CN102683492B - 双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents

双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：(1)开孔；(2)清洗、制绒；(3)采用离子注入的方法在硅片的正面和孔内注入第一掺杂原子；第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；(4)在硅片背面的孔的周围区域注入第一掺杂原子；(5)采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入第二掺杂原子；第二掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相同；(6)将硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子；(7)热氧化、退火；(8)设置减反射膜；(9)设置孔金属电极；印刷，烧结。本发明采用离子注入的方法，较好地控制注入的位置，由其得到的太阳能电池不存在扩散制结处的短路问题；清洗去除掺杂后的硅片表层原子，获得了高质量的表面状态，实现对硅片表面的良好的钝化，取得了显著的效果。

Description

双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，属于太阳电池领域。
背景技术
常规的化石燃料日益消耗殆尽，在现有的可持续能源中，太阳能无疑是一种最清洁、最普遍和最有潜力的替代能源。目前，在所有的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池是得到大范围商业推广的太阳能电池之一，这是由于硅材料在地壳中有着极为丰富的储量，同时硅太阳能电池相比其他类型的太阳能电池，有着优异的电学性能和机械性能。因此，晶体硅太阳电池在光伏领域占据着重要的地位。高效化是目前晶体硅太阳电池的发展趋势，通过改进表面织构化、选择性发射结、前表面和背表面的钝化，激光埋栅等技术来提高太阳能电池的转化效率，但由于其需要特殊的设备和复杂的工艺流程，产业化进程受到制约。
目前，背接触硅太阳电池（MWT太阳电池）受到了大家的广泛关注，其优点在于：由于其正面没有主栅线，减少了电池片的遮光，提高了电池片的转换效率，在制作组件时，可以减少焊带对电池片的遮光影响，同时采用新的封装方式可以降低电池片的串联电阻，减小电池片的功率损失。传统的背接触晶体硅太阳电池的制备方法为：制绒、扩散制结、刻蚀、清洗、镀膜、打孔、印刷、烧结。
另一方面，在当今硅材料日益紧缺的情况下，为了充分提高太阳电池的输出功率，双面受光型晶体硅太阳电池已经成为研究的热点。如中国实用新型专利CN201699033U公开了一种双面受光型晶体硅太阳能电池，其在说明书第3页中公开了其制作方法：(1)将原始硅片进行预清洗，去除损伤层、制绒，作为单晶硅衬底；(2)硅片背靠背进行单面硼扩散，制作P+层；(3)对非扩硼层进行单面腐蚀并用湿氧氧化去除硼硅玻璃；(4)在扩硼层P+上制作氧化硅掩蔽层；(5)同样采用背靠背单面扩散的方法，进行后续的磷扩散，制作N+层；(6)扩磷工艺完成后去除磷硅玻璃；(7)等离子刻蚀去边结；(8)用PECVD在硅片双面沉积氮化硅减反射膜；(9)丝网印刷两面电极，烧结，制成双面受光型晶体硅太阳能电池。
然而，由于并未事先对硅片的一面设置掩膜，因而在步骤(2)的硼扩散之后，在非扩硼面的一面会产生严重的绕射，大量的杂质原子进入硅片的非扩硼层，将严重影响另一面的性能。因此，步骤(3)需要对非扩硼层进行单面腐蚀并用湿氧氧化的方法去除硼硅玻璃。显然，该步骤操作复杂，并且可能会对非扩硼面的绒面造成损坏。此外，二次扩散工艺也使得整个工艺过程较为复杂。
发明内容
本发明目的是提供一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 在硅片上开孔；
(2) 清洗硅片表面，去除损伤层，在硅片的正面和背面进行制绒；
(3) 采用离子注入的方法在硅片的正面和孔内注入第一掺杂原子，形成第一掺杂层；所述第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
(4) 采用离子注入的方法在硅片背面的孔的周围区域注入第一掺杂原子，第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
(5) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入第二掺杂原子，形成第二掺杂层；所述第二掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相同；
(6) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度为1~100nm；所述清洗液包括氧化剂和溶解剂，所述氧化剂选自HNO3、H2SO4、H2O2、CH3COOH和O3中的一种或几种，所述溶解剂选自NH4HF2、HF和NH4OH中的一种或几种；
(7) 将上述硅片进行热氧化、退火；
(8) 在硅片的正面和背面设置减反射膜；
(9) 在孔内设置孔金属电极；双面印刷金属电极，烧结，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池。
上文中，所述步骤(4)中硅片背面的孔的周围区域是指硅片背面以开孔的孔中心为圆心的2~10mm的范围内的正方形、圆形、三角形或任意形状的区域。所述步骤(5)中硅片背面的非孔周围区域是指除了上述硅片背面的孔的周围区域之外的硅片背面的区域。
上文中，所述步骤(3)、(4)、(5)的离子注入步骤的次序可以任意调换。
所述步骤(7)的退火步骤可以活化掺杂原子并修复离子注入产生的晶格损伤。
所述硅片可以是N型或P型，优选的技术方案，所述硅片为N型硅片，所述第一掺杂原子为硼，第二掺杂原子为磷。
优选的技术方案，所述步骤(7)和(8)之间，在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝。
氧化铝可以由PECVD、ALD、反应性溅射等方法制备，氧化铝厚度3~50nm。
上述技术方案中，所述步骤(3)和(4)中的离子注入的条件为：离子注入能量10~200KeV，剂量1014~1017 cm-2，掺杂深度100~800nm。
上述技术方案中，所述步骤(5)中的离子注入的条件为：离子注入能量10~200KeV，剂量1014~1017 cm-2，掺杂深度100~1200nm。
上述技术方案中，所述步骤(7)中热氧化的温度为600~1000℃，处理时间5~60min，氧化气氛为氮气和氧化气体，所述氧化气体选自O2、H2O、HCl、TCA中的一种或几种，氮气的流量为2~10slm，氧化气体的流量为2~15slm。
所述氧化气体的流量为2~15slm，当只有一种氧化气体时，氧化气体的流量是指一种气体的流量，当有多种氧化气体时，氧化气体的流量是指总的气体流量。
上述热氧化生长的氧化膜的厚度为1~50nm。
上述热氧化过程可以与退火过程同步进行，也可以不同步进行；对于与退火过程不同步进行的氧化过程，可以在退火过程的某一时间段内通入氧化气体进行氧化过程。
与之相应的另一种技术方案，一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 清洗硅片表面，去除损伤层，在硅片的正面和背面进行制绒；
(2) 采用离子注入的方法在硅片的正面注入第一掺杂原子，形成第一掺杂层；所述第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
(3) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入第二掺杂原子，形成第二掺杂层；所述第二掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相同；
(4) 在硅片上开孔；
(5) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度为1~100nm；所述清洗液包括氧化剂和溶解剂，所述氧化剂选自HNO3、H2SO4、H2O2、CH3COOH和O3中的一种或几种，所述溶解剂选自NH4HF2、HF和NH4OH中的一种或几种；
(6) 将上述硅片进行热氧化、退火；
(7) 在硅片的正面和背面设置减反射膜；
(8) 在孔内设置孔金属电极；双面印刷金属电极，烧结，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池。
上述技术方案中，所述步骤(4)可以在步骤(1)之前进行。
优选的技术方案，所述硅片为N型硅片，所述第一掺杂原子为硼，第二掺杂原子为磷。
优选的技术方案，所述步骤(6)和(7)之间，在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝。
上述技术方案中，所述步骤(6)中热氧化的温度为600~1000℃，处理时间5~60min，氧化气氛为氮气和氧化气体，所述氧化气体选自O2、H2O、HCl、TCA中的一种或几种，氮气的流量为2~10slm，氧化气体的流量为2~15slm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明开发了一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其制备工艺简单，易于操作；由其制得的双面太阳能电池具有良好的电性能，其光电转换效率可达19.5%以上。
2．本发明采用了离子注入的方法，可以较好地控制注入的位置，由其得到的太阳能电池不存在扩散制结处的短路问题，取得了显著的效果。
3．本发明清洗去除硅片正面和背面的表层原子，获得了高质量的硅片表面状态；同时配合退火氧化工艺，既活化了掺杂原子、修复了离子注入产生的晶格损伤又获得了高质量的硅片表面钝化效果；有效减少了硅片的表面复合，从而获得了高效率的双面背接触太阳电池。
附图说明
图1~7是本发明实施例一的制备过程示意图；
图8~10是本发明实施例二中的部分制备过程示意图；
图11~18是本发明实施例三的制备过程示意图。
其中，1、N型硅片；2、正面；3、背面；4、孔；5、孔壁；6、绒面；7、硼掺杂层；8、磷掺杂层；9、减反射膜；10、正面电极；11、孔金属电极；12、背电极；13、氧化铝；14、氧化层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
参见图1~7所示，一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 在N型硅片1上开孔，孔4的孔壁5如图1所示；
(2) 清洗硅片表面，去除损伤层，在硅片的正面2和背面3进行制绒，形成绒面6，如图2所示；
(3) 采用离子注入的方法在硅片的正面和孔内注入硼原子，形成硼掺杂层7；
(4) 采用离子注入的方法在硅片背面的孔的周围区域注入硼原子；如图3所示；
所述步骤(3)和(4)中的离子注入的条件为：离子注入能量30~100KeV，剂量1015~1016 cm-2，掺杂深度200~600nm；
(5) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入磷原子，形成磷掺杂层8；如图4；离子注入能量25~100KeV，剂量1015~1016cm-2，掺杂深度300~800nm；
(6) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度20~30nm；所述清洗液为HNO3和HF的混合溶液；
(7) 将上述硅片进行热氧化、退火；形成氧化层14，如图5所示；
热氧化的温度为800℃，处理时间30min，氧化气氛为氮气和氧气，所氮气的流量为10slm，氧气的流量为5slm；
(8) 在硅片的正面和背面设置减反射膜9，如图6；
(9) 在孔内设置孔金属电极11；双面印刷金属电极，烧结，形成正面电极10和背电极12，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池，如图7。
实施例二
参见图1、2、3、4、5、8、9、10所示，一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)至(7)与实施例一的步骤相同；
(8) 在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝13；如图8；
(9) 在硅片的正面和背面设置减反射膜9，如图9；
(10) 在孔内设置孔金属电极11；双面印刷金属电极，烧结，形成正面电极10和背电极12，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池，如图10。
所述步骤(7)得到的氧化层14和步骤(8)得到的氧化铝13，均起到钝化作用。
实施例三
参见图11~18所示，一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 清洗N型硅片1表面，去除损伤层，在硅片的正面2和背面3进行制绒，形成绒面6；如图11所示；
(2) 采用离子注入的方法在硅片的正面注入硼原子，形成硼掺杂层7；如图12所示； 
(3) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入磷原子，形成磷掺杂层8；如图13所示； 
(4) 在硅片上开孔；孔4的孔壁5如图14所示；
(5) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度为10~25nm；所述清洗液为H2O2和NH4OH的混合溶液；
(6) 将上述硅片进行热氧化、退火；形成氧化层14，如图15所示；
热氧化的温度为900℃，处理时间25min，氧化气氛为氮气和氧气，氮气的流量为10slm，氧化气体的流量为5slm；
(7) 在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝13；如图16；
(8) 在硅片的正面和背面设置减反射膜9；如图17所示；
(9) 在孔内设置孔金属电极11；双面印刷金属电极，烧结，形成正面电极10和背电极12，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池，如图18。

Claims (10)

1.一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 在硅片上开孔；
(2) 清洗硅片表面，去除损伤层，在硅片的正面和背面进行制绒；
(3) 采用离子注入的方法在硅片的正面和孔内注入第一掺杂原子，形成第一掺杂层；所述第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
(4) 采用离子注入的方法在硅片背面的孔的周围区域注入第一掺杂原子，第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
所述步骤(4)中硅片背面的孔的周围区域是指硅片背面以开孔的孔中心为圆心的2~10mm的范围内的正方形、圆形、三角形或任意形状的区域；
(5) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入第二掺杂原子，形成第二掺杂层；所述第二掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相同；
(6) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度为1~100nm；所述清洗液包括氧化剂和溶解剂，所述氧化剂选自HNO3、H2SO4、H2O2、CH3COOH和O3中的一种或几种，所述溶解剂选自NH4HF2、HF和NH4OH中的一种或几种；
(7) 将上述硅片进行热氧化、退火；
(8) 在硅片的正面和背面设置减反射膜；
(9) 在孔内设置孔金属电极；双面印刷金属电极，烧结，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述硅片为N型硅片，所述第一掺杂原子为硼，第二掺杂原子为磷。
3.根据权利要求2所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)和(8)之间，在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝。
4.根据权利要求1所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和(4)中的离子注入的条件为：离子注入能量10~200KeV，剂量1014~1017 cm-2，掺杂深度100~800nm。
5.根据权利要求1所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的离子注入的条件为：离子注入能量10~200KeV，剂量1014~1017 cm-2，掺杂深度100~1200nm。
6.根据权利要求1所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中热氧化的温度为600~1000℃，处理时间5~60min，氧化气氛为氮气和氧化气体，所述氧化气体选自O2、H2O、HCl、TCA中的一种或几种，氮气的流量为2~10slm，氧化气体的流量为2~15slm。
7.一种双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 清洗硅片表面，去除损伤层，在硅片的正面和背面进行制绒；
(2) 采用离子注入的方法在硅片的正面注入第一掺杂原子，形成第一掺杂层；所述第一掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相反；
(3) 采用离子注入的方法在硅片背面的非孔周围区域注入第二掺杂原子，形成第二掺杂层；所述第二掺杂原子的掺杂类型与硅片的类型相同；
(4) 在硅片上开孔；
(5) 将上述硅片放入清洗液中，去除硅片正面和背面的表层原子，去除深度为1~100nm；所述清洗液包括氧化剂和溶解剂，所述氧化剂选自HNO3、H2SO4、H2O2、CH3COOH和O3中的一种或几种，所述溶解剂选自NH4HF2、HF和NH4OH中的一种或几种；
(6) 将上述硅片进行热氧化、退火；
(7) 在硅片的正面和背面设置减反射膜；
(8) 在孔内设置孔金属电极；双面印刷金属电极，烧结，即可得到双面背接触晶体硅太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述硅片为N型硅片，所述第一掺杂原子为硼，第二掺杂原子为磷。
9.根据权利要求8所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)和(7)之间，在硅片的注入硼原子的一面沉积氧化铝。
10.根据权利要求7所述的双面背接触晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中热氧化的温度为600~1000℃，处理时间5~60min，氧化气氛为氮气和氧化气体，所述氧化气体选自O2、H2O、HCl、TCA中的一种或几种，氮气的流量为2~10slm，氧化气体的流量为2~15slm。
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