅层厚度降低一半，此结构在电池中的运用可进一步提高电池的转换效率，适用于大规模量产。优选地，隧道结总层包括2-50层的隧道结层。

靠近N型晶体硅基体的n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度小于远离N 型晶体硅基体的n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度。如此，靠近金属电极一侧的n+掺杂多晶硅层为重掺杂，金属电极与重掺杂的n+多晶硅接触，极大的降低接触电阻率，降低电阻损失。靠近N型晶体硅基体一侧的n+掺杂多晶硅层为轻掺杂，使得带尾很浅，可以获得极低的非接触区域复合。

其中，靠近N型晶体硅基体的n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不高于1E+18cm^-3，远离N型晶体硅基体的n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不低于1E+20cm^-3。

n+金属电极穿过背钝化减反射薄膜与n+掺杂多晶硅层接触设置。金属电极与重掺杂的n+多晶硅接触，极大的降低接触电阻率，降低电阻损失。

靠近N型晶体硅基体的氧化层的厚度小于远离N型晶体硅基体的氧化层的厚度。通过合理设置氧化层的厚度，使金属浆料的烧穿深度大大降低，仅烧穿靠近外侧的部分单层隧道结，不到达N型晶体硅基体，降低金属接触区域的复合。并对于掺杂原子(如磷原子)具有更加低的扩散系数。

其中，靠近N型晶体硅基体的氧化层的厚度为0.5～3.5nm，远离 N型晶体硅基体的氧化层的厚度为2.0～15nm。

各氧化层的材料可不同，为氧化硅、氧化钛、氧化铝中的一种。在靠近金属栅线一侧设置较厚且难烧穿的氧化层材料，如氧化铝，可以将浆料的烧穿深度维持在表层，不会烧穿到硅基体；在靠近硅基体的一侧设置较薄且容易隧穿的材料，如二氧化硅，保证载流子的隧穿不受阻碍。掺杂原子从表面多晶硅层向内扩散的时候，由于受到多层氧化层材料的阻挡，掺杂原子的浓度在各个单层隧道结中的浓度，由外而内是逐级递减的，即：表面多晶硅层具有高掺杂浓度，靠近硅基体一侧的多晶硅层具有较低的掺杂浓度，而高掺杂浓度的多晶硅层与金属栅线接触，可以获得1)极低的接触电阻率，低掺杂浓度的多晶硅层与硅基体接触，使得带尾很浅；2)极低的非接触区域复合，而金属栅线未烧结到硅基体；3)金属接触区域复合。

其中，隧道结总层厚度为50～500nm，方阻值为10～250Ω/sq，优选方阻值为30～150Ω/sq。

N型晶体硅基体的电阻率为0.3～10Ω·cm，厚度为90～300μm。

N型晶体硅基体的前表面包括依次从内到外的p+掺杂发射极、前表面钝化减反射薄膜、p+金属电极，p+掺杂发射极方阻值为40～200 Ω/sq，优选方阻值为90～130Ω/sq。

前表面为叠层钝化减反射薄膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中的两种的组合。背钝化减反射薄膜为单层或者叠层膜，选取二氧化硅、氮化硅中的至少一种。

n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，栅线的主栅等间距设置4～12根，宽度为100～800μm，高度为10～40μm；栅线的副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。

本实施例还提供了一种多层隧道结的钝化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)在N型晶体硅基体背表面上生长一层氧化层，然后在氧化层上在低压化学气相沉积设备中沉积本征多晶硅(含有微晶硅相)形成第一个隧道结层；多层隧道结的总厚度为50～500nm。接着多次重复上述过程，交替沉积具有不同厚度的本征多晶硅和具有不同厚度的氧化层，叠加起来形成具有多层隧道结层结构的隧道结总层；其中，氧化层的材料种类为氧化硅、氧化铝或者二氧化钛。氧化硅的制备方法为热氧化、HNO₃氧化、O₃氧化、原子层沉积等，氧化铝、氧化钛的制备方法为原子层沉积法。靠近N型晶体硅基体一侧的氧化层材料厚度较薄，厚度范围为0.5～3.5nm；靠近靠近钝化减反射薄膜一侧的氧化层材料厚度较厚，厚度范围为2.0～15nm。本征多晶硅的沉积温度为550～650℃。

(2)掺杂及晶化多层隧道结中的本征多晶硅层，形成具有不同掺杂浓度梯度的n+掺杂多晶硅层。多层隧道结中多晶硅层的掺杂及晶化。多晶硅层的掺杂方式为离子注入磷原子、磷扩散、常压化学气象沉积磷硅玻璃，沉积掺杂源之后对掺杂原子进行高温激活，高温过程中微晶硅相会全部转变为多晶硅相，完成晶化。掺杂原子激活之后，多层隧道结整体的方阻值为10～250Ω/sq，优选方阻值为30～150Ω/sq。

其中，在步骤(1)之前还可以包括步骤：

(1’)分别对N型晶体硅基体的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒；

(2’)对制绒后的N型晶体硅基体进行双面硼扩散，形成双面p+ 掺杂区域，刻蚀N型晶体硅基体的背表面并抛光，去除背面p+掺杂区域；其中，硼源采用三溴化硼，扩散的的温度为900～1100℃，硼扩之后p+掺杂区域的方块电阻值为60～200Ω/sq，优选方阻值为 80～140Ω/sq。

在步骤(2)之后还可以包括步骤：

(3)在前表面和背表面上分别沉积前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜；前表面为叠层钝化减反射薄膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中两者的组合。背钝化减反射薄膜为单层或者叠层膜，选取二氧化硅、氮化硅或者两者的组合。

(4)在前钝化减反射薄膜和背钝化减反射薄膜上分别丝网印刷与烧结p+金属电极和n+金属电极；n+金属电极与重掺杂的n+掺杂多晶硅层接触。n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，主栅等间距设置4～12根，宽度100～800μm，高度为10～40μm；副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。

如图8所示，N1、N3、D1分别为多层隧道结的表面磷原子的掺杂浓度、N型晶体硅基体1界面的掺杂浓度及N型晶体硅基体1中带尾的深度，N2、N4、D2分别为常规单层隧道结的表面磷原子的掺杂浓度、N型晶体硅基体1界面的掺杂浓度及N型晶体硅基体1中带尾的深度，可以看出多层隧道结的表面磷原子的掺杂浓度N1远高于N2，多层隧道结的N型晶体硅基体1界面的掺杂浓度N3远低于 N4，多层隧道结的N型晶体硅基体1中带尾的深度D1远小于D2。

其中，各个隧道结层中的n+掺杂多晶硅层均在同一次的掺杂步骤中完成掺杂，掺杂的方式为离子注入磷原子、磷扩散、常压化学气象沉积磷硅玻璃中的一种。

本征多晶硅层掺杂及晶化形成n+掺杂多晶硅层的方法为低压化学气相沉积本征的混有微晶硅相的多晶硅。

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 (12)

1.一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，包括N型晶体硅基体，所述N型晶体硅基体的背表面包括依次从内到外的隧道结总层、背钝化减反射薄膜、n+金属电极；

所述隧道结总层包括至少两层隧道结层，所述隧道结层包括从内到外设置的氧化层和n+掺杂多晶硅层。

2.根据权利要求1所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，靠近所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度小于远离所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度。

3.根据权利要求2所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，靠近所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不高于1E+18cm^-3，远离所述N型晶体硅基体的所述n+掺杂多晶硅层的掺杂浓度不低于1E+20cm^-3。

4.根据权利要求3所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，所述n+金属电极穿过所述背钝化减反射薄膜与所述n+掺杂多晶硅层接触设置。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，靠近所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度小于远离所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，靠近所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度为0.5～3.5nm，远离所述N型晶体硅基体的所述氧化层的厚度为2.0～15nm。

7.根据权利要求6所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，各氧化层的材料为氧化硅、氧化钛、氧化铝中的一种。

8.根据权利要求1-4、6-7中任一项所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，所述隧道结总层厚度为50～500nm，方阻值为10～250Ω/sq。

9.根据权利要求1-4、6-7中任一项所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，所述N型晶体硅基体的电阻率为0.3～10Ω·cm，厚度为90～300μm。

10.根据权利要求1-4、6-7中任一项所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，所述N型晶体硅基体的前表面包括依次从内到外的p+掺杂发射极、前表面钝化减反射薄膜、p+金属电极，所述p+掺杂发射极方阻值为40～200Ω/sq。

11.根据权利要求1-4、6-7中任一项所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，前表面为叠层钝化减反射薄膜，为氧化铝、二氧化硅、氮化硅中的两种的组合；背钝化减反射薄膜为单层或者叠层膜，选取二氧化硅、氮化硅中的至少一种。

12.根据权利要求10所述的一种多层隧道结的钝化太阳能电池，其特征在于，n+金属电极和p+金属电极均为“H”型栅线，所述栅线的主栅等间距设置4～12根，宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述栅线的副栅等间距设置90～120根，宽度为20～60μm，高度为10～40μm。

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