CN221057443U - 一种单面钝化接触异质结电池及光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单面钝化接触异质结电池及光伏组件，属于电池领域，包括基底，其正面依次设置正面本征非晶硅层、n型掺杂非晶硅层、正面透明导电层、正面金属电极；其背面依次设置隧穿介质层、p型掺杂多晶硅层、背面减反射层和穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层接触的背面金属电极，背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间设置有金属导电层。本实用新型有益效果是：背面采用隧穿介质层与p型掺杂多晶硅层，替代现有本征非晶硅层和p型掺杂非晶硅或微晶硅层，避免p型掺杂非晶硅掺杂效率低和p型掺杂微晶硅层制备成本高问题；既能有效钝化电池背面，保证足够能带弯曲，促进电子空穴分离，又能提供良好横向导电能力，省去透明导电层的制备。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池领域，具体而言，涉及一种单面钝化接触异质结电池及光伏组件。
背景技术
目前，PERC电池已接近理论极限效率，以TOPCon、HJT、XBC为代表的n型技术快速渗透。在n型光伏技术中，异质结(HJT)电池具有高效率、高可靠性、可双面发电、低温工艺制程、薄硅片应用、温度特性好、无LID与PID效应等优点，受到国内外众多光伏企业密切关注。
异质结(HJT)电池具备对称双面电池结构，中间为n型晶体硅。正面依次沉积本征非晶硅薄膜和p型非晶硅薄膜，从而形成P-N结。背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和n型非晶硅薄膜，以形成背表面场。鉴于非晶硅的导电性比较差，因此在电池两侧沉积透明导电薄膜(TCO)进行导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极。
现有技术中的异质结(HJT)电池，p型掺杂层为掺B的非晶硅(p)a-Si:B:H，但是受掺杂量极限限制，使得p型掺杂层的掺杂效率较低，电池背面PN结的电场减弱，PN结对光生载流子的分离作用减弱，导致光生载流子的复合增加，最终造成电池效率较低。为克服p型非晶硅的缺点，行业正尝试采用p型掺杂微晶硅代替p型掺杂非晶硅，由于p型微晶硅薄膜具有晶硅的电学特性和光学特性，微晶结构的掺杂层可以有效提高掺杂层薄膜的电导率和透过率，硼掺杂效率更高，可以增强电池背面PN结的电场强度，使PN结对光生载流子的分离作用增强，减少光生载流子的复合，最终提高电池的效率。然而，为了减小p型掺杂微晶硅的孵化厚度，p型掺杂微晶硅的沉积需较大的氢气稀释比，其沉积速率远远低于p型掺杂非晶硅；为保证p型掺杂微晶硅的结晶质量，其厚度要明显大于非晶硅厚度，这就导致需要采用更多的工艺腔室，更高的射频电源功率，来制备p型掺杂微晶硅膜层，从而极大的增加了HJT电池制造成本。
实用新型内容
为克服现有技术中异质结电池p型掺杂层的掺杂效率较低影响电池效率，而采用p型掺杂微晶硅代替p型掺杂非晶硅虽然提高了电池的效率，但极大的增加了电池制造成本的问题，本实用新型提供了一种单面钝化接触异质结电池，包括基底，其正面依次设置正面本征非晶硅层、n型掺杂非晶硅层、正面透明导电层、正面金属电极；
其背面依次设置隧穿介质层、p型掺杂多晶硅层、背面减反射层和穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层接触的背面金属电极，背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间设置有金属导电层。
优选地，所述金属导电层为Al、Ti、Ni或其合金中的一种或多种组合，其厚度为1-10nm。
优选地，所述隧穿介质层为SiOx层，其厚度为1-2nm。
优选地，所述基底为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率为0.1-3.0Ωcm，厚度为100-200um。
优选地，所述p型掺杂多晶硅层厚度为100-200nm。
优选地，所述正、背面金属电极采用的浆料为含银、银包铜、银包铝、银包玻璃和银包石墨中一种的低温金属浆料。
优选地，所述背面减反射层为SiNx、SiOxNy、SiOx中的一种或多种组合，其厚度为70-150nm。
优选地，所述本征非晶硅层为a-Si：H、a-SiOx：H、a-SiCx：H中的一种或多种的组合，厚度在3-10nm；所述n型掺杂非晶硅层为磷掺杂的n-a-Si：H、n-a-SiOx：H、n-a-SiCx：H、n-uc-Si：H、n-uc-SiOx：H、n-uc-SiCx：H中的一种或多种组合。
优选地，所述透明导电层为掺杂的氧化铟、氧化锌或氧化锡中的一种或几种的复合层；厚度在70-120nm。
本实用新型还提供了一种光伏组件，包括上述的单面钝化接触异质结电池。
有益效果：
采用本实用新型技术方案产生的有益效果如下：
(1)背面采用隧穿介质层与p型掺杂多晶硅层，经高温退火激活形成背面PN结，替代现有本征非晶硅层和p型掺杂非晶硅或微晶硅层，避免p型掺杂非晶硅掺杂效率低和p型掺杂微晶硅层制备成本高的问题；既能有效钝化电池背面，保证足够的能带弯曲，促进电子空穴的分离，又能提供良好的横向导电能力，省去透明导电层(TCO)的制备；因而，不仅可以提高HJT电池效率，而且降低了制造成本。
(2)在背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间设置一层金属导电层层，降低了背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间的界面接触电阻。
(3)采用背面减反射介质膜层代替背面透明导电层(TCO)，利用激光开膜方式使背面金属电极穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层形成接触。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是实施例1中异质结电池层结构图；
图2是实施例1中异质结电池制备工艺流程图；
图3是对比例1中异质结电池层结构图；
图4是对比例1中异质结电池制备工艺流程图。
图中，1、基底；2、本征非晶硅层；3、n型掺杂非晶硅层；
4、正面透明导电层；5、正面金属电极；6、隧穿介质层；
7、p型掺杂多晶硅层；8、背面减反射层；9、背面金属电极；
91、金属导电层；16、背面本征非晶硅层；17、p型掺杂非晶硅层；
18、背面透明导电层。
具体实施方式
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
本实施方式中基底背面采用隧穿介质层与p型掺杂多晶硅层，经高温退火激活形成背面PN结，替代现有本征非晶硅层和p型掺杂非晶硅或微晶硅层，避免p型掺杂非晶硅掺杂效率低和p型掺杂微晶硅层制备成本高的问题，具体技术方案如下：
一种单面钝化接触异质结电池，以n型晶硅为基底，其正面依次设置正面本征非晶硅层、n型掺杂非晶硅层、正面透明导电层、正面金属电极；
其背面依次设置隧穿介质层、p型掺杂多晶硅层、背面减反射层和穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层接触的背面金属电极，背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间设置有金属导电层。
作为一种优选的实施方式，所述隧穿介质层为SiOx层，其厚度为1-2nm；所述p型掺杂多晶硅层厚度为100-200nm，掺杂浓度控制在1e20-1e21cm-3。
作为一种优选的实施方式，所述背面减反射层为SiNx、SiOxNy、SiOx中的一种或多种组合，其厚度为70-150nm。采用背面减反射介质膜层代替背面透明导电层(TCO)，利用激光开膜方式使背面金属电极穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层形成接触。
作为一种优选的实施方式，所述金属导电层为Al、Ti、Ni或其合金中的一种或多种组合。
作为一种优选的实施方式，所述背面金属电极采用的浆料为含银、银包铜、银包铝、银包玻璃和银包石墨中一种的低温金属浆料。
作为一种优选的实施方式，所述基底的电阻率为0.1-3.0Ωcm，厚度100-200um。
本实施方式还提供了一种上述单面钝化接触异质结电池的制备方法，包括：
在基底背面沉积隧穿介质层、p型掺杂多晶硅层和减反射层；
背面减反射层激光开膜，去除激光开膜处残留的氧化层；
背面沉积金属导电层；
印刷/固化背面低温金属浆料电极；
以印刷低温浆料为阻挡层，去除背面非电极区金属导电层。
作为一种优选的实施方式，背面减反射层激光开膜时，采用波长为532nm，脉宽的5-100ns，功率范围为10-200W，频率20-500kHz，开膜面积占比1-10％。
作为一种优选的实施方式，采用磁控溅射方式在背面沉积金属导电层；采用丝网印刷或激光转印方式将电极浆料覆盖在激光开膜上方，然后采用低温红外固化或低温热风固化方式对低温浆料进行处理，形成欧姆接触的低温金属浆料电极。
作为一种优选的实施方式，上述单面钝化接触异质结电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在单晶硅片表面进行腐蚀抛光；
步骤二，背面沉积隧穿介质层和p型掺杂多晶硅层；
步骤三，退火激活，干燥N2环境下进行热退火处理后，使非晶硅重结晶转化为多晶硅，同时硼部分活化为离子态；
步骤四，去除退火后正表面的氧化层，刻蚀在单晶硅片正面形成金字塔绒面结构；
步骤五，背面沉积减反射层、正面沉积本征非晶硅层和n型掺杂非晶硅层；
步骤六，背面减反射层激光开膜，去除激光开膜处残留的氧化层；
步骤七，背面沉积金属导电层、正面沉积透明导电层；
步骤八，印刷/固化正、背面低温金属浆料；
步骤九，背面非电极区金属导电层刻蚀。
背面采用隧穿介质层与p型掺杂多晶硅层，经高温退火激活形成背面PN结，替代现有本征非晶硅层和p型掺杂非晶硅或微晶硅层，避免p型掺杂非晶硅掺杂效率低和p型掺杂微晶硅层制备成本高的问题；既能有效钝化电池背面，保证足够的能带弯曲，促进电子空穴的分离，又能提供良好的横向导电能力，省去透明导电层(TCO)的制备；因而，不仅可以提高HJT电池效率，而且降低了制造成本。
作为一种优选的实施方式，通过等离子体氧化和磁控溅射工艺，在抛光后硅片表面上沉积超薄氧化物层和硼掺杂非晶硅层的堆叠结构，在等离子体氧化过程中，硅晶片表面通过O2前体气体的射频激发被等离子体氧化，射频电源功率100-300W，温度200-400℃，O2流量300-500sccm；
硼掺杂非晶硅层沉积，通过引入Ar和B2H6前驱体气体，激发等离子体以提高硼含量，溅射功率20-50kW，Ar流量200-600sccm，O2流量100-300sccm，沉积温度200-300℃。
下面通过实施例和对比例对本实施方式中异质结电池结构及其制备方法的有益效果进行进一步的评述。
实施例1：
如图1所示，一种单面钝化接触异质结电池，以n型晶硅为基底1、正面依次设置正面本征非晶硅层2、n型掺杂非晶硅层3、正面透明导电层4和正面金属电极5；背面依次设置隧穿介质层6、p型掺杂多晶硅层7、背面减反射层8和穿透背面减反射层8与p型掺杂多晶硅层7接触的背面金属电极9；背面金属电极9与p型掺杂多晶硅层7之间设置有金属导电层91。
如图2所示，上述异质结电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S101，基底1表面抛光，利用酸碱化学品，消除基底1表面有机沾污和金属杂质，在基底1表面进行腐蚀抛光；基底1为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率0.1-3.0Ωcm，厚度100-200um；
步骤S102，背面沉积隧穿介质层和p型掺杂多晶硅层，通过等离子体氧化和磁控溅射(POPAID)工艺，在抛光后硅片表面上沉积超薄氧化物层和硼掺杂非晶硅(a-Si)层的堆叠结构。
在等离子体氧化过程中，硅晶片表面通过O2前体气体的射频激发被等离子体氧化，射频电源功率100-300W，温度200-400℃，O2流量300-500sccm；SiOx层的厚度1-2nm。
硼掺杂a-Si沉积，通过引入Ar和B2H6前驱体气体，激发等离子体以提高硼含量；溅射功率20-50kW，Ar流量200-600sccm，O2流量100-300sccm，沉积温度200-300℃；硼掺杂非晶硅(a-Si)层的厚度控制在150nm，掺杂浓度控制在3e20cm-3；
步骤S103，退火激活，通过管式退火炉在干燥N2环境下进行热退火处理后，使非晶硅重结晶转化为多晶硅，同时硼部分活化为离子态；
步骤S104，去正面氧化层、单面制绒，单面HF刻蚀去除退火后正表面的氧化层，同时保留背面氧化层用作后道工序的阻挡层；采用槽式碱溶液刻蚀，在单晶硅片正面形成金字塔绒面结构；并采用氢氟酸清洗去除背面的氧化阻挡层；
步骤S105，背面沉积减反射层、正面沉积本征非晶硅层和n型掺杂非晶硅层，采用管式或板式PECVD在背面p型掺杂多晶硅层表面沉积背面减反射层，背面减反射层为SiNx、SiOxNy、SiOx中的一种或多种组合，其厚度为70-150nm；采用平板PECVD在硅片正面金字塔绒面表面沉积6nm本征非晶硅层，反应气体为SiH4和H2，其中H2与SiH4的流量比值为5；PECVD设备的电源功率密度为20mW/cm2，压力为70Pa，衬底温度为200℃；然后在本征非晶硅层上沉积厚度为6nm的n型掺杂非晶硅层，反应气体为SiH4、H2和PH3，H2与SiH4的流量比值为5，PH3与SiH4的流量比值为0.02；PECVD设备的电源功率密度为15mW/cm2，压力为80Pa，衬底温度为200℃；
步骤S106，背面减反射层激光开膜，采用波长为532nm，脉宽的5-100ns，功率范围为10-200W，频率20-500kHz，开膜面积占比5％；
步骤S107，去氧化清洗，采用稀释的HF溶液去除激光开膜处残留的氧化层；
步骤S108，背面沉积金属导电层、正面沉积透明导电层，采用磁控溅射方式在背面沉积金属导电层，金属导电层为Al、Ti、Ni金属或其合金中的一种或多种组合；透明导电层为掺杂的氧化铟、氧化锌或氧化锡中的一种或几种的复合层；厚度在70-120nm；采用磁控溅射或RPD方式沉积制备；
步骤S109，印刷/固化正、背面低温金属浆料，正、背面低温金属浆料为含银、银包铜、银包铝、银包玻璃、银包石墨等低温金属浆料中的一种；采用丝网印刷或激光转印方式印刷在硅片正、背面，其中，背面印刷电极浆料覆盖在激光开膜上方；然后采用低温红外固化或低温热风固化方式对低温浆料进行处理，形成欧姆接触的低温金属浆料电极；
步骤S110，背面非电极区金属导电层刻蚀，以印刷低温浆料为阻挡层，采用稀释的HCl溶液腐蚀去除背面非电极区金属导电层。
对比例1：
如图3所示，一种异质结电池，以n型晶硅为基底1、正面依次设置正面本征非晶硅层2、n型掺杂非晶硅层3、正面透明导电层4和正面金属电极5；背面依次设置背面本征非晶硅层16、p型掺杂非晶硅层17、背面透明导电层18和背面金属电极9。
该异质结电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤S101，预清洗，采用NaOH与H2O2混合溶液对基底1表面进行清洗，去除硅片表面的金属和有机污染物；
步骤S102，磷吸杂，采用POCl3扩散，扩散温度800-900℃，方阻20-50Ω，扩散过程中，金属杂质汇聚到中掺杂层中，通过后续工序腐蚀去除；
步骤S103，制绒清洗，利用酸碱化学品，消除硅片表面有机沾污和金属杂质，在基底1表面形成表面金字塔结构，增加太阳光的吸收减少反射；基底1为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率0.1-10.0Ωcm，厚度100-200um；然后采用RCA标准清洗方法对基底进行表面清洗，清除表面污染杂质；最后用2％的氢氟酸溶液去除表面氧化层。
步骤S104，PECVD沉积正、背面本征和掺杂非晶硅层，在n型硅片一侧，首先采用PECVD工艺沉积6nm本征非晶硅层，反应气体为SiH4和H2，其中H2与SiH4的流量比值为5；PECVD设备的电源功率密度为20mW/cm2，压力为70Pa，衬底温度为200℃；然后在本征非晶硅层上沉积厚度为6nm的n型掺杂非晶硅层，反应气体为SiH4、H2和PH3，H2与SiH4的流量比值为5，PH3与SiH4的流量比值为0.02；PECVD设备的电源功率密度为15mW/cm2，压力为80Pa，衬底温度为200℃；在n型硅片另一侧，采用PECVD工艺沉积7nm本征非晶硅层，反应气体为SiH4和H2，其中H2与SiH4的流量比值为5/1；PECVD设备的电源功率密度为20mW/cm2，压力为70Pa，衬底温度为200℃。然后再利用PECVD工艺沉积10nm p型掺杂非晶硅层，反应气体为SiH4、B2H6和H2，其中H2与SiH4的流量比值为4，B2H6与SiH4的流量比值为0.04；PECVD设备的电源功率密度为15mW/cm2，压力为60Pa，衬底温度为200℃。
步骤S105，PVD沉积正、背面透明导电层，采用PVD方法再在n型掺杂非晶硅层上沉积75nm的ITO透明导电薄膜，与p型掺杂非晶层上沉积75nm的ITO透明导电层；ITO中的铟元素的质量百分比为90％，锡元素的质量百分比为10％；PVD设备中充入有Ar和O2，O2与Ar流量比值0.025，压力0.5Pa，衬底温度为室温。
步骤S106，丝网印刷/固化正、背面低温金属浆料，最后在正背面透明导电层上利用丝网印刷的低温固化方式形成低温金属电极。
下面将实施例及对比例中得到的电池进行性能测试，采用IV测试仪测定太阳能电池片各参数，结果如表1所示。
表1实施例和对比例电池测试结果
以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，包括基底，其正面依次设置正面本征非晶硅层、n型掺杂非晶硅层、正面透明导电层、正面金属电极；
其背面依次设置隧穿介质层、p型掺杂多晶硅层、背面减反射层和穿透背面减反射层与p型掺杂多晶硅层接触的背面金属电极，背面金属电极与p型掺杂多晶硅层之间设置有金属导电层。
2.根据权利要求1所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述金属导电层为Al、Ti、Ni或其合金中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述隧穿介质层为SiOx层，其厚度为1-2nm。
4.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述基底为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率为0.1-3.0Ωcm，厚度为100-200um。
5.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述p型掺杂多晶硅层厚度为100-200nm。
6.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述正、背面金属电极采用的浆料为含银、银包铜、银包铝、银包玻璃和银包石墨中一种的低温金属浆料。
7.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述背面减反射层为SiNx、SiOxNy、SiOx中的一种，其厚度为70-150nm。
8.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述本征非晶硅层为a-Si：H、a-SiOx：H、a-SiCx：H中的一种，厚度在3-10nm；所述n型掺杂非晶硅层为磷掺杂的n-a-Si：H、n-a-SiOx：H、n-a-SiCx：H、n-uc-Si：H、n-uc-SiOx：H、n-uc-SiCx：H中的一种。
9.根据权利要求2所述的一种单面钝化接触异质结电池，其特征在于，所述透明导电层为掺杂的氧化铟、氧化锌或氧化锡中的一种或几种的复合层；厚度在70-120nm。
10.一种光伏组件，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的单面钝化接触异质结电池。
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