一種雙面P型晶體矽電池結構及其製備方法與流程
2023-09-18 05:07:45
本發明涉及太陽能電池生產技術領域，特別是一種雙面P型晶體矽電池結構及其製備方法。
背景技術：
目前晶體矽電池是太陽能電池市場的主流產品，而傳統的晶矽太陽能電池都是基於P型基底的電池，利用P型晶體矽材料，在基體正面磷擴散形成pn結，並沉積減反射膜，背面印刷鋁漿形成背場，只有正面受光的「單面」太陽能電池。太陽能電池表面接收的太陽光除了直接由太陽輻射來的分量之外，還包括由空氣、塵埃、天空懸浮物等散射引起的相當可觀的間接輻射或散射輻射分量，這個分量可達直射的輻射總量的10～30％，在陽光不足的天氣，這個比例還要增加。如果光線能從電池背面進入電池體內被吸收轉化為電能，則太陽能的利用率即光電轉化率將顯著提高。為了充分提高太陽電池的輸出功率和矽材料的利用率，雙面受光型晶體矽太陽電池已經成為研究的熱點。為了實現P型雙面電池背面的透光性和一定的正面、背面轉換效率，通常採用在背面硼擴散代替傳統P型電池背面印刷鋁漿的工藝形成透光的背面，同時硼在P型矽中擴散形成背場也可以降低背表面的複合速率，然後在硼擴散面上沉積SiNx減反射膜，再印刷背面電極的來製備雙面電池，這種結構和製備流程在專利CN201699033U中有所公開，但由於SiNx對硼擴散層的表面鈍化效果較差，因而這種結構一般轉換效率較低。為了獲得更高的正面和背面轉換效率，需要對硼擴散面進行鈍化處理，減少電池背面電子複合，提高電池的開路電壓和短路電流，從而提高電池效率。研究表明，用SiO2（或Al2O3）和SiNx雙層膜作為電池背面的鈍化層，用SiNx薄膜作為電池正面的鈍化層，能夠使得硼擴散面和磷擴散面分別得到最佳的鈍化效果。公開號為CN103026494A的發明專利公開了基於絲網印刷工藝的製作高效雙面P型晶體矽太陽能電池的方法，其中電池製備流程為：①去除矽片損傷層，制絨；②硼擴散，去除正面及邊緣硼擴散層，生長背面擴散阻擋層；③磷擴散，去除阻擋層，生長背面氧化矽或氧化鋁鈍化層；④雙面沉積氮化矽減反層；⑤印刷正背電極燒結。上述製備方法中一方面為了減少後續磷擴散對硼擴散面的影響，採用生長背面擴散阻擋層的方法來實現擴散掩蔽（見步驟②），另外為了對硼擴散面進行鈍化及背面減反射處理，在磷擴散後整體去除背面的擴散阻擋層，然後生長背面氧化矽或者氧化鋁來對硼擴散面鈍化（見步驟③），再沉積氮化矽減反層（見步驟④）。而在非專利文獻BifacialSolarCellswithBoronBackSurfaceField（25thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConferenceandExhibition/5thWorldConferenceonPhotovoltaicEnergyConversion,6-10September2010,Valencia,Spain）中也有類似的報導，在磷擴散完畢後除去擴散阻擋層，後再用熱生長的方式生長一層SiO2層及用PECVD的方式生長SiNx層來實現鈍化和減反射。上述兩種報導中均需要先製備擴散阻擋層，磷擴散後再去除阻擋層，製備硼擴散面的鈍化層，然後再製備氮化矽減反射層，工藝比較複雜，不利於提高生產效率和降低生產成本，不利於雙面電池的推廣應用。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種雙面P型晶體矽電池結構及其製備方法，本方法形成的含SiO2的硼矽玻璃層，可降低矽與硼矽玻璃層界面處的B原子的濃度，從而降低界面態的密度，降低了界面複合速率，實現了對硼擴散層的鈍化作用；在含SiO2的硼矽玻璃層與其上面的氮化矽層形成的BSG(SiO2-rich)/SiNx疊層結構，可實現鈍化、擴散掩蔽、抗反射等多重功能，可以提高電池的開路電壓、短路電流和光電轉換效率；在背面採用BSG(SiO2-rich)/SiNx疊層結構，作為電池的背面鈍化層、擴散掩蔽層和背面抗反射層，可以大大簡化工藝，提高了生產效率，降低生產工藝成本，具有積極的現實意義。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種雙面P型晶體矽電池結構，包括前表面Ag電極、前表面減反射膜、磷擴散n+層、P型基底、硼擴散p+層、背面鈍化減反覆合膜、背面Ag/Al電極，其特徵在於：所述背面鈍化減反覆合膜包括一層含有SiO2的硼矽玻璃層和一層氮化矽層，含有SiO2的硼矽玻璃層直接在雙面晶體矽電池硼擴散層之上，氮化矽層則沉積在所述含有SiO2的硼矽玻璃層上。所述含有SiO2的硼矽玻璃層的厚度在30-100納米之間。所述氮化矽層的厚度在10-50納米之間。上述雙面P型晶體矽電池結構的製備方法，其特徵在於包括如下步驟：（1）將原始矽片進行清洗，去除表面的損傷層，制絨；（2）將步驟（1）處理後的矽片的正面面貼面地進行單面硼擴散，矽片背面為硼擴散面；其中，擴散時採用三溴化硼液態源擴散，擴散溫度為900～960度，時間為30～60min；（3）在硼擴散結束降溫至780～830度時，通入氧氣進行氧化，通入氧氣的流量為0.1－10slm，氧化時間為3－40min；（4）在步驟（3）氧化後的硼矽玻璃層上用等離子增強化學氣相沉積的方法沉積一層氮化矽薄膜；其中，沉積溫度為400～450度，厚度為10-50納米；更優可以選擇氧化過程中通入氧氣的流量為0.1－3slm，氧化時間為3－20min；（5）將矽片的正面進行單面化學刻蝕，去除損傷層，去除由硼擴散導致的在正面的繞射擴散層；（6）將矽片的背面背靠背進行單面磷擴散，矽片正面為擴散面；（7）去除磷擴散形成的周邊結、雜質玻璃層（PSG）；（8）在矽片的正面沉積減反膜；（9）在矽片的兩面分別印刷金屬電極，燒結，即可得到P型雙面受光晶矽太陽能電池。步驟（5）中的化學刻蝕採用的系統為輥式運送化學刻蝕系統，化學刻蝕所用的化學溶液為硝酸、氫氟酸、硫酸和水的混合溶液。本發明的有益效果如下：本發明方法對硼擴散後在擴散層表面形成硼矽玻璃（BSG）層進行適度氧化，形成含SiO2的硼矽玻璃層，可降低矽與硼矽玻璃層界面處的B原子的濃度，從而降低界面態的密度，降低了界面複合速率，實現了對硼擴散層的鈍化作用；然後在氧化處理後的硼矽玻璃層上沉積氮化矽層，含SiO2的硼矽玻璃層與其上面的氮化矽層形成BSG(SiO2-rich)/SiNx疊層結構，可作為後續磷擴散有效的阻擋層及最終電池背面的抗反射層，實現鈍化、擴散掩蔽、抗反射等多重功能，可以提高電池的開路電壓，短路電流和光電轉換效率；在電池製程中背面採用BSG(SiO2-rich)/SiNx疊層結構，作為電池的背面鈍化層、擴散掩蔽層和背面抗反射層，在背面電極印刷及燒結之前無需經歷背面硼矽玻璃去除－>沉積擴散阻擋層－>去除擴散阻擋層－>製備硼擴散鈍化層－>製備氮化矽減反射層的步驟，因此簡化了工藝，提高了生產效率，降低生產工藝成本，具有積極的現實意義。附圖說明圖1是本發明方法製備的P型雙面晶矽電池結構示意圖其中，附圖標記為：1是正面銀電極；2是正面減反射膜；3是磷擴散層發射極（n+層）；4是基體材料（P型矽）；5是硼擴散層（p+區，背場區）；6是氧化後含SiO2的硼矽玻璃層（SiO2-richBSG）；7是背面SiNx層；8是背面金屬電極。具體實施方式下面的實施例子，對本發明作進一步的描述，但不能以此例限制本發明的保護範。實施例1採用本發明方法製作一種雙面P型晶體矽電池結構，具體步驟如下：（1）選用直拉單晶P型片，電阻率為1～5歐姆.釐米，單晶矽片兩面經過清洗及正金字塔織構化處理，以減少最終電池的反射；（2）將上述矽片的正面面貼面放入擴散爐進行硼擴散，採用三溴化硼液態源硼擴散，擴散過程分為沉積與推進步驟，沉積和推進時恆溫區控制在900－960度，擴散時間為30-60min，採用正面面貼面的放置方式是為了儘可能減少矽片正面被硼擴散的程度，硼擴散方阻控制在70～120歐姆/方塊；（3）擴散完畢後降溫至780～830攝氏度時，保持溫度恆定，通入適量的氧氣對上述硼擴散片進行一定時間的氧化，在硼擴散層上形成富含SiO2的硼矽玻璃層，厚度為30－100納米，其中氧氣流量為0.1－10slm，優選0.3－2slm，氧化時間為3－40min，優選3－20min。（4）在上述擴散後的矽片背面利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法沉積SiNx層，PECVD方法沉積氮化矽層是本領域的公知工藝，在此不再贅述。SiNx薄膜的厚度為10～50納米，優選15～40納米。（5）把上述矽片置於單面化學蝕刻裝置中，該化學刻蝕設備傳送矽片的系統為為輥式運送系統，可以水平傳送移動矽片，使矽片正面接觸刻蝕溶液，去除矽片正面及側邊的擴散繞射層，刻蝕所用的化學溶液為硝酸、氫氟酸、硫酸和水的混合溶液。（6）將矽片的背面面貼面放入擴散爐中進行單面磷擴散，矽片正面為擴散面；上述富含SiO2的硼矽玻璃層和SiNx組成的複合膜可以防止磷擴散對硼擴散面（背面）產生繞射，磷擴散面的方塊電阻為50～85歐姆/方塊；（7）利用等離子體刻蝕或雷射劃刻的方法去除磷擴散形成的周邊結，利用單面化學刻蝕系統去除磷擴散在正面形成的磷矽雜質玻璃層；（8）把上述樣品置於PECVD設備中，正面沉積SiNx抗反射膜，厚度為65～90納米；（9）絲網印刷製作正面、背面電極，燒結，形成良好接觸。其中正面用Ag漿，背面經過兩次印刷，第一次印刷的漿料為Ag/Al漿，第二次印刷漿料為Ag漿，覆蓋在第一次印刷的柵線上面，用來進一步降低串聯電阻。（10）電池性能測試。通過上述方法得到的電池正面均指磷擴散形成的n型面，電池背面均指硼擴散形成的p型面。實施例2採用本發明方法製作一種雙面P型晶體矽電池結構，具體步驟如下：（1）選用直拉單晶P型片，電阻率為1～3歐姆.釐米，單晶矽片兩面經過清洗及正金字塔織構化處理，以減少最終電池的反射；（2）將上述矽片的正面面貼面放入擴散爐進行硼擴散，採用三溴化硼液態源硼擴散，擴散過程分為沉積與推進步驟，沉積和推進時恆溫區控制在900－960度，擴散時間30－60min，採用正面面貼面的放置方式是為了儘可能減少矽片正面被硼擴散的程度，硼擴散方阻控制在70～90歐姆/方塊；（3）擴散完畢後降溫至780～810攝氏度時，保持溫度恆定，通入適量的氧氣對上述硼擴散片進行一定時間的氧化，在硼擴散層上形成富含SiO2的硼矽玻璃層，厚度為30－70納米，其中氧氣流量為0.1－3slm，氧化時間為3－15min。（4）在上述擴散後的矽片背面利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法沉積SiNx層，PECVD方法沉積氮化矽層是本領域的公知工藝，在此不再贅述。SiNx薄膜的厚度為15～30納米；（5）把上述矽片置於單面化學蝕刻裝置中，該化學刻蝕設備傳送矽片的系統為為輥式運送系統，可以水平傳送移動矽片，使矽片正面接觸刻蝕溶液，去除矽片正面及側邊的擴散繞射層，刻蝕所用的化學溶液為硝酸、氫氟酸、硫酸和水的混合溶液。（6）將矽片的背面面貼面放入擴散爐中進行單面磷擴散，矽片正面為擴散面；上述富含SiO2的硼矽玻璃層和SiNx組成的複合膜可以防止磷擴散對硼擴散面（背面）產生繞射，磷擴散面的方塊電阻為50～85歐姆/方塊；（7）利用等離子體刻蝕或雷射劃刻的方法去除磷擴散形成的周邊結，利用單面化學刻蝕系統去除磷擴散在正面形成的磷矽雜質玻璃層；（8）把上述樣品置於PECVD設備中，正面沉積SiNx抗反射膜，厚度為65～80納米；（9）絲網印刷製作正面、背面電極，燒結，形成良好接觸。其中正面用Ag漿，背面經過兩次印刷，第一次印刷的漿料為Ag/Al漿，第二次印刷漿料為Ag漿，覆蓋在第一次印刷的柵線上面，用來進一步降低串聯電阻。（10）電池性能測試。採用無硼矽玻璃氧化方法得到電池結構的對比例1：（1）選用直拉單晶P型片，電阻率為1～5歐姆.釐米，單晶矽片兩面經過清洗及正金字塔織構化處理，以減少最終電池的反射；（2）將上述矽片的正面面貼面放入擴散爐進行硼擴散，採用三溴化硼液態源硼擴散，擴散過程分為沉積與推進步驟，沉積和推進時恆溫區控制在900－960度，採用正面面貼面的放置方式是為了儘可能減少矽片正面被硼擴散的程度，硼擴散方阻控制在70～120歐姆/方塊；（3）在上述擴散後的矽片背面利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法沉積SiNx層，PECVD方法沉積氮化矽層是本領域的公知工藝，在此不在贅述。SiNx薄膜的厚度為10～50納米，優選15～40納米。（4）把上述矽片置於單面化學蝕刻裝置中，該化學刻蝕設備傳送矽片的系統為為輥式運送系統，可以水平傳送移動矽片，使矽片正面接觸刻蝕溶液，去除矽片正面及側邊的擴散繞射層，刻蝕所用的化學溶液為硝酸、氫氟酸、硫酸和水的混合溶液。（5）將矽片的背面面貼面放入擴散爐中進行單面磷擴散，矽片正面為擴散面；上述富含SiO2的硼矽玻璃層和SiNx組成的複合膜可以防止磷擴散對硼擴散面（背面）產生繞射，磷擴散面的方塊電阻為50～85歐姆/方塊；（6）利用等離子體刻蝕或雷射劃刻的方法去除磷擴散形成的周邊結，利用單面化學刻蝕系統去除磷擴散在正面形成的磷矽雜質玻璃層；（7）把上述樣品置於PECVD設備中，正面沉積SiNx抗反射膜，厚度為65～90納米；（8）絲網印刷製作正面、背面電極，燒結，形成良好接觸。其中正面用Ag漿，背面經過兩次印刷，第一次印刷的漿料為Ag/Al漿，第二次印刷漿料為Ag漿，覆蓋在第一次印刷的柵線上面，用來進一步降低串聯電阻。（9）電池性能測試。通過對上述實施例1和對比例1製得的兩批太陽能電池的電性能進行測試，結果見下表所示：其中，Uoc代表開路電壓，Jsc代表短路電流密度，FF代表填充因子，Eff代表光電轉換效率。由上述可見，採用本發明製得的太陽電池，其開路電壓和短路電流密度均有較大幅度的提高，在擴散步驟尾端對硼矽玻璃層進行適度氧化就能實現對硼擴散層的鈍化，工藝相對簡單，具有積極的現實意義。