TWI553899B - 太陽能電池的製造方法和太陽能電池的處理方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種太陽能電池的製造方法和一種太陽能電池的處理方法。
就當前的太陽能電池結構而言，衰減可能會發生，這個現象反映在太陽能電池的功率或效率突然急劇下降。一般情況下，太陽能電池都是在運行的過程中出現性能衰減現象的，電池的運行參數的變化，比如由太陽能電池供電工作的光強度和太陽能電池的運行溫度等，對於判斷太陽能電池是否已經發生了性能衰減起著重要的作用。太陽能電池性能的衰減也是在太陽能電池的運行中被觸發的。
最近人們發現複合性出現(Recombination-active)缺陷有可能是太陽能電池性能出現衰減的原因，而複合性出現缺陷是由於入射光照射到矽內部造成的。這種由於光線照射導致的太陽能電池性能衰減的現象被也被稱為光致衰減(LID-light induced degradation)，出現這種現象出現的原因為在晶體矽體積中生成了硼氧複合體。可以根據已知方法藉由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。
然而，即便以這般具有較少硼和氧含量的矽晶片為原料製造太陽能電池，仍然存在電池性能衰減的現象，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，到了無法根據上述硼氧效應進行解釋的程度。除了現在已經逐漸被行業內瞭解的硼-氧衰減效應(硼氧衰減或者LID)之外，還有另外一種衰減效應，比如通過2012年第二十七屆歐洲光伏太陽能會議暨展覽會(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)，會產生一種無法藉由以往硼-氧模型解釋的光致衰减。藉由降低氧含量，多晶矽太陽能電池中的硼氧衰减效應相對較小。但是這裡出現了在程度上可能顯著超出已知硼氧衰减的衰减效應。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製造方法，藉由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。此外，本發明還提供一種太陽能電池的處理方法，太陽能電池在經過上述處理之後可以降低該電池在之後的運行步驟中對衰減的敏感性或可消除在太陽能電池製造步驟中的一個方法步驟中增加的太陽能電池對電池衰減現象的敏感性。
根據本發明，上述目的藉由滿足申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法和滿足申請專利範圍第12項所述的太陽能電池處理方法實現。本發明的其他改進將在附屬申請專利範圍中描述。
在本文中，為了將與本發明有關性能衰減與LID光致衰減涉及的性能衰減機理相區別，在文章的以下部分中，使用eLID表示本文要講述的性能衰減。這個名稱的意思是增強的光致衰減效應(eLID-增強的光致衰減(enhanced light induced degradation))。標準太陽能電池也會出現增強的光致衰減現象，但多晶半導體製成的太陽能電池出現增強的光致衰減現象的概率尤其高，上述多晶半導體製成的太陽能電池中氧含量比較低，所以LID光致衰減的敏感性也比較低。在近一段時間研發出來的較新型的太陽能電池表現出更高的eLID敏感性，比如PERC結構的太陽能電池或者其他表面經過鈍化處理的太陽能電池，尤其是那些使用太陽能電池燒製雷射設備(LFC-雷射燒製接觸(laser fired contacts))實現的歐姆接觸(contact-connection)的太陽能電池都非常容易出現eLID。
本發明基於以下的一些知識，即對於在這篇文章中所述的太陽能電池對於上述衰減的敏感性，也就是太陽能電池的eLID敏感性極大程度上取決於太陽能電池製造步驟中生產參數。本發明人已經發現，此類電池性能衰減現象與另外一種與現在已知的硼-氧衰減效應中的衰減機理不同的電池性能衰減機理有關。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。
eLID的敏感性和LID的敏感性有類似的屬性，即當太陽能電池被光線照射後或者電流流過太陽能電池之後，都很有可能出現電池性能衰減的現象。雖然，在LID和eLID中都有術語“光致”，但實際上，當電流流過太陽能電池，也就是在太陽能電池的兩端施加電壓，並導致在太陽能電池不同位置之間生成了從高電壓流向低電壓的電流，也可能導致太
陽能電池的性能出現衰減。產生衰減所需要的光照强度或電流密度，取決於工作温度、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。
當發生eLID類型的電池性能衰減時，太陽能電池效率將會下降若干個百分點，比如，下降至少3%、5%、7%、9%或者更多。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。
本發明重要的一個方面基於一種發現，即在太陽能電池的製造步驟中有一個製造步驟，該步驟能夠引發太陽能電池的成品中的eLID敏感性，也就是說，太陽能電池的eLID敏感性會提高。一般來說，在太陽能電池製造方法流程中，燒製過程或者燒製步驟是一個特別關鍵的步驟，也就是上述影響其eLID敏感性的決定性的步驟。為了實現金屬化漿料的金屬化，將一層金屬化漿料塗覆在基體的表面上，使得基體在經歷一個燒製步驟後，金屬化漿料生成一層金屬化層。上述燒製步驟非常容易導致在日後的太陽能電池出現eLID敏感性。到現在為止，還未能研究清楚是哪一種效應導致了eLID。現在已經知道，當出現LID型性能衰減時，電池性能衰減的機理為在太陽能電池中生成了硼氧複合體，當出現eLID，可能同時存在多種不同的電池性能衰減的機理在起作用。
從以上的敘述中可以瞭解到，可以設置一個熱處理步驟，以降低在一個製造步驟中導致的eLID敏感性增加趨勢。換句話說，在基體經歷了一個導致eLID敏感性增加的製造步驟之後，再使該半成品經歷一個熱處理步驟，使其eLID敏感性在一定程度上被消除。為此，在熱處理步驟中，
基體要經歷一熱處理溫度曲線。需要設定熱處理溫度曲線以使在至少3秒的熱處理時間內將基體置於達到一定溫度範圍的環境中，該溫度範圍的範圍下限為大約400℃，範圍上限為大約700℃。同樣地，也可以在對一個太陽能電池的成品的處理步驟中採用上述的熱處理溫度曲線。在本文中，所有提到的在太陽能電池製造步驟中採用的熱處理溫度曲線都適用於太陽能電池處理步驟，反之亦然。
當基體或者太陽能電池成品在一個熱處理時間段內被置於一定的溫度下，且上述溫度處於熱處理溫度範圍之內，也可以消除eLID敏感性。在優選的處理方案中，熱處理的時間為至少3、4、5、7或者9秒鐘。優選地，熱處理溫度範圍下限為400℃、420℃、450℃或者480℃。優選地，熱處理溫度的範圍上限為550℃、600℃、650℃或者700℃。
本發明的一個優選實施例中，熱處理步驟包括一個升溫階段及/或一個降溫階段，其中基體在熱處理步驟中經歷熱處理溫度曲線，在熱處理步驟的升溫階段及/或一個降溫階段內最大梯度為每秒100克耳文(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。在優選的熱處理方案中，熱處理步驟的升溫階段內最大梯度為每秒100克耳文(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s，而熱處理步驟的降溫階段內最大梯度為每秒100克耳文(K/s)、70K/s、50K/s、40K/s或30K/s。這裡所指的是最大梯度絕對值，尤其在降溫步驟中，該梯度的值是負的。
通過在一定時間內，一定溫度變化範圍內改變基體或者成品太陽能電池的溫度可以使太陽能電池的eLID敏感性被大大降低或者被完全消除。也可以採用改變被處理部件的空間位置，使得被處理部件的溫度發
生變化以代替一定時間內改變基體或者成品太陽能電池的溫度的熱處理辦法，比如，將基體或者成品太陽能電池從空間的某一個位置移動到另一個溫度不一樣的位置上，實現該部件的熱處理。
尤其需要說明的是，可以將基體/成品太陽能電池藉由一個連續式加熱爐，實現該部件的整個熱處理步驟。
在熱處理期間，基體或成品太陽能電池可以被加熱到最高允許加熱溫度，該溫度大於400℃、430℃、450℃、470℃、500℃或者550℃。
本發明的一個優選實施例中，在太陽能電池的製造方法步驟中，基體經過一個燒製步驟，一個燒製步驟的升溫階段或者一個燒製步驟的降溫階段，藉由上述處理，使得被塗覆在基體表面的金屬化漿料生成了一層金屬化層。燒製步驟可能成為導致太陽能電池出現eLID敏感性的步驟，這取決於該步驟中的方法參數。也就是說，因為上述的燒製步驟，或者僅僅因為燒製步驟中的升溫階段或者僅僅因為燒製步驟中的降溫階段而使得製造出來的太陽能電池具有較高的eLID敏感性。在這種情況下，如果在相關部件完成了燒製步驟之後使其經過一個熱處理步驟，以使得太陽能電池的eLID敏感性被消除，則有利於提高太陽能電池的性能。
如果一個太陽能製造方法步驟中包括一個燒製步驟，並包括其中的升溫階段，則優選地是，將熱處理步驟整合在一個燒製步驟之中的降溫階段內。比如，在設置燒製步驟處理溫度時，可以在燒製步驟溫度變化曲線上設置一個平臺期(Plateau)，以實現熱處理步驟，也就是說，當燒製處理的溫度達到最高溫度之後，保持該溫度一段時間。
根據本發明的優選實施例，在熱處理階段，基體或者太陽能
電池被光照射及/或在基體或者太陽能電池上通電。對基體或者太陽能電池進行照明或通電可以促進太陽能電池消除其eLID敏感性，或者，用於在熱處理的步驟中觀察基體和太陽能電池。
根據本發明的優選實施例，基體是採用單晶(monocrystalline)、多晶形(polycrystalline)或者多結晶體(multicrystalline)半導體製成的。基體優選的是由矽製成的。
本發明涉及一種有利於實現太陽能電池設計要求的太陽能電池製造方案，基體一面或者兩面覆蓋具有表面鈍化功能的鈍化層。鈍化層優選的可以設置在塗有金屬漿料以便產生漿料金屬化基體的表面上。在這種情況下，可以在燒製步驟之前或者之後另外設置一個雷射燒製接觸處理步驟(LFC)。鈍化層優選的為，尤其，氧化鋁層、氮氧化鋁層、矽氧化層及/或氮化矽層。在實際應用中也有可以設置為相互重疊的多層鈍化層，例如，其中一層化學鈍化層，一層具有場效應鈍化特性的鈍化層。
上述鈍化層適用于作為背面鈍化層及/或作為正面鈍化層，其中，往往採用以氧化鋁層、氧化氮鋁層及/或由氧化鋁、氮氧化鋁、氧氮化矽及/或氮化矽構成的層疊尤其適合於作為背面鈍化層，而由氮氧化矽或者氮化矽構成的層適合於作為正面鈍化層及/或抗反射層。
從圖1a)到e)顯示出太陽能電池製造方法流程中的不同步驟。特別地，藉由這個示意圖可以看出在部件獲得了功能層之後經過了一個熱處理步驟。如圖1a)所示，首先提供一基體1。如圖1b)所示，在基體上形成功能層2。在本發明給出的例子中，該功能層可以是，例如，金屬化層、鈍化層、摻雜層或者類似的功能層，也有可能在一個部件上設置了多層上述的功能層。在之後的步驟中，塗覆有功能層2的基體1穿過連續式加熱爐3，上述步驟中即完成了熱處理步驟。
在圖中所示的連續式加熱爐3中溫度不同，且可以簡化描述將爐內溫度分為三個溫度區，即31、32、33。基體1首先進入入口區域30，繼而進入連續式加熱爐3，當基體1穿過出口區域34之後離開連續式加熱爐3，在上述步驟中，基體1經過了所有三個溫度區域31、32、33。在第一個溫度區域31中，基體1被加熱升溫。也就是說，基體1在此期間也經過了熱處理高溫處理的升溫階段。在第二個溫度範圍32內，基體1的溫度達到了最高溫度或者最高極限溫度。然後，在基體1藉由連續式加熱爐3的第三個溫度區域的步驟中，基體1經歷了一個熱處理的降溫階段。
圖1c)中可以看出，基體1進入了連續式加熱爐3並且穿過了第一個溫度區域31。在那之後，如圖1d)所示，基體1進入了第二個溫度區域32。在這裡，基體的溫度達到了整個處理步驟中最高溫度。在那之後，如圖1e)所示，基體1進入了第三溫度區域，並且其溫度開始下降，然後，基體1穿過出口區域34離開連續式加熱爐3。
如圖2所示，因為基體1要穿過連續式加熱爐3，所以，基
體1會經歷一個溫度變化過程。在溫度示意圖中，沿著X軸方向表現的是時間變化，沿著Y軸方向表現的是溫度變化。從圖中可以看出，熱處理溫度曲線51是由升溫階段51a和降溫階段51b構成的。因為經歷了符合熱處理溫度曲線51的步驟，所以太陽能電池原本可能會出現的eLID敏感性降低了或者完全消除了。為此，升溫階段51a及/或降溫階段51b期間的最大梯度不能超過大約100K/s。
圖3為另一幅示意圖，在這幅圖中涉及到了燒製處理步驟中的一個溫度變化過程曲線4。溫度變化過程曲線4中包括一個燒製處理步驟升溫階段4a和一個燒製處理步驟降溫階段4b。此處，燒製處理步驟升溫階段4a和燒製處理步驟降溫階段4b的溫度變化曲線可以為常規使用的溫度變化曲線。在這種情況下，如果燒製處理步驟的溫度變化按照溫度變化曲線4而變化，則很有可能導致製造出來的太陽能電池eLID敏感性提高。為了避免上述情況的出現，需要引入一個熱處理步驟，該步驟集成在燒製步驟的降溫階段4b的步驟中。換句話說，基體1的溫度在熱處理時間內保持在一定的溫度範圍內，即高於下限溫度並且低於上限溫度，這樣，燒製處理步驟中的降溫階段4b內，基體1就經過了熱處理。在圖3所顯示的實例中，具有另一個降溫階段52b的另一個熱處理步驟的熱處理溫度曲線52在燒製處理階段的降溫階段4b中構成了一個平臺期。
下面將參照附圖藉由實施例闡釋本發明，其中：圖1a)到e)為太陽能電池的製造方法中涉及本發明之步驟的示意圖；圖2為熱處理溫度曲線圖；和圖3為整合了熱處理步驟的燒製步驟期間的溫度曲線圖。
1‧‧‧基體
2‧‧‧功能層
3‧‧‧連續式加熱爐
30‧‧‧入口區域
31‧‧‧第一個溫度區域
32‧‧‧第二個溫度區域
33‧‧‧第三個溫度區域
34‧‧‧出口區域
4‧‧‧燒製步驟的溫度曲線
4a‧‧‧燒製步驟的升溫階段
4b‧‧‧燒製步驟的降溫階段
51‧‧‧熱處理溫度曲線
51a‧‧‧升溫階段
51b‧‧‧降溫階段
52‧‧‧另一個熱處理溫度曲線
52b‧‧‧另一個降溫階段
4‧‧‧燒製步驟的溫度曲線
4a‧‧‧燒製步驟的升溫階段
4b‧‧‧燒製步驟的降溫階段
52‧‧‧另一個熱處理溫度曲線
52b‧‧‧另一個降溫階段
Claims (10)
- 一種太陽能電池製造方法，其具有熱處理步驟，其中使基體(1)暴露於熱處理溫度曲線(51，52)，其中在至少3秒的熱處理時間內該熱處理溫度曲線(51，52)位於熱處理範圍內，該熱處理範圍的範圍下限為大約400℃而範圍上限為大約700℃，其中該基體的一面或者兩面覆蓋有具有表面鈍化性能的鈍化層，且背面鈍化層由至少一層氧化鋁、氮氧化鋁、氮氧化矽及/或氮化矽所製成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中該範圍下限為400℃、420℃、450℃或480℃及/或該範圍上限為550℃、600℃、650℃或700℃。
- 根據申請專利範圍第1或2項所述的太陽能電池製造方法，其中該熱處理步驟具有升溫階段(51a)及/或降溫階段(51b，52b)，其中在熱處理步驟的升溫階段(51a)及/或降溫階段(51b，52b)期間，該基體之熱處理溫度曲線(51，52)具有的最大梯度為每秒100克耳文(K/s)、70K/s、50K/s或30K/s。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中藉由燒製步驟、燒製步驟的燒製步驟升溫階段或者燒製步驟的燒製步驟降溫階段處理，在基體表面上塗覆的金屬化漿料形成了金屬化層。
- 根據申請專利範圍第4項所述的太陽能電池製造方法，在燒製步驟升溫階段的具體實例中，其中該熱處理步驟係整合在燒製步驟的燒製步驟降溫階段內。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中該基體在 熱處理步驟期間中被光照射或者被通電。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中該基體係由單晶半導體或者多晶半導體構成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中正面鈍化層由氮氧化矽或氮化矽所製成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中抗反射塗層是由氮氧化矽或者氮化矽所製成。
- 一種太陽能電池處理方法，其中使太陽能電池暴露於熱處理溫度曲線(51，52)，其中在至少3秒的熱處理時間內該熱處理溫度曲線(51，52)位於熱處理範圍內，該熱處理範圍的範圍下限為大約400℃而範圍上限為大約700℃，其中該基體的一面或者兩面覆蓋有具有表面鈍化性能的鈍化層，且背面鈍化層由至少一層氧化鋁、氮氧化鋁、氮氧化矽及/或氮化矽所製成。
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