CN101548395A - 具有改进的表面钝化的晶体硅太阳能电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造晶体硅太阳能电池的方法，包括：提供具有正面和背面的晶体硅基板；通过将晶体硅基板浸入化学溶液，在正面和背面中的至少一面形成氧化硅薄膜；在正面和背面中的至少一面的氧化硅薄膜上形成介电涂膜。氧化硅薄膜可以具有0.5－10nm的厚度。通过使用化学溶液形成氧化物层，可以形成用于表面钝化的氧化物薄膜，其中，相对低的温度避免了半导体层的损坏。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的制造方法。特别是涉及一种制造包括氧化硅钝化层和介电涂层的晶体硅太阳电池的方法。
背景技术
由单晶硅或多晶硅制成的太阳能电池的正面通常具有介电涂层(例如，光入射侧)，以有效地引导入射光进入半导体层。这种介电涂层通常称为防反射涂层(ARC)膜。
太阳能电池的性能主要由半导体层与ARC膜之间的界面处光生载流子复合受抑制程度的影响。光生载流子复合的抑制通常利用所谓表面钝化实现。
作为用于多晶硅太阳能电池的ARC膜，氮化硅膜由于具有良好的防反射效应而被经常使用并且可以期望充足的表面钝化效应。由于相同的原因，它也可用于单晶硅太阳能电池。另外，使用热法氧化物膜(thermal oxidefilm)的情形下，可以期望比氮化硅更有效的表面钝化。
一般地，具有足够的表面钝化的热法氧化物膜要求高温工艺(大约1000℃)，这将损害太阳能电池的效率。此外，热法氧化物膜的折射率(1.45)对于硅太阳能电池合适的ARC来说太低。
在晶体硅太阳能电池中，通常通过在背面涂布铝浆并通过热处理背面的铝浆而合金化来形成背场(BSF)层。因为缺少硅给料，将来晶体硅太阳能电池的厚度肯定会减少。这将导致BSF层的效能更糟糕，因为它会使薄基板弯曲，也将降低在背面的内部反射。现在，为了取代BSF层，采用介电膜(如氮化硅膜或热法氧化硅膜)，其部分被去除的区域用于形成背面电极。如上所述，氮化硅膜可以提供良好的钝化效应而热法氧化物膜可以更好。此外，相比于铝BSF，这些介电膜可以提高在太阳能电池背面的内部反射。
对沉积在用于晶体硅太阳能电池的半导体基板上的介电膜的要求是：
·在相对较低的温度下可形成，
·高钝化效应，
·形成在正面时的防反射效应，
·形成在背面时的防反射效应或内部反射的增强。
对于这种介电膜，当被用作光学防反射效应，折射率应低于硅的折射率(3.3)并高于封装树脂(packing resin)或覆盖玻璃(cover glass)的折射率(1.4～1.6)。氮化硅膜能够满足上述大部分的条件，但其钝化效果不如热法氧化物膜。薄的热法氧化物可***硅和氮化硅之间，以满足上述条件，而不降低正面的防反射光学效果或不增强背面的内部反射，尽管热法氧化物的折射率低(1.45)。具有足够的表面钝化的热法氧化膜要求高温工艺(约1000℃)，这将损害太阳能电池的效率。然而，形成足够薄(<70nm)的具有良好的表面钝化和处于良好的控制下的热法氧化物是非常困难的。一种可能性是在硅基板上提供热法氧化物膜，然后通过蚀刻的方式薄化热法氧化膜，但在这种情况下，不可能形成具有均匀厚度的热法氧化物膜。即使在较低温度下(大约800℃)热氧化在一定程度上可以形成氧化物薄膜，它的表面钝化效应通常是低的，有时甚至不如氮化硅膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造具有硅基板和用于表面钝化的双层结构的晶体硅太阳能电池，其中，太阳能电池的效率得到提高。
该目的是通过提供一种制造晶体硅太阳能电池的方法来实现，该方法包括：
-提供具有正面和背面的晶体硅基板；
-通过将晶体硅基板浸泡在化学溶液中在正面和背面中的至少一面上形成氧化硅薄膜；
-在正面和背面中的至少一面上的氧化硅薄膜上形成介电涂膜。
根据一种实施方式的方法，介电涂膜和氧化硅薄膜形成在基板的正面和/或背面。所述氧化硅薄膜是通过将晶体硅基板浸泡在化学溶液中形成的。浸泡工艺可以很好地控制并且在相对较低的温度下进行(<150℃)。因此，该层的形成将不影响(已掺杂)基板的半导体性能。此外，钝化效果相当于甚至优于热法氧化物。此外，使用化学溶液用于氧化，可以形成非常薄的均匀氧化硅层。
注意到所提供的晶体硅基板可以是被部分处理的。此外，提供的硅基板可以被部分保护而不被氧化，例如通过部分覆盖在表面的氮化硅或其它膜。
优选地，介电涂膜位于正面时将作为防反射涂层，当形成在背面时将作为防反射或内部反射涂层，这分别取决于太阳能电池组件是否是双面的。
在一种实施方式中，形成的氧化硅薄膜的厚度是0.5-10nm。注意到在室温下的未受保护的硅表面上，将会生长所谓的“自然氧化物”膜。这个非常薄的膜(约0.5nm厚)不具有良好的钝化性能。因此，根据一种实施方式，自然氧化物膜被去除后，通过将晶体基板浸泡在化学溶液中，生成新的氧化硅薄膜。该氧化硅薄膜具有钝化效果并且对太阳能电池正面的入射光是透明的。
在一种实施方式中，氧化硅膜通过在150℃以下的温度下，在化学溶液中处理晶体硅基板形成。这种低温将避免降低半导体性能的质量。优选温度是约室温，使得温度设置可以很容易实现。
化学溶液可包含硝酸、过氧化氢、硫酸、盐酸、臭氧、乙酸、沸水、或氢化铵(ammonium hydride)或其它们的组合。
氧化物薄膜可由电化学增强反应形成。这具有减少氧化时间和溶液浓度的优点。
在一种实施方式中，介电涂膜包含氢。介电涂膜可包含例如含有氢的氮化硅，或含有氢的无定形碳化硅。
在另一种实施方式中，在形成介电涂膜后，该方法包括退火。退火温度优选比介质涂膜的沉积温度高50℃以上。这种方法使得氢从介电涂层排放，并渗透到氧化硅薄膜，与存在于半导体表面或氧化硅膜的缺陷态(defectstates)反应，从而提高了晶体硅的钝化效果。
当介电涂膜作为防反射涂膜时，最好具有1.8-3.0之间的折射率，因为它应该低于硅的折射率(3.3)且高于封装树脂或覆盖玻璃的折射率(1.4-1.6)。
在一方面，本发明还涉及由上述方法制造的太阳能电池。
附图说明
在参照附图对多个实施方式进行描述的基础上，本发明进一步的优势和特点将变得更清楚，其中：
图1显示了根据现有技术的太阳能电池的实际形成过程的实施例；
图2显示了与图1对应的太阳能电池的制造方法的现有技术流程图；
图3显示了太阳能电池的一种实施方式的实际形成过程的实施例；
图4显示了根据现有技术可能的制造方法的流程图；
图5显示了根据本发明实施方式的制造方法的流程图。
具体实施方式
为了解释本发明的优点，下面的一些例子描述了使用已知的方法和使用根据本发明实施方式的方法的太阳能电池。为这些实施例选定的晶片(wafer)由具有0.3-1.5Ohm-cm电阻率的n型多晶硅(Si)基板组成。这些晶片从预先切割成12.5×12.5cm2的铸成的晶块(casted ingot)切片得到。将晶片分为4组，每组有25个晶片。之后，这些组将被命名为A组、B组、C组和D组。
A组是由氮化硅防反射涂层提供表面钝化的传统多晶硅太阳能电池的参考组。太阳能电池的结构如图1所示，及其制造方法的步骤如图2所示。太阳能电池100包括具有磷扩散背层103和硼扩散正面层102的硅基板101。在基板101的两侧形成氮化硅膜；参见背面氮化硅膜105和正面氮化硅膜104。在两侧都制造电极106、107。每个方法步骤的具体工艺条件如图2所示。在第一个步骤201中，例如通过从晶块切割晶片来提供n型硅基板。然后在步骤202中，用NaOH化学溶液实现表面织构化(surface texturing)。下一步，在步骤203中，在900-950℃的温度下，硼扩散到基板的正面。这可以使用例如背面对背面(back-to-back)构造完成，其中两个基板以它们背面挤压在一起放置。然后在步骤204中，在850-880℃温度下，以正面对正面(front-to-front)构造，其中两个基板以它们的正面挤压在一起放置，将磷扩散到背面。步骤204之后是步骤205，其中将基板浸入氢氟酸溶液中，以在防反射层沉积之前从表面去除自然氧化物。然后，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在300-500℃的SiH4/NH3/N2混合气体中，在正面沉积氮化硅(SiN)(步骤206)。在接下来的步骤207中，氮化硅也用PECVD法在300-500℃的SiH4/NH3/N2混合气体中沉积在背面。最后在步骤208中，在正面使用混合的银浆和铝浆丝网印刷，在背面使用银浆丝网印刷，这是本领域技术人员公知的。在丝网印刷之后，在750-950℃温度下同时烘烤(热退火)正面和背面浆料。
图3显示了现有技术的太阳能电池300的实施例。太阳能电池300由参考组中挑选出，称为B组。太阳能电池300包括具有磷扩散背层303和硼扩散正面层302的硅基板301。基板301的两侧都形成氮化硅膜；参见背面氮化硅膜305和正面氮化硅膜304。两侧都制造电极306、307。与图1的太阳能电池相比，在基板301和氮化硅膜304、305之间，形成原位热法氧化层308、309。
图4显示了B组的制造方法流程图。各方法步骤的具体工艺条件如下。
步骤401：与步骤201相同。
步骤402：与步骤202相同。
步骤403：与步骤203相同。
步骤404：与步骤204相同。
在步骤405中，通过在850-900℃之间的温度下在管炉中加热基板，利用热氧化方法生长20nm氧化硅膜。
步骤406：与步骤206相同。
步骤407：与步骤207相同。
步骤408：与步骤208相同。
C组是本发明典型的实施例。制造方法与B组一样，除了如图3所示的氧化硅膜308、309是通过将晶片在室温下浸泡在68％硝酸的化学溶液中15分钟生成的。生成的氧化硅厚度为1.4nm。图5是显示根据实施方式的制造方法的实施例的流程图。在每个方法步骤的具体工艺条件如下。
步骤501：与步骤201相同。
步骤502：与步骤202相同。
步骤503：与步骤203相同。
步骤504：与步骤204相同。
步骤505：与步骤205相同。
在步骤506中，通过在室温下，将晶片浸泡在68％硝酸的化学溶液中15分钟，生成厚度为1.4nm的氧化硅膜。
步骤507：与步骤206相同。
步骤508：与步骤207相同。
步骤509：与步骤208相同。
在本发明的另一实施方式中，制造方法与如图3所示的B组相同，除了氧化硅膜308、309是通过将晶片在120℃下浸泡在68％硝酸的化学溶液中15分钟生成的。该实施方式得到的太阳能电池称为D组。
太阳能电池性能根据本领域技术人员公知的IEC60904的条件下描述。上述各组太阳能电池的参数的平均值如表I所示，其中Jsc是短路电流(shortcircuit current)，Voc是开路电压(open circuit voltage)以及FF是填充因子(fill factor)。
| 组 | 硅表面钝化方法 | Jsc[mA/cm2] | Voc[mV] | FF[％] | 效率[％] |
| A | SiN | 32.4 | 577 | 69.7 | 13.0 |
| B | 热法氧化物/SiN | 31.5 | 599 | 74.5 | 14.1 |
| C | 室温下生长的化学氧化物/SiN | 31.7 | 620 | 75.6 | 14.8 |
| D | 120℃下生长的化学氧化物/SiN | 31.7 | 624 | 75.7 | 14.9 |
A组与C和D组相比较，可以看到，VOC和电源转化效率(powerconversion efficiency)得到改善。由于C、D组在氮化硅防反射层和半导体表面之间的薄氧化硅中间层，半导体的表面钝化大大加强，减少了光生电荷的复合可能性。
B组与C、D组相比较，可以看到，由于薄化学氧化物比热法氧化物更好的钝化，VOC和电源效率进一步提高。
采用上文所述的发明，电源转化效率比传统的n-型多晶基板太阳能电池方法改进了0.8-1.9个点。
众所周知，本领域技术人员读了上述内容后会实现各种变形。认为这些变形在权利要求所描述的本发明范围内。
Claims (14)
1、一种制造晶体硅太阳能电池的方法，包括：
-提供具有正面和背面的晶体硅基板；
-通过将晶体硅基板浸入化学溶液以在所述正面和所述背面中的至少一面上形成氧化硅薄膜；
-在所述正面和所述背面中的至少一面上的氧化硅薄膜上形成介电涂膜。
2、根据权利要求1所述的方法，其中形成的所述氧化硅薄膜的厚度为0.5-10nm。
3、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中通过在150℃以下的温度下在所述化学溶液中处理所述晶体硅基板形成所述氧化硅薄膜。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述温度为室温。
5、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述化学溶液包含选自以下溶液中的至少一种溶液：
a)包含硝酸的溶液，
b)包含过氧化氢的溶液，
c)包含硫酸的溶液，
d)包含盐酸的溶液，
e)包含臭氧的溶液，
f)包含乙酸的溶液，
g)包含沸水的溶液，
h)包含氢化铵的溶液。
6、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述氧化硅薄膜通过电化学增强反应形成。
7、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述介电涂膜包含氢。
8、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述介电涂膜包含含有氢的氮化硅、或含有氢的无定形碳化硅。
9、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中在形成所述介电涂膜之后，所述方法包括退火。
10、根据权利要求9所述的方法，其中退火温度比所述介电涂膜的沉积温度高50℃以上。
11、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述介电涂膜具有1.8-3.0之间的折射率。
12、根据以上任意一项权利要求所述的方法，其中所述介电涂膜至少在使用中作为防反射涂膜。
13、根据权利要求1-11任意一项所述的方法，其中所述介电涂膜至少在使用中作为内反射涂膜。
14、一种由以上任意一项权利要求所述的方法制造的太阳能电池。
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