TW201523916A - 太陽能電池生產方法 - Google Patents
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Abstract
一種太陽能電池生產方法，其中將一種金屬化漿料(2)塗覆在基體(1)的表面(11)上，並通過在燒結工序中對基體進行處理，由金屬化漿料產生一個金屬化層(21)，燒結工序包含一個加熱階段(51a、52a)和一個接下來的冷卻階段(51b、52b)，在加熱階段基體沿著一條溫度變化曲線(51、52)被加熱至最高溫度，而在冷卻階段基體沿著一條溫度變化曲線(51、52)從最高溫度冷卻降溫；其特徵在於：基體溫度變化曲線(51、52)在燒結工序加熱階段(51a、52a)和/或冷卻階段(51b、52b)的最大斜率為每秒100開爾文(100K/s)、70K/s、50K/s或30K/s。
Description
本發明涉及一種太陽能電池生產方法。
當前太陽能電池結構中可能出現衰減，表現為太陽能電池性能或者效率的突然下降。通常情況下這種衰減出現在太陽能電池運行期間，其中工作參數比如入射光的光照強度和工作溫度，可能對衰減的出現存在重要影響。也就是說衰減在太陽能電池運行過程中產生。
最近人們發現，由於光線照射在矽片內部形成的復合缺陷可能是太陽能電池衰減的原因。所以這種效應又被稱為光致衰減(LID-光致衰減)，其出現原因主要是在矽晶體中形成了硼氧復合體。可以根據已知方法通過在太陽能電池生產中使用硼和氧含量很低的矽晶片防止出現上述效應。
但即使當太陽能電池由硼和氧含量降低的矽晶片生產時，仍然出現衰減效應，更準確地說，在太陽能電池設計中曾經出現並且繼續出現衰減效應，並且其程度無法根據上述硼氧效應進行解釋。除了期間已經為人們所知的硼-氧衰減效應(硼氧衰減或LID)之外還存在另外的衰減效應，比如通過2012年第二十七屆歐洲光伏會議暨展覽會(EUPVSEC)期間K.Ramspeck等人發表的文章「Light Induced Degradation of Rear Passicated
mc-Si Solar Cells」(「背面鈍化多晶矽太陽能電池的光致衰減」)，就可以得出這一結論。該文章解釋說，採用表面鈍化PERC(PERC-鈍化發射極和背面電池)設計的多晶矽太陽能電池(mc-Si太陽能電池)，會產生一種無法通過以往硼-氧模型解釋的光致衰減。通過降低氧含量，多晶矽太陽能電池中的硼氧衰減效應相對較小。但是這裡出現了在程度上可能顯著超出已知硼氧衰減的衰減效應。上述文章指出：當光線照射強度為每平方米400瓦(W/m2)且電池溫度為75℃時，效率衰減值為5-6%(相對)。
本發明的目的是提供一種太陽能電池生產方法，通過這種方法能夠以可靠方式生產後期衰減度較小或者根本不會出現後期衰減的太陽能電池。
根據本發明，上述目的通過權利要求所描述的太陽能電池生產方法達到。本發明的優選方案在從屬權利要求中列出。
為了將這裡的重要衰減效應與被稱為光致衰減(LID)的衰減機理相區分，下文中將提到一種所謂的eLID。該名稱表示一種增強的光致衰減效應(eLID-增強的光致衰減)。儘管標準太陽能電池中也可能出現eLID，但是eLID主要出現在以多晶矽半導體為基礎的太陽能電池中，這種太陽能電池氧含量較少，因而具有較低的LID敏感性。新的太陽能電池設計方案表現出較高的eLID敏感性，比如PERC-太陽能電池或者其他採取表面鈍化措施的太陽能電池，尤其是那些通過鈍化層局部接觸的太陽能電池。
本發明建立在以下認識的基礎上：太陽能電池對於上述衰減的敏感性，即太陽能電池的eLID敏感性，主要取決於太陽能電池生產過程
中的生產參數。發明人發現，衰減建立在與已知硼-氧衰減相區別的另一種衰減機理的基礎上。此外發明人成功設計了一種顯著降低甚至完全避免eLID敏感性的方法。
與LID敏感性類似，eLID敏感性極有可能導致生產的太陽能電池，經過陽光照射或者通電後產生衰減。雖然在概念LID或eLID中包含詞語「光(導)致」，但衰減也可由於通電(即在太陽能電池上施加一個電壓從而在導通方向產生電流)而出現。產生衰減所需要的光照強度或電流密度，取決於工作溫度、光照或通電時間以及太陽能電池的其他工作參數和生產參數。
本發明的主要觀點基於以下認識：燒結過程或燒結工序是影響太陽能電池eLID敏感性的一個重要因素。為了完成漿料金屬化，金屬化漿料被塗覆在基體表面，並通過燒結基體由金屬化漿料產生一個金屬化層。這個燒結工序極易導致將來的太陽能電池出現eLID敏感性。目前尚不清楚哪種效應導致eLID。LID的衰減機理以硼氧復合體形成為基礎，而在eLID中可能多種不同機理同時起作用。不過目前已經知道，燒結工序導致產生eLID敏感性的主要原因並不是基體承受的最高溫度，而是燒結期間基體所經歷溫度變化梯度。
eLID本身表現為太陽能電池效率出現若干個百分點的下降，有時下降幅度至少達到3%、5%、7%、9%或更高。這種效率衰減通常伴隨載流子壽命的下降，下降幅度至少為一半甚至下降一個數量級。比如載流子壽命可能由幾百微秒縮短至幾十微秒。基體上的載流子壽命測量在基體接觸或金屬化之前進行。
基體所經歷燒結工序包含一個加熱階段和一個冷卻階段。在加熱階段，基體沿著一條溫度變化曲線被加熱到最高溫度。在接下來的冷卻階段，基體沿著溫度變化曲線從最高溫度冷卻降溫，最好降至加熱階段開始的初始溫度，或者冷卻至室溫或環境溫度。燒結期間基體的溫度變化曲線，在加熱階段和/或冷卻階段的最大斜率為每秒100開爾文(K/s)，這個斜率最好是70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在某些結構形式中採取以下做法可能具有優勢：加熱階段溫度變化曲線的最大斜率為100K/s、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s，而冷卻階段溫度變化曲線採用與加熱階段不同的最大斜率，其值為100K/s、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在這裡需要強調的是：上面所指為最大斜率絕對值(尤其是在斜率為負的冷卻階段)。通過將基體上溫度隨時間的變化值維持在某一規定值以內，按照相應生產工藝製造的太陽能電池可以顯著減小或完全避免eLID敏感性。如果(比如)基體在一個溫度變化的空間內移動，可以通過空間溫度的變化實現溫度隨時間的變化。尤其可以通過使基體穿越一個連續加熱爐完成整個燒結工序。
根據本發明的一個優化設計，最高溫度高於400℃、450℃、500℃、600℃或700℃。燒結工序中採用較大的最高溫度值，可以使基體表面和所產生金屬層實現緊密結合。此外較高的最高溫度還可以使漿料金屬化生產參數範圍得到更好利用。比如可以採用以下設計：燒結工序中加熱階段和/或冷卻階段的基體溫度變化曲線包含一個或者多個平台，在平台位置溫度隨時間的變化梯度幾乎為零。但也可以不依賴所選擇最高溫度設計一個或者多個上述平台。
太陽能電池的加熱可以借助於指向基體表面的熱能實現。
在本發明的一個優化設計中，加熱階段到達基體的加熱能量不超過以下最大功率密度：每平方厘米30瓦(30W/cm2)、25W/cm2、20W/cm2或15W/cm2。借助這種加熱能量限制措施，可以確保基體溫度變化曲線斜率不超過要求值或規定值。
在本發明的一個優選方案中，加熱階段對基體進行單面照射以便加熱基體。在這裡可以選擇從覆蓋金屬化漿料的側面或者從與金屬化漿料相對的側面照射基體，以便對基體進行加熱。當然在加熱階段加熱基體時，也可以從兩面對基體進行照射。為了僅從底面或者另外從底面照射基體，可以將基體佈置在一個輸送裝置上，這個輸送裝置僅固定基體的邊緣區域。
在一個合理結構形式中，基體的一面或兩面覆蓋有實現表面鈍化的鈍化層。這種鈍化層尤其可以設計在塗有金屬化漿料以便產生漿料金屬化的基體表面上。在這種情況下可以在燒結工序之前或之後額外進行激光燒製接觸處理(LFC)。尤其可以使用氧化鋁、氮氧化鋁、氧化矽和/或氮化矽作為鈍化層。也可以使用多個相互重疊的鈍化層，比如一個實現化學鈍化的鈍化層和一個實現場效應鈍化的鈍化層。
上述鈍化層適合作為背面鈍化層和/或正面鈍化層，尤其可以使用氧化鋁、氮氧化鋁層，和/或由氧化鋁、氮氧化鋁、氮氧化矽和/或氮化矽組成的重疊層作為背面鈍化層，而氮氧化矽或氮化矽層適合作為正面鈍化層和/或抗反射塗層。
燒結工序中可以在金屬化層下面構成一個背面場(Back Surface Field，BSF)，這種做法尤其適用於背面產生金屬化層的情況。在這
裡金屬漿料可以塗覆在基體的一面或兩面。背面漿料金屬化層可以基本覆蓋基體表面，而正面漿料金屬化層應按照某種結構形成(比如以金屬格柵的形式)。
在一個優化結構形式中，基體由單晶、聚晶或者多晶半導體構成。基體尤其可以通過矽製成。
1‧‧‧基體
11‧‧‧基體表面
2‧‧‧金屬化漿料
21‧‧‧金屬化層
22‧‧‧背面場
3‧‧‧連續式加熱爐
30‧‧‧入口區域
31‧‧‧第一溫度範圍
32‧‧‧第二溫度範圍
33‧‧‧第三溫度範圍
34‧‧‧出口區域
41‧‧‧第一條溫度變化曲線
42‧‧‧第二條溫度變化曲線
51‧‧‧防止eLID的溫度變化曲線
51a‧‧‧加熱階段
51b‧‧‧冷卻階段
52‧‧‧另一條防止eLID的溫度變化曲線
52a‧‧‧另一個加熱階段
52b‧‧‧另一個冷卻階段
下面參照附圖通過實施例闡述本發明，其中：圖1a)至e)是用於解釋太陽能電池生產工藝步驟的示意圖；和圖2是用於表述不同燒結工序中溫度變化曲線的圖表。
圖1a)至1e)示出了太陽能電池生產過程中的各個步驟。借助這些示意圖尤其可以闡明漿料金屬化過程。首先要按圖1a)所示提供帶有基體表面11的基體1。接下來如圖1b)所示，上述基體表面11覆蓋一層金屬化漿料2。接著單面塗覆金屬化漿料2的基體1穿過一個執行燒結工序的連續式加熱爐3。
簡單地看，圖中所示連續式加熱爐3具有三個溫度範圍31、32、33。基體1在一個入口區域30進入連續式加熱爐3，並在經過全部三個溫度範圍31、32、33後通過一個出口區域34離開連續式加熱爐。基體1在第一溫度範圍31被加熱。也就是說基體經歷一個溫度變化曲線的加熱階段。在第二溫度範圍32，基體1達到最高溫度。最後當基體1在連續式加熱爐3中穿過第三溫度範圍33時，經歷一個溫度變化曲線的冷卻階段。
圖1c)展示了基體1進入連續式加熱爐3和經過溫度範圍
31的情況。然後基體1位於第二溫度範圍32，如圖1d)所示。在這裡基體達到溫度變化曲線中的最高溫度。如圖1d)所示，在基體1中的金屬化漿料2或金屬漿料下面，因金屬化漿料2中材料的擴散形成了一個背面場22，這個背面場既可用於太陽能電池的接觸，又可用於其表面11的鈍化。此外通過燒結工序，從金屬化漿料2中產生出一個金屬化層21。
接下來如圖1e)所示，基體1穿過第三溫度範圍並冷卻，以便通過出口區域34離開連續式加熱爐3。
圖2展示了一個包含四個不同溫度變化曲線41、42、51、52的圖表。它們都是一個燒結工序的溫度變化曲線，該燒結工序的目的是通過金屬化漿料2在基體表面11上產生金屬化層21。圖表中沿著X軸繪製了時間，單位為秒(s)；沿著y軸繪製了溫度，單位為℃。第一條溫度變化曲線41和第二條溫度變化曲線42屬於溫度梯度較高的燒結過程(根據不同結構形式)中所採用溫度變化曲線。兩條溫度變化曲線41、42加熱階段的最大斜率約為60K/s。第一條溫度變化曲線41的最高溫度為550℃，而第二溫度變化曲線42的最高溫度約為600℃。第一條溫度變化曲線41冷卻階段的最大斜率約為-26K/s，而第二條溫度變化曲線42冷卻階段的最大斜率約為-33K/s。也就是說基體1在第二溫度變化曲線42中的冷卻速度快於溫度變化曲線41，或者說在採用第二溫度變化曲線時，基體在冷卻階段的溫度變化梯度較大。
兩條溫度變化曲線41、42滿足加熱階段和冷卻階段最大斜率不超過100K/s的要求。其中所生產太陽能電池的eLID敏感性有輕微下降。不過為了確保生產的太陽能電池不出現eLID，溫度變化曲線的最大斜
率應取更小值。這就意味著，在燒結工序中基體被更加緩慢地加熱和/或冷卻。
圖2所示另外兩條溫度變化曲線51、52，在eLID敏感性方面明顯更有優勢。圖中展示了一條防止eLID的溫度變化曲線51和另一條防止eLID的溫度變化曲線52。第一條防止eLID的溫度變化曲線51，包含一個最大梯度或者最大斜率為25K/s的加熱階段51a和一個最大斜率為-30K/s的冷卻階段51b。防止eLID的溫度變化曲線51所達到最高溫度為600℃。在未接觸基體(這些基體經歷上述溫度變化曲線)上進行的載流子壽命測量表明，即使在高溫條件下經過長時間照射，也不會出現eLID徵兆。也就是說這樣生產的太陽能電池不容易出現eLID。
圖2所示另一條防止eLID的溫度變化曲線52至少在加熱階段具有更小的最大斜率。這條溫度變化曲線具有最大斜率為16K/s的加熱階段52a和最大斜率為-39K/s的冷卻階段52b。經歷這一條防止eLID的溫度變化曲線52時，基體1所達到最高溫度為700℃。也就是說，加熱階段52a的最大斜率顯著小於加熱階段51a的最大斜率。但是因為冷卻階段52b的最大斜率顯著高於30K/s，採用這種方式生產的太陽能電池儘管eLID敏感性很小，還是略微高於燒結工序中採用防eLID溫度變化曲線51的太陽能電池。這一點也可通過未接觸基體上的載流子壽命測量(經過相應照射後)予以證實。
41‧‧‧第一條溫度變化曲線
42‧‧‧第二條溫度變化曲線
51‧‧‧防止eLID的溫度變化曲線
51a‧‧‧加熱階段
51b‧‧‧冷卻階段
52‧‧‧另一條防止eLID的溫度變化曲線
52a‧‧‧另一個加熱階段
52b‧‧‧另一個冷卻階段
Claims (12)
- 一種太陽能電池生產方法，其中將一種金屬化漿料(2)塗覆在基體(1)的表面(11)上，並通過在燒結工序中對基體進行處理，由金屬化漿料生成一個金屬化層(21)，燒結工序包含一個加熱階段(51a、52a)和一個接下來的冷卻階段(51b、52b)，在加熱階段基體沿著一條溫度變化曲線(51、52)被加熱至最高溫度，而在冷卻階段基體沿著一條溫度變化曲線(51、52)從最高溫度冷卻降溫；其特徵在於：基體溫度變化曲線(51、52)在燒結工序加熱階段(51a、52a)和/或冷卻階段(51b、52b)的最大斜率為每秒100開爾文(100K/s)、70K/s、50K/s或30K/s。
- 如申請專利範圍第1項的太陽能電池生產方法，其特徵在於：最高溫度高於400℃、450℃、500℃、600℃或700℃。
- 如申請專利範圍第1或第2項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：加熱階段(51a、52a)到達基體(1)的加熱能量不超過最大功率密度每平方厘米30瓦(30W/cm2)、25W/cm2、20W/cm2或15W/cm2。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：通過使基體穿過連續式加熱爐(3)完成燒結工序。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：在加熱階段對基體(1)進行單面照射，以便將基體(1)加熱。
- 如申請專利範圍第5項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：在加熱階段，從覆蓋金屬化漿料的側面或者從與金屬化漿料相對的側面照射基體(1)，以便對基體(1)進行加熱。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在 於：基體(1)的一面或兩面覆蓋有使表面鈍化的鈍化層。
- 如申請專利範圍第7項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：氧化鋁、氮氧化鋁層，和/或由氧化鋁、氮氧化鋁、氮氧化矽和/或氮化矽組成的重疊層被作為背面鈍化層。
- 如申請專利範圍第7或第8項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：由氮氧化矽或氮化矽加工一個正面鈍化層。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：由氮氧化矽或氮化矽加工一個抗反射塗層。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：將金屬化漿料塗覆在背面並由此產生一個背面金屬化層(21)，在燒結工序中背面金屬化層(21)下部形成一個背面場(Back Surface Field，BSF)。
- 如前述申請專利範圍任一項所述的太陽能電池生產方法，其特徵在於：基體(1)由一種單晶半導體或多晶半導體構成。
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