TWI552359B - Nano-boron slurry and its application in the preparation of PERL solar cells - Google Patents
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Description
本發明屬於奈米材料領域，具體涉及一種奈米矽硼漿及其應用於製備PERL太陽能電池的方法。
目前，普通P型晶體矽太陽能電池的效率通常低於20%。目前，一種效率高於20%的PERC電池正走出實驗室面向量產。
區別於普通P型電池，PERC電池的關鍵在於背鈍化和點接觸。通常，在電池背面沉積一層或多層電介質膜對矽片背表面進行鈍化處理。鈍化膜的作用主要有兩點，一來飽和矽片表面矽原子的懸掛鍵；二來建立一個表面電場。從而，降低少數載流子的表面複合速率，提高光電轉換效率。鈍化膜一般是絕緣體。為了將電流導出電池，生產PERC電池時通常用雷射將鈍化膜開出一些直徑約40微米大小的孔洞，然後將鋁漿灌入孔洞中，鋁漿燒結後形成鋁電極並與矽片形成接觸。由於接觸面很小，故稱為點接觸。
如圖1所示，①為矽片，通常是P型矽片；②為第一層鈍化膜，通常是Al2O3或SiO2；③為第二層鈍化膜，通常是SiNx；④為鋁電極，通常是通過鋁漿燒結而成；⑤為接觸點(即鈍化膜開孔處)。
製備接觸點⑤一般通過燒結正反面電極進行。燒結溫度通常高達830℃，遠高於矽鋁共熔溫度577℃。當燒結溫度升至矽鋁共熔點時，接觸點⑤處的矽和鋁發生共熔，矽沿著開口溢出鈍化膜外，並向四周的鋁電極④擴散。在冷卻過程中當溫度降至矽鋁共晶析出時，部分溢出的矽遺留在鋁漿電極④中，導致接觸點⑤處形成空洞。矽鋁接觸不良，電池效率受損。
本發明的目的是提供一種奈米矽硼漿及其應用於製備PERL太陽能電池的方法，可以解決PERC電池常出現的接觸不良問題，並提升電池效率，將PERC電池升級為PERL電池。
同時，本發明公佈一種PERL太陽能電池的結構。
為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案：一種奈米矽硼漿，其特徵在於，按重量配比，含有10~50份奈米矽粉、20~100份溶劑、0~20份添加劑，奈米矽的粒徑為10~200奈米；其中，所述奈米矽粉含有單質硼或硼化合物或二者混合物，其組成為50-100份矽、0.05-50份硼、0-50份硼化合物；所述硼化合物含有硼化矽或三氧化二硼或二者混合物。
較佳的，所述溶劑為松油醇、或檀香或二者混合物，所述混合物配比為0~80份松油醇和20~100份檀香；所述添加劑為乙基纖維素。
製程路線一：採用雷射處理方法
利用如上所述的奈米矽硼漿應用於製備PERL太陽能電池的方法，包括如下步驟：1、矽片清洗植絨；2、POCl3擴散，製備發射極；3、清洗背面、拋光；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜，6、印刷鋁漿/銀漿；7、燒結鋁漿/銀漿；其特徵在於，在所述步驟5之後、步驟6之前，在矽片背面印刷並烘乾所述奈米矽硼漿，印刷時所述奈米矽硼漿全覆蓋在矽片背面或者局部覆蓋在矽片背面，烘乾完成後對所述奈米矽硼漿進行雷射處理。
較佳的，對所述奈米矽硼漿進行雷射處理的製程參數為：雷射波長為532nm，雷射功率10-100w，頻率0.1-50MHz，掃描速度1-50m/s，光斑尺寸1-200μm。
製程路線二：採用高溫處理方法
利用如上所述的奈米矽硼漿應用於製備PERL電池的製程方法，包括如下步驟：1、矽片正面植絨、背面拋光；2、POCl3擴散，製備發射極；3、清洗磷矽玻璃；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜；6、雷射開孔穿透鈍化膜，7、印刷鋁漿/銀漿；8、燒結鋁漿/銀漿；其特徵在於，在所述步驟1之後、步驟2之前，在矽片背面印刷所述奈米矽硼漿，採用全覆蓋在矽片背面或者局部覆蓋，烘乾後，對所述奈米矽硼漿進行高溫處理。
較佳的，所述高溫處理奈米矽硼漿在工業管式擴散爐進行，溫度範圍900-1050℃，時間為1-2小時。
較佳的，上述製程路線一和製程路線二中，完成印刷所述奈米矽硼漿後，在工業紅外烘乾爐內烘乾，烘乾溫度為100~200℃，烘乾時間為1~5分鐘。
採用上述製程路線一或製程路線二製得的PERL太陽能電池，其特徵在於，在矽片背面依次沉積有Al2O3鈍化膜和SiNx鈍化膜，在所述SiNx鈍化膜上印刷有金屬電極漿料。通過燒結，所述金屬電極貫穿所述Al2O3鈍化膜和SiNx鈍化膜。在開孔處金屬電極與所述矽片形成接觸，所述開孔內填充有奈米矽硼漿，所述矽片為P型矽片。
較佳的，所述開孔處的金屬電極為鋁漿電極，在非開孔處的金屬電極為鋁漿電極或銀漿電極。
較佳的，所述開孔處的金屬電極為銀漿電極，在非開孔處的金屬電極為鋁漿電極。
較佳的，所述奈米矽硼漿在高溫或雷射處理過程中，硼向矽片內部擴散，在開孔處的矽片形成P+區，所述P+區的硼濃度等於或大於P型矽片的硼濃度。P+區的硼濃度在2*1020-5*1021atm/cm3之間。
原理說明：
奈米矽硼漿經過高溫或雷射處理後形成晶體矽，並將鈍化膜開口填滿，防止矽鋁接觸處形成空洞，解決了PERC電池常出現的接觸不良問題。另一方面，在高溫或雷射處理過程中硼向矽片內部擴散，在鈍化膜的開口處形成P+區。由於P+區硼濃度遠高於P型矽片的硼濃度，產生化學位元差，形成所謂的局部硼背場。硼背場建立的勢壘阻止光生載流子遷移到鈍化膜開口處發生複合被消耗掉。總之，硼背場的形成直接將PERC升級為PERL實現電池效率提升。
發明優點：
傳統的PERL電池結構，通過三溴化硼擴散製程完成，且過程中涉及一系列的掩膜製程，清洗製程、高溫處理製程，製程複雜，生產成本極高，且三溴化硼是一種非常危險的劇毒化學品，限制了工業化量產。本發明採用最簡單的、適合工業化量產的絲網印刷技術，將奈米矽硼漿印刷於矽片表面，通過高溫擴散或雷射摻雜製程路線完成P+區的硼擴散。奈米矽漿料無毒環保，絲網印刷技術將硼源直接印刷至所需硼擴散區域，避免了氣態源擴散(三溴化硼)製程中的掩膜，清洗製程。與PERC電池相比，僅需增加印刷機，烘乾爐，即可完成PERL的升級。本發明製程流程簡單，且成本較低。
①‧‧‧矽片
②‧‧‧Al2O3鈍化膜
③‧‧‧SiNx鈍化膜
④‧‧‧為金屬電極
⑤‧‧‧為鈍化膜
開口處
⑥‧‧‧奈米矽硼漿
⑦‧‧‧P+區
圖1為PERC電池背面局部結構示意圖；圖2為本發明公開的PERL電池背面局部結構示意圖；圖3為本發明所述製程路線一的流程圖；以及圖4為本發明所述製程路線二的流程圖。
以下實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。
實施例1：按照製程路線一，如圖3所示：
(1)按正常的PERC電池製備製程完成以下流程：1、矽片清洗植絨；2、POCl3擴散製備發射極；3、清洗、背面拋光；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜；
(2)利用絲網印刷設備將奈米矽硼漿局域印刷於(1)過程之後的鈍化膜上面；奈米矽硼漿的組成為：80份檀香和20份奈米矽粉，奈米矽的平均粒徑為50奈米，硼含量為5%。硼漿的印刷圖案是一組與矽片邊沿平行、均勻排列的邊正方形，其邊長為100μm，相鄰邊距為500μm。硼漿厚度為2.5μm。
(3)將印刷矽片在工業紅外烘乾爐內烘乾，烘乾溫度為150℃，烘乾時間為5分鐘。
(4)利用奈秒雷射器對印有奈米矽硼漿區域進行雷射處理，雷射光束聚焦在矽片表面的光斑直徑為50μm，波長為532nm，功率為45w，頻率為500KH，掃描速度為8m/s。
(5)按常規製程於矽片背面印刷鋁漿正面印刷銀漿、燒結，並完成PERL電池製備。
製備完成的PERL電池的背面局部結構如圖2所示：矽片①為P型156x156cm，CZ矽片，厚度為180μm，電阻率為1.2Ω-cm。經步驟(4)雷射處理後，奈米矽硼漿⑥穿過厚度為8nm的Al2O3鈍化膜②和厚度為75nm的SiNx鈍化膜③與矽片融為一體，奈米矽硼漿⑥局部平均厚度約為1μm。同時，雷射處理時形成的P+區⑦硼的濃度從表面最高濃度2*1021atm/cm3減至矽片的基板值。P+區⑦厚度約為12μm。相對應的雷射摻雜方阻通常低於10Ω/□。由於奈米矽硼漿⑥和P+區⑦，鋁電極④與矽片①形成良好的接觸。
實施例2：按照製程路線二，如圖4所示：
(1)按正常的PERC電池製備製程完成矽片正面植絨、背面拋光；
(2)利用絲網印刷設備將奈米矽硼漿局域印刷於(1)過程之後的矽片背面，即拋光面；奈米矽硼漿的組成為：70份檀香、9份松油醇、1份乙基纖維素、20份奈米矽粉，奈米矽的平均粒徑為70奈米，硼含量為8%。印刷硼漿是一組與矽片邊沿平行、均勻排列的邊正方形圖案，其邊長為100μm，邊距為500μm。
(3)將印刷矽片在工業紅外烘乾爐內烘乾，烘乾溫度為170℃，烘乾時間為4分鐘。
(4)將步驟(3)矽片利用工業管式擴散爐在20%氧氣和80%氮氣氣氛下進行高溫擴散，升溫速度為1℃/分鐘，擴散溫度和時間分別為960℃和1.5小時。
(5)按正常製程完成以下流程：1、POCl3擴散製備發射極；2、清洗磷矽玻璃；3、背面沉積Al2O3鈍化膜；4、雙面沉積SiNx膜；5、在硼漿覆蓋區進行雷射開孔穿透鈍化膜，6、印刷鋁漿/銀漿；7、燒結鋁漿/銀漿；完成電池片製作。
(6)製作完成後的PERL電池的背面局部結構與實施例1基本相同。主要區別在於，P+區⑦中硼在矽片的表面濃度較低，厚度較薄。差異體現在與其相應的方阻值為35Ω/□，比雷射處理的方阻高。
實施例3：按照製程路線一，如圖3所示：
(1)按正常的PERC電池製備製程完成以下流程：1、矽片清洗植絨；2、POCl3擴散製備發射極；3、清洗、背面拋光；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜；
(2)利用絲網印刷設備將奈米矽硼漿局域印刷於(1)過程之後的鈍化膜上面；奈米矽硼漿的組成為：60份檀香、19份松油醇、1份乙基纖維素、20份奈米矽粉，奈米矽的平均粒徑為70奈米，硼含量為3%。硼漿的印刷圖案是一組與矽片邊沿平行、均勻排列的邊正方形，其邊長為100μm，邊距為500μm。硼漿印刷厚度為3.5μm。
(3)將印刷矽片在工業紅外烘乾爐內烘乾，烘乾溫度為200℃，烘乾時間為3分鐘。
(4)利用奈秒雷射器對印有奈米矽硼漿區域進行雷射處理，雷射光束聚焦在矽片表面的光斑直徑為50μm，波長為532nm，功率為15w，頻率為1000KH，掃描速度為8m/s。
(5)按常規製程矽片背面印刷鋁漿正面印刷銀漿、燒結，並完成PERL電池製備。
製作完成後的PERL電池的背面局部結構大致與實施例1相同。區別在於，奈米矽硼漿⑥局部平均厚度約為1.3μm；P+區⑦硼的最高濃度為5*1020atm/cm3，P+區⑦厚度約為10μm，方阻約為15Ω/□。
性能測試：
上述三個實施例與常規PERC電池的電性能測試如下表結果：
與常規的PERC電池結構相比，實施例的PERL電池利用奈米矽硼漿實行局部硼摻雜，在鈍化膜開口處形成P+層。所述P+層的形成有效地修復鈍化膜開口帶來的破壞作用，增強鈍化效果，提升電池的開路電壓。同時，P+層顯著改善金屬電極接觸，提高電池的填充因數和電流。實現電池轉換效率的提升。此外，製程路線1與製程路線2相比，獲得了基本一致的效果，確證本發明公開的奈米矽硼漿和PERL電池結構的優越性。
需要指出的是，以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
①‧‧‧矽片
②‧‧‧Al2O3鈍化膜
③‧‧‧SiNx鈍化膜
④‧‧‧為金屬電極
⑤‧‧‧為鈍化膜開口處
⑥‧‧‧奈米矽硼漿
⑦‧‧‧P+區
Claims (11)
- 一種應用奈米矽硼漿製備PERL太陽能電池的方法，包括如下步驟：1、矽片清洗植絨；2、POCl3擴散，製備發射極；3、清洗背面、拋光；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜；6、印刷鋁漿/銀漿；7、燒結鋁漿/銀漿；其中，在所述步驟5之後、步驟6之前，在所述矽片背面印刷並烘乾所述奈米矽硼漿，印刷時所述奈米矽硼漿全覆蓋在所述矽片背面或者局部覆蓋在所述矽片背面，烘乾完成後對所述奈米矽硼漿進行雷射處理。
- 如申請專利範圍第1項所述的製備PERL太陽能電池的方法，其中，對所述奈米矽硼漿進行雷射處理的製程參數為：雷射波長為532nm，雷射功率10-100w，頻率0.1-50MHz，掃描速度1-50m/s，光斑尺寸1-200μm。
- 一種應用奈米矽硼漿製備PERL太陽能電池的方法，包括如下步驟：1、矽片正面植絨、背面拋光；2、POCl3擴散，製備發射極；3、清洗磷矽玻璃；4、背面沉積Al2O3鈍化膜；5、雙面沉積SiNx膜；6、雷射開孔穿透鈍化膜；7、印刷鋁漿/銀漿；8、燒結鋁漿/銀漿；其中，在所述步驟1之後、步驟2之前，在所述矽片背面印刷所述奈米矽硼漿，採用全覆蓋在所述矽片背面或者局部覆蓋，烘乾後，對所述奈米矽硼漿進行高溫處理。
- 如申請專利範圍第3項所述的製備PERL太陽能電池的方法，其中，所述高溫處理奈米矽硼漿在工業管式擴散爐進行，溫度範圍為900-1050℃，時間為1-2小時。
- 如申請專利範圍第1或3項所述的製備PERL太陽能電池的方法，其中，完成印刷所述奈米矽硼漿後，在工業紅外烘乾爐內烘乾，烘乾溫度為100~200℃，烘乾時間為1~5分鐘。
- 如申請專利範圍第1或3項所述的製備PERL太陽能電池的方法，其中，所述奈米矽硼漿按重量配比，含有10~50份奈米矽粉、20~100份溶劑、0~20份添加劑，所述奈米矽的粒徑為10~200奈米；其中，所述奈米矽粉含有單質硼或硼化合物，或單質硼和硼化合物的混合物，其組成為50-100份矽、0.05-50份硼、0-50份硼化合物；所述硼化合物含有硼化矽或三氧化二硼或二者混合物。
- 如申請專利範圍第6項所述的製備PERL太陽能電池的方法，其中，所述溶劑為松油醇、或檀香或二者混合物，所述混合物配比為0~80份松油醇和20~100份檀香；所述添加劑為乙基纖維素。
- 一種利用申請專利範圍第1至7項任一項所述的方法製備的PERL太陽能電池，係在矽片背面依次沉積有Al2O3鈍化膜和SiNx鈍化膜，在所述SiNx鈍化膜上印刷並燒結金屬電極，所述金屬電極通過貫穿所述Al2O3鈍化膜和所述SiNx鈍化膜的一開孔與所述矽片形成點接觸，所述開孔內填充有奈米矽硼漿，所述矽片為P型矽片。
- 如申請專利範圍第8項所述的PERL太陽能電池，其中，所述開孔處的所述金屬電極為鋁漿電極，在非開孔處的所述金屬電極為鋁漿電極或銀漿電極。
- 如申請專利範圍第8項所述的PERL太陽能電池，其中，所述開孔處的所述金屬電極為銀漿電極，在非開孔處的所述金屬電極為鋁漿電極。
- 如申請專利範圍第8項所述的PERL太陽能電池，其中，所述奈米矽硼漿在高溫或雷射處理過程中，硼向所述矽片內部擴散，在所述開孔處與所述矽片形成P+區，所述P+區的硼濃度大於或等於P型矽片的硼濃度。
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