CN214753785U - 一种单面钝化接触的太阳能电池 - Google Patents

一种单面钝化接触的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种单面钝化接触的太阳能电池，所述的太阳能电池包括衬底，所述衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，所述的背面减反层表面形成背面金属栅线，所述的背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触；所述的衬底正面依次层叠设置有正面氧化层和正面减反层，所述的正面氧化层和正面衬底之间设置有正面磷掺杂层，所述的正面减反层表面形成正面金属栅线，所述的正面金属栅线与正面磷掺杂层接触。

Description

一种单面钝化接触的太阳能电池
技术领域
本实用新型属于太阳能电池技术领域，涉及一种单面钝化接触的太阳能电池。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源，从实用新型初期就受到全世界的重视，进入21世纪后，越来越多的太阳能电池发电技术得到发展，作为太阳能光电利用中发展最快的领域之一，晶体硅电池的技术发展颇受瞩目，但其成本的限制导致市场竞争不足，解决这一问题的方法归根结底是技术创新，人们不断研制开发更具潜力的电池结构，优化工艺制程，从而提升晶硅电池效益。
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。现有的太阳能电池，经过丝网印刷与烧结后，金属电极直接与半导体机体接触，导致复合速率仍然较高，使得目前电池效率与理论效率仍差距较大，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。
目前为了解决金属电极的接触问题，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。通常采用掺杂多晶硅的整面钝化层改善电极接触性能，但掺杂多晶硅又具有较强的吸光特性，使得一部分入射光不能被电池有效利用，造成光寄生损失导致电流密度下降，拉低太阳能电池发电效率。
为了实现更高的太阳能电池发电效率，科学家在不断的优化钝化与接触，然而对于太阳能电池而言，钝化与接触几乎是不可兼得的事情，如实现良好的钝化，需减少金属接触的面积，必然增加串联电阻，而实现良好的接触，必然是有较大的金属接触面积，使其复合电流较大。为了兼顾钝化与接触，利用量子隧穿的钝化接触技术应运而生。钝化接触技术的缺点是采用非晶硅或多晶硅层做接触层，其吸光系数太大，正面使用的话会导致电流损失太多，造成电池开路电压(Uoc)低、短路电流(Isc)偏低，转换效率提升不显著。
CN108807565A公开了一种钝化接触电极结构，其适用的太阳能电池及制作方法，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。
CN111029438A公开了一种N型钝化接触太阳能电池的制备方法，其依次包括N型晶体硅基体进行双面抛光、背面依次生长隧穿氧化层及本征非晶硅层、本征非晶硅层掺杂处理、背面沉积氮化硅薄膜、前表面进行制绒、硼扩散、去除正面及绕扩到背面的硼硅玻璃层、正面制备钝化减反膜、背面印刷银浆及正面印刷银铝浆及烧结等步骤，以完成N型钝化接触太阳能电池的制备。
CN111463317A公开了一种P型钝化接触太阳能电池及其制备方法，方法包括：在制绒后的P型硅衬底正表面进行扩散沉积预处理得到用于形成N+层的扩散沉积层；去除用于制备正面金属栅线的位置处的扩散沉积层，在该位置处制备SiO2隧穿层，在SiO2隧穿层表面设置N型多晶硅层；并使扩散沉积层形成N+层；在N+层表面沉积第一钝化层，在P型硅衬底背表面沉积第二钝化层；在N型多晶硅层上制备正面电极，在P型硅衬底背表面制备背面电场。
现有的太阳能电池，经过丝网印刷与烧结后，金属电极直接与半导体机体接触，导致复合速率仍然较高，使得目前电池效率与理论效率仍差距较大。而目前为了解决金属电极的接触问题，通常采用掺杂多晶硅的整面钝化层改善电极接触性能，但掺杂多晶硅又具有较强的吸光特性，使得一部分入射光不能被电池有效利用，造成光寄生损失导致电流密度下降，拉低太阳能电池发电效率。因此，如何找到一种在保证电极接触性能良好的同时，避免多晶硅导致的光寄生损失的方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种单面钝化接触的太阳能电池。
达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
第一方面，本实用新型提供了一种单面钝化接触的太阳能电池，所述的太阳能电池包括衬底，所述衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，所述的背面减反层表面形成背面金属栅线，所述的背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触；
所述的衬底正面依次层叠设置有正面氧化层和正面减反层，所述的正面氧化层和正面衬底之间设置有正面磷掺杂层，所述的正面减反层表面形成正面金属栅线，所述的正面金属栅线与正面磷掺杂层接触。
本实用新型提供了一种单面钝化接触的太阳能电池，背面隧穿氧化层可以给衬底提供优良的表面钝化效果，并实现载流子的选择性隧穿，背面掺杂多晶硅层可以有效的传输载流子以备背表面的金属电极收集，从而极大地降低了金属接触复合电流，避免了背面金属栅线与衬底直接接触，提升了电池的开路电压和短路电流。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的衬底正面分为金属接触区和非金属接触区。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的非金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅱ。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的衬底为n型硅片或p型硅片。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的背面掺杂多晶硅层为硼掺杂多晶硅层。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的背面隧穿氧化层的厚度为0.5～5nm，例如可以是0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm或5nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述的背面掺杂多晶硅层的厚度为50～500nm，例如可以是50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的正面氧化层的厚度为0.2～5nm，例如可以是0.2nm、0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm或5nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的背面减反层的厚度为10～300nm，例如可以是10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述的正面减反层的厚度为10～300nm，例如可以是10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的正面减反层和背面减反层分别独立地选自SiNx薄膜、SiOxNy薄膜或SiOx薄膜。
需要说明的是，本实用新型限定的保护范围内存在三种并列的技术方案，具体而言：
方案一：本方案提供的太阳能电池，包括衬底，衬底正面依次层叠设置有正面磷掺杂层Ⅰ、正面氧化层和正面减反层，正面减反层表面形成正面金属栅线，正面金属栅线与正面磷掺杂层Ⅰ接触。衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，背面减反层表面形成背面金属栅线，背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触。
示例性地，方案一提供的太阳能电池的制备过程包括：
(1)采用N型单晶硅作为衬底，采用KOH和制绒添加剂的混合溶液对N型单晶硅进行制绒；
(2)经过氢氟酸和RCA清洗后，在硅片背面制备一层厚度为0.5～5nm的背面隧穿氧化层和一层厚度为50～500nm的背面掺杂非晶硅层(硼掺杂非晶硅层)，在不低于880℃的条件下进行退火晶化处理，使得硼掺杂非晶硅层转化为硼掺杂多晶硅层；对硅片的正面进行单面HF清洗去除正面的硼硅玻璃层(BSG层)，随后进行制绒处理去除正面的硼掺杂多晶硅层；
(3)RCA清洗后，在硅片正面进行磷扩散，形成正面磷掺杂层，经过氢氟酸和RCA清洗后在正面依次制备正面氧化硅层和正面减反层，在背面掺杂非晶硅层表面制备背面减反层；
(4)在正面减反层和背面减反层表面分别进行丝网印刷和烧结，得到正面金属栅线和背面金属栅线。
方案二：本方案提供的太阳能电池，包括衬底，衬底正面分为金属接触区和非金属接触区，金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ，正面磷掺杂层Ⅰ和非金属接触区表面层叠设置有正面氧化层和正面减反层，正面减反层表面形成正面金属栅线，正面金属栅线与正面磷掺杂层接触。衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，背面减反层表面形成背面金属栅线，背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触。
示例性地，方案二提供的太阳能电池的制备过程包括：
(1)采用N型单晶硅作为衬底，采用KOH和制绒添加剂的混合溶液对N型单晶硅进行制绒；
(2)经过氢氟酸和RCA清洗后，在硅片背面制备一层厚度为0.5～5nm的背面隧穿氧化层和一层厚度为50～500nm的背面掺杂非晶硅层(硼掺杂非晶硅层)，在不低于880℃的条件下进行退火晶化处理，使得硼掺杂非晶硅层转化为硼掺杂多晶硅层；对硅片的正面进行单面HF清洗去除正面的硼硅玻璃层(BSG层)，随后进行制绒处理去除正面的硼掺杂多晶硅层；
(3)RCA清洗后，对硅片正面进行磷浆印刷，并通过高温激活磷原子，形成正面磷掺杂层Ⅰ，在正面磷掺杂层Ⅰ和非金属接触区表面依次制备正面氧化层和正面减反层，在背面掺杂多晶硅层表面制备背面减反层；
(4)在正面减反层和背面减反层表面分别进行丝网印刷和烧结，得到正面金属栅线和背面金属栅线。
方案三：本方案提供的太阳能电池，包括衬底，衬底正面分为金属接触区和非金属接触区，金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ，非金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅱ，正面磷掺杂层Ⅰ和正面磷掺杂层Ⅱ表面依次层叠设置有正面氧化层和正面减反层，正面减反层表面形成正面金属栅线，正面金属栅线与正面磷掺杂层Ⅰ接触。衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，背面减反层表面形成背面金属栅线，背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触。
示例性地，基于本实用新型限定的制备方法，方案三提供的太阳能电池的制备过程包括：
(1)采用N型单晶硅作为衬底，采用KOH和制绒添加剂的混合溶液对N型单晶硅进行制绒；
(2)经过氢氟酸和RCA清洗后，在硅片背面制备一层厚度为0.5～5nm的背面隧穿氧化层和一层厚度为50～500nm的背面掺杂非晶硅层(硼掺杂非晶硅层)，在不低于880℃的条件下进行退火晶化处理，使得硼掺杂非晶硅层转化为硼掺杂多晶硅层；对硅片的正面进行单面HF清洗去除正面的硼硅玻璃层(BSG层)，随后进行制绒处理去除正面的硼掺杂多晶硅层；
(3)RCA清洗后，对硅片进行磷扩散，并通过激光掺杂正面形成SE结构(SE结构是指在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂，即正面磷掺杂层Ⅰ，而在接触部位以外的区域进行低浓度掺杂，即正面磷掺杂层Ⅱ)；经过氢氟酸和RCA清洗后，在正面磷掺杂层Ⅰ和正面磷掺杂层Ⅱ表面依次制备正面氧化层和正面减反层，在背面掺杂多晶硅层表面制备背面减反层；
(4)在正面减反层和背面减反层表面分别进行丝网印刷和烧结，得到正面金属栅线和背面金属栅线。
具体地，本实用新型示例性地提供了一种方案一所述的太阳能电池的具体制备过程，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅作为衬底，采用KOH和制绒添加剂的混合溶液对N型单晶硅进行制绒，制绒后的硅片经过氢氟酸和RCA清洗后，在硅片背面制备一层厚度为0.5～5nm的背面隧穿氧化层和一层厚度为50～500nm的硼掺杂非晶硅层，也可以用SiCx或MoOx代替硼掺杂非晶硅层；
(2)在不低于880℃的条件下进行退火晶化处理，使得硼掺杂非晶硅层转化为硼掺杂多晶硅层；
(3)对硅片的正面进行单面HF清洗去除正面的硼硅玻璃层(BSG层)和硼掺杂多晶硅层，在硅片正面进行高温磷扩散，形成正面磷掺杂层；
(4)去除磷扩散形成的PSG，在正面磷掺杂层表面依次生长正面氧化层和正面减反层；
(5)在硼掺杂多晶硅层表面制备背面减反层；
(6)在正面减反层和背面减反层表面分别进行丝网印刷和烧结，得到正面金属栅线和背面金属栅线；
(7)烧结；
(8)电池片氢钝化处理。
需要说明的是，在步骤(1)中，硼掺杂非晶硅层可以为原位掺硼的非晶硅薄膜也可以为本征非晶硅薄膜。如为本征非晶硅薄膜，则后续需要从外部引入掺杂源，如管式气态源扩散或旋涂掺杂源或离子注入或丝网印刷硼浆等。对于原位掺杂的非晶硅薄膜，需要高温退火，以激活掺杂原子，退火温度为800～1200℃，退火时间为1～500min。高温处理后，非晶硅薄膜转化为多晶硅薄膜，多晶硅薄膜的厚度为50～500nm。背面隧穿氧化层可以采用高温热氧化法、湿法或者强氧化气体氧化法制备得到，背面隧穿氧化层的厚度为0.5～5nm。
在步骤(4)和步骤(5)中，正面减反层和背面减反层可以为叠层或单层SiNx薄膜，也可以为SiOx薄膜，SiOxNy薄膜和SiNx薄膜三种薄膜的任意组合。正面减反层和背面减反层沉积方式可以为原子层沉积(ALD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)或者其他薄膜沉积方式。正面减反层或背面减反层的厚度为10～300nm。
在步骤(8)中，氢钝化可以采用电注入、光注入或加热等其它方式。
需要说明的是，在上述提供的示例性描述中出现的尺寸参数和工艺参数不构成对本实用新型保护范围的进一步限定，仅用于帮助本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案而提出的优选参数。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型提供了一种单面钝化接触的太阳能电池，背面隧穿氧化层可以给衬底提供优良的表面钝化效果，并实现载流子的选择性隧穿，背面掺杂多晶硅层可以有效的传输载流子以备背表面的金属电极收集，从而极大地降低了金属接触复合电流，避免了背面金属栅线与衬底直接接触，提升了电池的开路电压和短路电流。
附图说明
图1为本实用新型实施例1提供的太阳能电池的结构示意图；
图2为本实用新型实施例2提供的太阳能电池的结构示意图；
图3为本实用新型实施例3提供的太阳能电池的结构示意图。
其中，1-正面金属栅线；2-正面磷掺杂层Ⅰ；3-正面氧化层；4-正面减反层；5-衬底；6-背面金属栅线；7-背面隧穿氧化层；8-背面掺杂多晶硅层；9-背面减反层；10-正面磷掺杂层Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种太阳能电池，如图1所示，包括衬底5(n型硅片)，衬底5正面依次层叠设置有正面磷掺杂层Ⅰ2、正面氧化层3(氧化硅薄膜)和正面减反层4，正面氧化层3的厚度为0.2nm，正面减反层4的厚度为10nm，正面减反层4表面形成正面金属栅线1，正面金属栅线1与正面磷掺杂层Ⅰ2接触。
衬底5的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层7、硼掺杂多晶硅层8和背面减反层9，背面隧穿氧化层7的厚度为0.5nm，硼掺杂多晶硅层8的厚度为50nm，背面减反层9的厚度为10nm，背面减反层9表面形成背面金属栅线6，背面金属栅线6与硼掺杂多晶硅层8钝化接触。
实施例2
本实施例提供了一种太阳能电池，如图2所示，包括衬底5(p型硅片)，衬底5正面分为金属接触区和非金属接触区，金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ2，正面磷掺杂层Ⅰ2和非金属接触区表面层叠设置有正面氧化层3(氧化硅薄膜)和正面减反层4，正面氧化层3的厚度为2.5nm，正面减反层4的厚度为150nm，正面减反层4表面形成正面金属栅线1，正面金属栅线1与正面磷掺杂层Ⅰ2接触。
衬底5的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层7、硼掺杂多晶硅层8和背面减反层9，背面隧穿氧化层7的厚度为2.5nm，硼掺杂多晶硅层8的厚度为200nm，背面减反层9的厚度为100nm，背面减反层9表面形成背面金属栅线6，背面金属栅线6与硼掺杂多晶硅层8钝化接触。
实施例3
本实施例提供了一种太阳能电池，如图3所示，包括衬底5(n型硅片)，衬底5正面分为金属接触区和非金属接触区，金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ2，非金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅱ10，正面磷掺杂层Ⅰ2和正面磷掺杂层Ⅱ10表面依次层叠设置有正面氧化层3(氧化硅薄膜)和正面减反层4，正面氧化层3的厚度为4nm，正面减反层4的厚度为230nm，正面减反层4表面形成正面金属栅线1，正面金属栅线1与正面磷掺杂层Ⅰ2接触。
衬底5的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层7、硼掺杂多晶硅层8和背面减反层9，背面隧穿氧化层7的厚度为4nm，硼掺杂多晶硅层8的厚度为350nm，背面减反层9的厚度为200nm，背面减反层9表面形成背面金属栅线6，背面金属栅线6与硼掺杂多晶硅层8钝化接触。
申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种单面钝化接触的太阳能电池，其特征在于，所述的太阳能电池包括衬底，所述衬底的背面依次层叠设置有背面隧穿氧化层、背面掺杂多晶硅层和背面减反层，所述的背面减反层表面形成背面金属栅线，所述的背面金属栅线与背面掺杂多晶硅层钝化接触；
所述的衬底正面依次层叠设置有正面氧化层和正面减反层，所述的正面氧化层和正面衬底之间设置有正面磷掺杂层，所述的正面减反层表面形成正面金属栅线，所述的正面金属栅线与正面磷掺杂层接触。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的衬底正面分为金属接触区和非金属接触区。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述的金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅰ。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述的非金属接触区表面设置有正面磷掺杂层Ⅱ。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的衬底为n型硅片或p型硅片。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的背面掺杂多晶硅层为硼掺杂多晶硅层。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的背面隧穿氧化层的厚度为0.5～5nm；
所述的背面掺杂多晶硅层的厚度为50～500nm。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的正面氧化层的厚度为0.2～5nm。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的背面减反层的厚度为10～300nm；
所述的正面减反层的厚度为10～300nm。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的正面减反层和背面减反层分别独立地选自SiNx薄膜、SiOxNy薄膜或SiOx薄膜。
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