一種全背接觸光伏電池的金屬化方法及電池、組件和系統與流程

2023-07-12 08:41:47 2

本發明涉及太陽能電池技術領域，具體涉及一種全背接觸光伏電池的金屬化方法及電池、組件和系統。

背景技術：

太陽能電池是一種將光能轉化為電能的半導體器件，較低的生產成本和較高的能量轉化效率一直是太陽能電池工業追求的目標。對於目前常規太陽能電池，其p+摻雜區域接觸電極和n+摻雜區域接觸電極分別位於電池片的正反兩面。電池的正面為受光面，正面金屬接觸電極的覆蓋必將導致一部分入射的太陽光被金屬電極所遮擋反射，造成一部分光學損失。普通晶矽太陽能電池的正面金屬電極的覆蓋面積在7％左右，減少金屬電極的正面覆蓋可以直接提高電池的能量轉化效率。

背接觸電池，是一種將p+摻雜區域和n+摻雜區域均放置在電池背面(非受光面)的電池，該電池的受光面無任何金屬電極遮擋，從而有效增加了電池片的短路電流，使電池片的能量轉化效率得到提高。其背表面的金屬化一般採用絲網印刷法印刷線條狀的摻鋁銀漿和銀漿，這些漿料經高溫燒結後燒穿背表面鈍化膜與p+和n+摻雜區域形成歐姆接觸。這種金屬化方法存在如下不足：金屬漿料和矽表面接觸區域為線條狀，在接觸區域有嚴重的複合，接觸面積越大，複合越大；在高溫燒結過程中金屬漿料會對矽表面形成一定程度的破壞。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種全背接觸光伏電池的金屬化方法及電池、組件和系統。本發明採用低溫工藝形成點狀接觸的鋁電極，克服了現有全背接觸光伏電池的金屬化方法的不足。

本發明提供的一種全背接觸光伏電池的金屬化方法，其技術方案是：

一種全背接觸光伏電池的金屬化方法，包括以下步驟：

(1)分別對N型晶體矽基體的前表面和背表面進行摻雜處理，在N型晶體矽基體的前表面形成n+摻雜前表面場，在N型晶體矽基體的背表面形成相互交替排列的背表面n+摻雜區域和背表面p+摻雜區域；並在N型晶體矽基體的前表面形成前表面鈍化減反膜，在N型晶體矽基體的背表面形成背表面鈍化膜；

(2)、在背表面n+摻雜區域和背表面p+摻雜區域上方開設貫穿背表面鈍化膜的n+孔狀陣列和p+孔狀陣列；

(3)、在步驟(2)處理後的N型晶體矽基體的背表面沉積鋁層；

(4)、在孔狀陣列上印刷耐酸掩膜，將N型晶體矽基體放入酸性刻蝕液中，去除未被耐酸掩膜覆蓋區域的鋁層，形成相互電絕緣的p+鋁電極和n+鋁電極；

(5)、將步驟(4)處理後的N型晶體矽基體放入鹼性溶液中，去除耐酸掩膜，得到全背接觸光伏電池。

其中，步驟(1)中，對N型晶體矽基體的背表面進行摻雜處理的方法是：首先在N型晶體矽基體的背表面注入劑量為0.5×1015cm-2～3×1015cm-2的硼離子，然後在N型晶體矽基體的背表面選擇性的注入磷離子，磷離子的注入劑量為3×1015cm-2～8×1015cm-2。

其中，注入磷離子時，在N型晶體矽基體的背表面和離子束之間設置掩膜，掩膜上設置線條狀開口，線條狀開口寬50～400μm。

其中，步驟(1)中，對N型晶體矽基體的前表面進行摻雜處理的方法是：在N型晶體矽基體的前表面注入劑量為1×1015cm-2～4×1015cm-2的磷離子。

其中，步驟(1)中，將摻雜完成後的N型晶體矽基體進行退火處理，退火的峰值溫度為800～1100℃，退火時間為30～200min，環境氣源為N2和O2。

其中，在製備前表面鈍化減反膜和背表面鈍化膜之前將N型晶體矽基體放入清洗機中進行清洗、烘乾處理；

前表面鈍化減反膜的製備方法是：在N型晶體矽基體的前表面利用PECVD設備先沉積一層厚度為5～30nm的SiOx介質膜，然後在SiOx介質膜上再沉積一層厚度為40～80nm的SiNx介質膜；

背表面鈍化膜的製備方法是：在N型晶體矽基體的背表面用PECVD設備或ALD設備沉積一層厚度為4～20nm的AlOx介質膜，然後在AlOx介質膜的表面再沉積一層厚度為20～50nm的SiNx介質膜。

其中，步驟(2)為使用雷射器在N型晶體矽基體的背表面開設貫穿鈍化膜的p+孔狀陣列和n+孔狀陣列。

其中，步驟(3)中，沉積鋁層的方法為物理氣相沉積法，鋁層的厚度為2～5μm。

其中，步驟(4)中，耐酸掩膜是石蠟或者耐酸樹脂，耐酸掩膜的寬度大於或者等於p+孔狀陣列中的孔直徑和n+孔狀陣列中的孔直徑；

酸性刻蝕液為鹽酸溶液；

步驟(5)中，鹼性溶液為氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液、四甲基氫氧化銨溶液或乙二胺溶液。

其中，開始步驟(1)之前，對N型晶體矽基體的前表面作制絨處理；N型晶體矽基體的電阻率為0.5～15Ω·cm；N型晶體矽基體的厚度為50～300μm。

本發明化提供了一種全背接觸光伏電池，包括N型晶體矽基體，N型晶體矽基體的前表面從內到外依次為n+摻雜前表面場和前表面鈍化減反膜，N型晶體矽基體的背表面從內到外依次為交替排列的背表面p+摻雜區域和背表面n+摻雜區域、背表面鈍化膜和背表面電極，背表面電極包括p+電極和n+電極；所述背表面鈍化膜上設置有p+孔狀陣列和n+孔狀陣列，所述p+電極穿過p+孔狀陣列與背表面p+摻雜區域歐姆接觸，所述n+電極穿過n+孔狀陣列與背表面n+摻雜區域歐姆接觸。

其中，p+電極是p+鋁電極，n+電極是n+鋁電極；p+孔狀陣列的孔直徑為140～300μm，n+孔狀陣列的孔直徑為60～100μm；背表面n+摻雜區域的寬度為50～400μm。

其中，覆蓋在背表面鈍化膜上的p+電極的厚度為2～5μm；覆蓋在背表面鈍化膜上的p+電極的寬度大於或者等於p+孔狀陣列中的孔直徑；

覆蓋在背表面鈍化膜上的n+電極的厚度為2～5μm；覆蓋在背表面鈍化膜上的n+電極的寬度大於或者等於n+孔狀陣列中的孔直徑。

其中，n+摻雜前表面場為輕摻雜，方阻為50～200Ω/sqr，結深為0.2～2.0μm；背表面n+摻雜區域的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm；背表面p+摻雜區域的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm。

本發明化提供了一種太陽能電池組件，包括由上至下依次設置的前層材料、封裝材料、太陽能電池、封裝材料、背層材料，所述太陽能電池是上述的一種全背接觸光伏電池。

本發明化提供了一種太陽能電池系統，包括一個以上的太陽能電池組件，其特徵在於：所述太陽能電池組件是上述的太陽能電池組件。

本發明的技術優點主要體現在：

在金屬化過程中，用點狀接觸取代線條狀接觸，減少了金屬電極與摻雜矽界面處的高複合；使用低溫工藝形成鋁電極，不會給摻雜矽表面帶來破壞；鋁與摻雜矽之間有優異的金屬半導體接觸；由此所制電池具有更高的開路電壓、填充因子和轉換效率。

附圖說明

圖1為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟一後的電池結構截面示意圖。

圖2為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟二後的電池結構截面示意圖。

圖3為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟三後的電池結構截面示意圖。

圖4為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟四後的電池結構截面示意圖。

圖5為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟五後的電池結構截面示意圖。

圖6為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟六後的電池結構截面示意圖。

圖7為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟七後的電池結構截面示意圖。

圖8為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟八後的電池結構截面示意圖。

圖9為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟九後的電池結構截面示意圖。

圖10為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟十後的電池結構截面示意圖。

圖11為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟十一後的電池結構截面示意圖。

圖12為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟七中開孔圖案示意圖。

圖13為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟十一後的背表面俯視圖。

圖14為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟三中使用的離子注入掩膜結構示意圖。

圖15為本發明實施例的全背接觸光伏電池的製備方法步驟九後的電池背表面局部示意圖。

具體實施方式

下面將結合實施例以及附圖對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。

本發明涉及的孔狀陣列的孔直徑，孔狀圖案如果是圓點，則孔直徑為圓的直徑，如果孔狀圖案為非圓形的孔狀(如方形、橢圓形或者其它無規則的形狀圖案)，則孔直徑為圖案內連線的最長邊的長度。

參見圖1至圖15所示，本實施例提供的一種全背接觸光伏電池的製備方法，包括以下步驟：

(1)、選擇156mm×156mm的N型晶體矽基體10，並對N型晶體矽基體10的前表面作制絨處理；N型晶體矽基體10的電阻率為0.5～15Ω·cm，優選1～5Ω·cm；N型晶體矽基體10的厚度為50～300μm，優選80～200μm；完成本步驟後的電池結構如圖1所示。

(2)、使用離子注入機在步驟(1)處理後的N型晶體矽基體10背表面進行離子注入，注入元素為硼，注入劑量為0.5×1015cm-2～3×1015cm-2，優選1.5×1015cm-2～2.5×1015cm-2。完成本步驟後的電池結構如圖2所示。

(3)、使用離子注入機在步驟(2)處理後的N型晶體矽基體10背表面進行選擇性地離子注入，注入元素為磷，注入劑量為3×1015cm-2～8×1015cm-2，優選4×1015cm-2～6×1015cm-2。離子注入時，在N型晶體矽基體10背表面和離子束之間設置掩膜50。掩膜50的材質為石墨，如圖14所示，掩膜50上設置線條狀開口51，線條狀開口51寬50～400μm，優選100～300μm。掩膜50上的開口區域對應的N型晶體矽基體10背表面注入有硼和磷，其他區域則僅為硼注入。控制磷注入的劑量大於硼注入的劑量。完成本步驟後的電池結構如圖3所示。

(4)、使用離子注入機在步驟(3)處理後的N型晶體矽基體10前表面進行離子注入，注入元素為磷，注入劑量為1×1015cm-2～4×1015cm-2，優選1×1015cm-2～3×1015cm-2。完成本步驟後的電池結構如圖4所示。

(5)、將步驟(4)處理後的N型晶體矽基體10放入退火爐中進行高溫退火處理，退火的峰值溫度為800～1100℃，優選為850～1000℃，退火時間為30～200min，優選為60～200min，環境氣源優選為N2和O2。退火完成後即形成n+摻雜前表面場13、背表面n+摻雜區域12和背表面p+摻雜區域11。其中掩膜50上的開口對應的N型晶體矽基體10背表面區域為背表面n+摻雜區域12，這是因為該區域注入的磷的劑量大於硼的劑量，同時硼在矽中的固溶度要低於磷，所以退火後該區域為n+摻雜。背表面其他區域為背表面p+摻雜區域11。其中n+摻雜前表面場13為輕摻雜，其方阻為50～200Ω/sqr，結深為0.2～2.0μm。背表面n+摻雜區域12的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm。背表面p+摻雜區域11的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm。完成本步驟後的電池結構如圖5所示。

(6)、將步驟(5)處理後的N型晶體矽基體10放入清洗機中，清洗矽片表面並進行烘乾。然後在N型晶體矽基體10的前表面用PECVD(等離子增強化學氣相沉積)的方式先沉積一層厚度為5～30nm的SiOx介質膜20，然後在SiOx介質膜20上再沉積一層SiNx介質膜22，膜的厚度為40～80nm；在N型晶體矽基體10的背表面用PECVD或ALD(原子層沉積)的方式製作一層AlOx介質膜21，膜的厚度為4～20nm，然後在AlOx介質膜21的表面再沉積一層SiNx膜23，SiNx膜23的厚度為20～50nm。矽基體前表面的SiOx介質膜20與SiNx介質膜22的作用為矽基體前表面的鈍化和光的減反射；矽基體背表面的AlOx介質膜21與SiNx介質膜23的作用為矽基體背表面的鈍化，同時SiNx介質膜23也起到了對AlOx介質膜21的保護作用。完成本步驟後的電池結構如圖6所示。

(7)、使用雷射器在背表面鈍化膜上開孔，確保其完全打開背表面AlOx介質膜21和SiNx介質膜23而不破壞背表面n+摻雜區域和p+摻雜區域，開孔的圖案可以根據實際生產情況設定，例如可以是圓孔或者方孔，本步驟僅作出優選的示例性說明。本實施例中，開孔圖案如圖12所示，其中p+摻雜區域開孔圖案31為p+孔狀陣列，孔直徑為140～300μm，n+摻雜區域的開孔圖案32為n+孔狀陣列，孔直徑為60～100μm。完成本步驟後的電池結構如圖7所示。

(8)、在步驟(7)處理後的N型晶體矽基體10的背表面採用PVD(物理氣相沉積)法沉積鋁層40，鋁層40的厚度為2～5μm，本實施例中，鋁層40的厚度指的是覆蓋在鈍化膜上的鋁層厚度，不包括鈍化膜的厚度。完成本步驟後的電池結構如圖8所示。

(9)、在步驟(8)處理後的N型晶體矽基體10的背表面印刷耐酸掩膜60，耐酸掩膜60的成分為石蠟，還可以為耐酸樹脂。印刷耐酸掩膜60的目的是為了保護將來要形成p+電極和n+電極的區域，而露出p+電極和n+電極之間的區域，這樣可以在後續的刻蝕步驟中實現p+和n+電極之間的絕緣。為了方便說明，圖15給出了完成本步驟後的電池背表面局部示意圖，在背表面p+摻雜區域11和背表面n+摻雜區域12交界處一定寬度範圍內為開孔區域，其餘區域則被耐酸掩膜60覆蓋。完成本步驟後的電池結構如圖9所示。

(10)、將步驟(9)處理後的N型晶體矽基體10放入酸性刻蝕液中，去除未被耐酸掩膜60覆蓋區域下方的鋁層40，酸性刻蝕液為鹽酸。刻蝕完成後，鋁層40被分割為p+鋁電極401和n+鋁電極402，p+鋁電極401與n+鋁電極402之間電絕緣。完成本步驟後的電池結構如圖10所示。

(11)、將步驟(10)處理後的N型晶體矽基體10放入鹼性溶液中，去除耐酸掩膜60，鹼性溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉、四甲基氫氧化銨或乙二胺。完成本步驟後的背表面俯視圖如圖13所示，電池結構如圖11所示。至此即完成本發明全背接觸光伏電池的製作。

本實施例提供的一種全背接觸光伏電池的製備方法，在金屬化過程中，用點狀接觸取代線條狀接觸，減少了金屬電極與摻雜矽界面處的高複合；使用低溫工藝形成鋁電極，不會給摻雜矽表面帶來破壞；鋁與摻雜矽之間有優異的金屬半導體接觸；由此所制電池具有更高的開路電壓、填充因子和轉換效率。

如圖11所示，本實施例還提供了一種全背接觸光伏電池，包括N型晶體矽基體10，N型晶體矽基體10的前表面從內到外依次為n+摻雜前表面場13和前表面鈍化減反膜，N型晶體矽基體10的背表面從內到外依次為交替排列的背表面p+摻雜區域11和背表面n+摻雜區域12、背表面鈍化膜和背表面電極，背表面電極包括p+電極和n+電極；所述背表面鈍化膜上設置有p+孔狀陣列和n+孔狀陣列，所述p+電極穿過p+孔狀陣列與背表面p+摻雜區域歐姆接觸，所述n+電極穿過n+孔狀陣列與背表面n+摻雜區域歐姆接觸。p+電極是p+鋁電極401，n+電極是n+鋁電極402。

優選地，如圖11所示，覆蓋在背表面鈍化膜上的p+電極的厚度為2～5μm；覆蓋在背表面鈍化膜上的p+電極的寬度大於或者等於p+孔狀陣列中的孔直徑。覆蓋在背表面鈍化膜上的n+電極的厚度為2～5μm；覆蓋在背表面鈍化膜上的n+電極的寬度大於或者等於n+孔狀陣列中的孔直徑。p+孔狀陣列的孔直徑為140～300μm，n+孔狀陣列的孔直徑為60～100μm。

n+摻雜前表面場13為輕摻雜，方阻為50～200Ω/sqr，結深為0.2～2.0μm。背表面n+摻雜區域12的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm；背表面p+摻雜區域11的方阻為20～150Ω/sqr，結深為0.3～2.0μm。背表面n+摻雜區域12的寬度為50～400μm。前表面鈍化減反膜是厚度為5～30nm的SiOx介質膜20和厚度為40～80nm的SiNx介質膜22；背表面鈍化膜是厚度為4～20nm的AlOx介質膜21和厚度為20～50nm的SiNx介質膜23。N型晶體矽基體10的電阻率為0.5～15Ω·cm；N型晶體矽基體10的厚度為50～300μm。

本實施例還提供了一種太陽能電池組件，包括由上至下依次設置的前層材料、封裝材料、太陽能電池、封裝材料、背層材料，所述太陽能電池是上述的一種全背接觸光伏電池。

本實施例還提供了一種太陽能電池系統，包括一個以上的太陽能電池組件，其特徵在於：所述太陽能電池組件是上述的太陽能電池組件。

最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和範圍。