一种晶体硅太阳能电池及其制备方法
阅读：15发布：2023-02-13
专利汇可以提供一种晶体硅太阳能电池及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种晶体 硅 太阳能 电池 的制备方法，该包括如下步骤：在 硅片 上形成发射极；在所述发射极上形成 钝化 层；在所述 钝化层 上形成掺 硼 氧 化锌 薄膜 ；在所述硅片背面形成背 电极 和 铝 背场；在所述硅片 正面 形成正电极；对所述硅片进行 烧结 。相应的，本发明还提供一种使用该方法制备的晶体硅 太阳能电池 。本发明提供的制备方法成本低、工艺简单，适合大规模生产；且得到的太阳能电池 质量 好，光电转换效率高。，下面是一种晶体硅太阳能电池及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）在硅片上形成发射极；
b）在所述发射极上形成钝化层；
c）在所述钝化层上形成掺硼氧化锌薄膜；
d）在所述硅片背面形成背电极和铝背场；
e）在所述硅片正面形成正电极；
f）对所述硅片进行烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层为二氧化硅材料。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤a）中，采用离子注入或者扩散法在硅片上形成所述发射极。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，当所述步骤a）中采用离子注入法在所述硅片上形成所述发射极时，所述步骤b）进一步包括：
对注入离子进行激活及再分布；
同时在所述发射极上形成钝化层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用快速热退火处理对注入离子进行激活。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，当所述步骤a）中采用扩散法在所述硅片上形成所述发射极时，在所述步骤a）和所述步骤b）之间进一步包括步骤g）：
除边，分离所述硅片的正反面；
对所述硅片进行二次清洗。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为3nm～
15nm。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述掺硼氧化锌薄膜的厚度为
500nm～2000nm。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述硅片为N型硅片或P型硅片。
10.一种晶体硅太阳能电池，所述晶体硅太阳能电池由下至上依次包括：背电极、铝背场、硅片、发射极、钝化层、掺硼氧化锌薄膜、正电极；其特征在于，所述钝化层采用二氧化硅材料。
一种晶体硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，太阳能电池的应用取得了惊人的进步，光伏组件价格急剧下降，为大规模利用太阳能发电开辟了道路。晶体硅太阳电池具有转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据太阳电池世界总产量的绝大部分。晶体硅太阳能电池的技术水平一直在稳步提升，多种高效太阳能电池技术路线已经开始产业化。传统晶体硅太阳由于性价比高，且已有巨大的投入和产能，依然是晶体硅电池的主力，特别是高效多晶硅电池仍然有顽强的生命力。但电池生产中的制绒高温扩散制结工艺，及缺乏良好的表面钝化机制等限制了电池效率的提升。
[0003] 图1给出了传统晶硅电池的基本结构。在这个结构中，首先要制绒面，针对多晶硅或单晶硅片通常采用酸法或碱法制绒，这道工艺不但复杂难控制，还会消耗大量酸、碱及IPA（异丙醇）等化学品。另外，制完绒后的晶体硅表面非常粗糙，在这样的表面进行高温扩散制备发射极非常具有挑战性，特别是跨硅片和片到片的扩散一致性（结深的一致性）难以很好地控制，这也是传统晶体硅电池开路电压一致无法突破的原因之一。
[0004] 传统晶体硅电池中为了减少空气/硅片界面的反射，需要沉积一层折射系数介于空气与硅之间的透明介质材料，常用的材料是用PECVD方法（管式或板式PECVD）沉积的氮化硅（SiNx），这道工艺所需的设备复杂，镀膜工艺稳定性难以控制。
[0005] 为克服传统扩散制发射极遇到的问题，近年来业界已经开始借鉴传统半导体工艺，采用离子注入的办法制备发射极，注入剂量及结深都可以很好地控制。采用离子注入法获得的电池可以得到高开路电压，及良好的短波长响应。但由于离子注入设备昂贵，在传统工艺中仅仅导入离子注入设备制备电池会加大成本，在光伏形势不好的时期很难得到大规模导入。
[0006] 因此利用离子注入的优势，简化制备工艺，降低生产成本是目前高效电池的研发重点所在。
发明内容
[0007] 本发明提供的晶体硅太阳能电池，在制造过程中无需制绒及沉积SiNx减反膜。本发明针对传统晶体硅电池生产过程中，在表面制绒及高温扩散制发射极时产生的问题，提出了一种全新的晶体硅太阳能电池制备方法，该制备方法利用低压化学气相沉积掺硼氧化锌（LPCVD BZO）形成的光陷结构为晶体硅电池提供所需的光陷功能及减反射功能。本发明提供的太阳能电池结构在制造过程中摒弃了传统的晶体硅制绒和PECVD沉积SiNx工艺，以及相关的材料与设备。
[0008] 本发明提供的太阳能电池结构，硅片无需制绒，节省了相关材料与设备；由于无需制绒，可以在平坦光滑的硅表面进发射极制备，这样结深度的均匀性会有所提高；且该电池结构简单，由于BZO与SiNx的折射率相近，可以替代SiNx做减反射膜，这样省去了PECVD SiNx工艺相关的材料与设备，将显著降低电池制造成本。另外结深均匀性的提高将直接提高电池的开路电压及其均匀性，更重要的是由于开路电压的提高，电池到组件转换损失（cell to module，CTM）将显著降低。
[0009] 根据本发明的一个方面，提供一种晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0010] a）在硅片上形成发射极；
[0011] b）在所述发射极上形成钝化层；
[0012] c）在所述钝化层上形成掺硼氧化锌薄膜；
[0014] e）在所述硅片正面形成正电极；
[0015] f）对所述硅片进行烧结。
[0016] 根据本发明的一个具体实施方式，所述钝化层为二氧化硅材料。
[0017] 根据本发明的另一个方面，提供一种晶体硅太阳能电池，所述晶体硅太阳能电池由下至上依次包括：背电极、铝背场、硅片、发射极、钝化层、掺硼氧化锌薄膜、正电极；其特征在于，所述钝化层采用二氧化硅材料。
[0018] 参考图2，图2为本发明提出的晶体硅太阳能电池的结构示意图。其中，在形成发射极之后，在硅片正面先形成钝化层，之后在钝化层上采用LPCVD方式沉积BZO薄膜作为减反层。由于传统晶体硅电池中SiNx层除了减反射外还具有钝化晶体硅发射极表面，减少载流子的复合的作用。在本发明的电池结构中，由于使用BZO薄膜代替了SiNx薄膜起到了减反射的作用，因此还需要一层可以起到钝化作用、但又透明导电的材料。由于SiO2具有优异的表面钝化效果，因此本发明本发明采用SiO2作为钝化层。
[0019] 为制备图2中的晶体硅太阳能电池，必须用到具有光陷作用的减反射材料。本发明提出了利用LPCVD沉积掺硼氧化锌（BZO）作为电池的光陷层，同时由于BZO的折射系数（refraction index）与SiNx相仿，因此又可作为电池的减反射层，即同一层完成两个作用。这样就可以省略掉晶体硅电池中的制绒及沉积SiNx减反射层的工艺。LPCVD BZO自然粗糙的表面结构可以实现高效电池所需要的光陷功能。
[0020] 图3给出了LPCVD掺硼氧化锌的表面结构，可以看到其表面的金字塔结构，具有优异的光陷作用。图4给出了LPCVD BZO膜的光学特性，特别是在可见光范围内良好的雾度。参考图5（a）和图5（b）可以看出，在硅片上沉积的LPCVD BZO的光陷与减反射作用，黑色为沉积BZO膜后的硅片。
[0022] 通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0023] 图1所示为传统晶体硅太阳能电池的结构示意图；
[0024] 图2所示为根据本发明提供的晶体硅太阳能电池的一个具体实施方式的结构示意图；
[0025] 图3示出了LPCVD BZO表面结构显微图；
[0026] 图4示出了LPCVD BZO的光学特性曲线图；
[0027] 图5（a）示出了沉积BZO薄膜后的硅片表面照片；
[0028] 图5（b）示出了清洗后，制绒前硅片表面照片；
[0029] 图6示出了本发明提供的晶体硅太阳能电池制备方法的一个具体实施方式的流程示意图。
[0030] 附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
[0031] 下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0032] 参考图6，图6是本发明中一种晶体硅太阳能电池的制备方法的流程示意图。
[0033] 实施例一
[0034] 步骤S101，在硅片100上形成发射极200。硅片100根据需要可以选用n型硅片或者p型硅片。以n型硅片为例，可采用硼（B）离子注入的方法形成发射极在硅片100上形成发射极200。如果采用p型硅片，则需要在硅片100表面进行磷（P）离子注入，以形成发射极200。例如可以选择Varian的太阳能用离子注入设备以磷烷为注入源对硅片100进行磷离子注入。
[0035] 由于多晶硅的离子注入技术还不够成熟，因此在此优选以单晶硅为例进行阐释，但是，本发明提供的方法与结构一样适用于多晶硅片。
[0036] 之后执行步骤S102，首先采用快速热退火处理对注入离子进行激活，使注入的掺杂进行再分布。例如，采用磷注入之后，对注入的磷离子激活及调整结深度（热退火），可以在管式炉中加热实现，也可以采用RTA（快速热退火）技术实现。退火的同时在所述发射极200上形成钝化层300。钝化层300可以起到钝化晶体硅发射极200表面的作用，减少载流子的复合。优选的，所述钝化层300为二氧化硅材料。可选的，所述钝化层300的厚度为
3nm～15nm，例如，3nm、9nm或15nm。
3nm～15nm，例如，3nm、9nm或15nm。
[0037] 步骤S103，在所述钝化层300上形成掺硼氧化锌薄膜400。可选的，利用Oerlikon Solar的TCO-1200LPCVD设备，由水（H2O），二乙基锌（DEZ）和硼烷（B2H6）反应沉积掺硼氧化锌膜400。这层膜需要高透过率和光陷作用，因此需要低参杂和必要的厚度来实现需要的绒面结构，具体的厚度还要根据减反射的需要来确定。优选的，所述掺硼氧化锌薄膜400的厚度为500nm～2000nm，例如：500nm、1250nm或2000nm。
[0038] 由于掺硼氧化锌薄膜400本身具有金字塔状的表面结构，因此，在太阳能电池的制备过程中，无需制绒工艺；且由于掺硼氧化锌与氮化硅的折射率相近，可以替代SiNx做减反射膜，这样也省去了单独制备减反膜的步骤，进而会显著降低电池制造成本。
[0039] 步骤S104，在所述硅片100背面形成背电极620和铝背场。在所述硅片100背面形成背电极620和铝背场500。铝背场500可以形成高低结，可以提供电子反射的功能，可进一步降低载流子复合，提高少子寿命，提高电池效率。通过丝网印刷的方法在硅片100的背面印刷一层铝浆，然后烧结即可形成铝背场500。
[0040] 步骤S105，在所述硅片100正面形成正电极610。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用印刷或者电镀的方式制备。
[0041] 步骤S106，对所述硅片100进行烧结，以形成可实际应用的晶体硅太阳能电池。
[0042] 实施例二
[0043] 步骤S101，在硅片100上形成发射极200。可选的，采用扩散法在硅片100上形成所述发射极200。硅片100根据需要可以选用n型硅片或者p型硅片。以p型硅片为例，在所述硅片100的正面形成发射极200，可采用含磷元素的磷源在硅片100正面进行磷的热扩散，形成发射极200。还可以先在硅片100的正面喷涂含磷的掺杂源，然后通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing）处理，完成硅片的正面磷扩散，即形成发射极200。
[0044] 执行完步骤S101后，要对硅片100进行除边处理；由于是硅片100的整体注入，因此还要分离出硅片100的正反面。之后，要对硅片100进行二次清洗，以去除硅片100正面的磷硅玻璃。
[0045] 如采用n型硅片，则需进行硼扩散，之后要对硅片100表面形成的硼硅玻璃进行清洗。
[0046] 值得注意的是，由于多晶硅的离子注入技术还不够成熟，因此在此优选以单晶硅为例进行阐释，但是，本发明提供的方法与结构一样适用于多晶硅片。
[0047] 继续执行步骤S102，在所述发射极200上形成钝化层300。所述钝化层300为二氧化硅材料。钝化层300可以起到钝化晶体硅发射极200表面的作用，减少载流子的复合。优选的，所述钝化层300为二氧化硅材料。可选的，所述钝化层300的厚度为3nm～15nm，例如，3nm、9nm或15nm。
[0048] 步骤S103，在所述钝化层300上形成掺硼氧化锌薄膜400。可选的，利用Oerlikon Solar的TCO-1200LPCVD设备，由水（H2O），二乙基锌（DEZ）和硼烷（B2H6）反应沉积掺硼氧化锌膜400。这层膜需要高透过率和光陷作用，因此需要低参杂和必要的厚度来实现需要的绒面结构，具体的厚度还要根据减反射的需要来确定。优选的，所述掺硼氧化锌薄膜400的厚度为500nm～2000nm，例如：500nm、1250nm或2000nm。
[0049] 由于掺硼氧化锌薄膜400本身具有金字塔状的表面结构，因此，在太阳能电池的制备过程中，无需制绒工艺；且由于掺硼氧化锌与氮化硅的折射率相近，可以替代SiNx做减反射膜，这样也省去了单独制备减反膜的步骤，进而会显著降低电池制造成本。
[0050] 步骤S104，在所述硅片100背面形成背电极620和铝背场。在所述硅片100背面形成背电极620和铝背场500。铝背场500具有钝化和反型的功能，可进一步降低载流子复合，提高少子寿命，提高电池效率。通过丝网印刷的方法在硅片100的背面印刷一层铝浆，然后烧结即可形成铝背场500。
[0051] 步骤S105，在所述硅片100正面形成正电极610。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用印刷或者电镀的方式制备。
[0052] 步骤S106，对所述硅片100进行烧结，以形成可实际应用的晶体硅太阳能电池。
[0053] 实施例三
[0054] 参考图2，图2为本发明提供的一种晶体硅太阳能电池，所述晶体硅太阳能电池由下至上依次包括：背电极620、铝背场500、硅片100、发射极200、钝化层300、掺硼氧化锌薄膜400、正电极610。
[0055] 硅片100可以采用单晶硅或者多晶硅，优选采用单晶硅。n型硅片或者p型硅片作为衬底都可以。根据硅片100种类的不同，发射极200也不相同。当衬底为n型硅片或者p型硅片时，采用硼或者磷进行扩散或者离子注入等方法来形成相应的发射极200。
[0056] 所述钝化层300置于发射极200之上，优选为为二氧化硅材料。钝化层300可以起到钝化晶体硅发射极200表面的作用，减少载流子的复合。优选的，所述钝化层300为二氧化硅材料。可选的，所述钝化层300的厚度为3nm～15nm，例如，3nm、9nm或15nm。
[0057] 掺硼氧化锌薄膜400置于钝化层300之上。这层膜需要高透过率和光陷作用，因此需要低参杂和必要的厚度来实现需要的绒面结构，具体的厚度还要根据减反射的需要来确定。优选的，所述掺硼氧化锌薄膜400的厚度为500nm～2000nm，例如：500nm、1250nm或2000nm。
[0058] 由于掺硼氧化锌薄膜400本身具有金字塔状的表面结构，因此，在太阳能电池的制备过程中，无需制绒工艺；且由于掺硼氧化锌与氮化硅的折射率相近，可以替代SiNx做减反射膜，这样也省去了单独制备减反膜的步骤，进而会显著降低电池制造成本。
[0059] 在硅片100的背面有铝背场500，通常情况下，铝背场500采用铝浆印刷之后烧结形成。在铝背场500上有背电极620。
[0060] 正电极610位于硅片100的正面。
[0062] 本发明针对上述传统晶硅电池制造过程中的问题，提出了一种全新的晶体硅太阳能电池结构。电池结构简单，工艺步骤简化，并有利于降低组件欧姆损失，提高电池的光电转换效率。
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