CN103681942B - 晶体硅se太阳电池片的制备方法以及晶体硅se太阳电池片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶体硅SE太阳电池片的制备方法，包括以下步骤：S1、对硅片表面进行制绒、扩散、去磷硅玻璃处理，然后在硅片正面镀氮化硅减反射膜；S2、在减反射膜表面覆盖一层金属掩膜，然后采用磁控溅射法在减反射膜上沉积氧化铋；S3、在硅片背面印刷背面银导电浆料和背场铝浆料，整体入隧道炉烧结，烧结完成后退火；S4、在硅片正面进行光诱导电镀，得到所述晶体硅SE太阳电池片。本发明还提供了采用该制备方法制备得到的晶体硅SE太阳电池片。本发明提供的制备方法工艺简单、成本低廉、可实现大规模生产，制备得到的晶体硅SE太阳电池片，其表面电极栅线细密，遮盖面积小，电池的串联电阻小，填充因子增大，光电转化效率高，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种晶体硅SE太阳电池片的制备方法以及由该制备方法制备得到的晶体硅SE太阳电池片。
背景技术
太阳能作为一种绿色能源，以其取之不竭、无污染、不受地域资源限制等优点越来越受到人们的重视。现有晶体硅太阳能电池一般是采用丝网印刷导电浆料在硅基材上，进行干燥和烧制制备电极和背场。晶体硅太阳电池的向光面在镀减反射膜后采用丝网印刷正面银浆，然后过隧道炉烧结后直接得到正面银电极，正面电极的制作能显著影响光的接受率，从而影响电池的短路电流及光电转换效率；电极的结构与性能研究是当前晶体硅电池研究的重点和热点。
目前高效太阳电池比较普遍采用的一个工艺是选择性发射极（简称SE）电池结构，该方法指在向光面金属电极下形成重扩散，而在其他区域形成浅扩散，这样局部的重扩散则可使电极与硅形成良好的欧姆接触，增加电池的填充因子，而在浅扩散区域可以减少少子复合，提高光生载流子的收集率。在生产上运用得较好的实现选择性发射极电池的技术是直接印刷掩膜层法，该法特点为一次重扩散，即利用掩膜保护银电极下的重扩散层，腐蚀形成发射极区域的浅扩散，与普通电池制作相比，额外增加成本少，该工艺的困难在于扩散均匀和后续的印刷对齐。
专利CN102270703A公开了一种选择性发射极晶体硅太阳电池的制备方法，该方法是采用锑靶材进行磁控溅射锑扩散层，然后在扩散管中进行磷源扩散，再镀氮化硅膜、印刷、烧结，得到选择性发射极晶体硅太阳电池，该工艺虽然成本低，可工业化生产，但仍存在正面银浆料和锑扩散层的对正问题，并且银层和锑层在潮湿的气氛下可能发生不良反应，从而影响电极线与硅基底的附着力。
发明内容
本发明解决了现有技术中制备晶体硅SE太阳电池片存在扩散均匀和印刷对齐较为困难的技术问题，并提供一种工艺简单、成本低廉、可实现大规模生产，同时可提高光电转化效率的晶体硅SE太阳电池片及其制备方法。
具体地，本发明提供了一种晶体硅SE太阳电池片的制备方法，包括以下步骤：
S1、对硅片表面进行制绒、扩散、去磷硅玻璃处理，然后在硅片正面镀氮化硅减反射膜；
S2、在减反射膜表面覆盖一层金属掩膜，所述金属掩膜的镂空处形状与向光面电极栅线的形状相同；然后采用磁控溅射法在减反射膜上沉积氧化铋，溅射完成后去除金属掩膜，得到氧化铋栅线层；
S3、在硅片背面印刷背面银导电浆料，烘干后印刷背场铝浆料，烘干后将硅片整体入隧道炉烧结，烧结完成后进行退火处理，得到背面形成有背面银电极和铝背场、正面形成有种子层栅线的硅片；
S4、在硅片正面的种子层栅线表面进行光诱导电镀，形成向光面电极栅线，得到所述晶体硅SE太阳电池片。
本发明还提供了一种晶体硅SE太阳电池片，所述晶体硅SE太阳电池片由本发明提供的制备方法制备得到。
本发明提供的晶体硅SE太阳电池片制备方法，通过在减反射膜表面磁控溅射氧化铋层，烧结时其与减反射膜反应并穿透减反射膜，从而与硅片衬底接触并反应，在硅片表面形成单质金属铋，退火处理时，金属铋充分扩散入硅片衬底中形成N型高浓度掺杂，即实现电极线下N+选择性扩散，在电池片的向光面形成选择性发射极区域，经过光诱导电镀后，即可得到本发明提供的晶体硅SE太阳电池片，其表面电极栅线细密，遮盖面积小，电池的串联电阻小，填充因子增大，光电转化效率高；同时由于向光面电极无需要印刷电极浆料，能有效降低成本。
附图说明
图1是本发明提供的晶体硅SE太阳电池片的结构示意图。
其中，1——镀银层，2——防腐金属层，3——种子层栅线，4——减反射膜，5——硅片，6——背面银电极，7——铝背场。
具体实施方式
本发明提供了一种晶体硅SE太阳电池片的制备方法，包括以下步骤：
S1、对硅片5表面进行制绒、扩散、去磷硅玻璃处理，然后在硅片5正面镀氮化硅减反射膜4；
S2、在减反射膜4表面覆盖一层金属掩膜，所述金属掩膜的镂空处形状与向光面电极栅线的形状相同；然后采用磁控溅射法在减反射膜4上沉积氧化铋，溅射完成后去除金属掩膜，得到氧化铋栅线层；
S3、在硅片5背面印刷背面银导电浆料，烘干后印刷背场铝浆料，烘干后将硅片整体入隧道炉烧结，烧结完成后进行退火处理，得到背面形成有背面银电极6和铝背场7、正面形成有种子层栅线3的硅片5；
S4、在硅片5正面的种子层栅线表面进行光诱导电镀，形成向光面电极栅线，得到所述晶体硅SE太阳电池片。
本发明的发明人认为，本发明中形成选择性发射极区域的原理为：减反射膜4为氮化硅膜，其中氮-硅键的键能较小，在高温处理（即后续烧结和退火处理）下，磁控溅射的氧化铋栅线层中的氧化铋会与减反射膜4中的氮化硅反应，而产生氧化硅和单质金属铋，这样就使氧化铋栅线层穿透减反射膜4，穿透过减反射膜4的氧化铋继续与硅片5反应，生成更多的单质金属铋而滞留在硅片5上形成向光面电极的种子层栅线3；同时，在退火处理时，金属铋充分扩散入硅片5衬底中形成N型高浓度掺杂，即实现电极线下N+选择性扩散，从而在电池片的向光面形成选择性发射极区域，经过光诱导电镀后，即可得到本发明提供的晶体硅SE太阳电池片。
如前所述，氧化铋栅线层穿透减反射膜4后于硅片5接触并继续反应，最后形成所述种子层栅线3。因此，该种子层栅线3中的有效成分主要包括：反应后生成的单质金属铋和氧化硅，以及未反应完全的氧化铋。
本发明中，先对硅片表面进行制绒、扩散、去磷硅玻璃处理，然后在硅片正面镀氮化硅减反射膜。所述硅片可采用本领域技术人员常用的各种单晶硅片或多晶硅片，本发明没有特殊限定。例如，所述硅片可采用156×156mm的多晶硅跑。所述制绒、扩散、去磷硅玻璃以及镀减反射膜的步骤与传统太阳电池的制作工艺完全相同，本发明没有特殊限定，此处不再赘述。
根据本发明的方法，然后对硅片表面进行磁控溅射处理，具体包括：在减反射膜表面覆盖一层金属掩膜，然后采用磁控溅射设备、以氧化铋靶材为溅射靶，在减反射膜层表面沉积一层氧化铋层。本发明中，所述金属掩膜的镂空处形状向光面电极栅线的形状相同，因此沉积的氧化铋层的形状则与向光面电极栅线的形状完全相同。
本发明中，所述金属掩膜可采用现有技术中常用的各种掩膜，例如可采用金属钼掩膜，但不局限于此。
所述磁控溅射采用磁控溅射设备进行，例如可采用直线型磁控溅射机，但不局限于此。本发明中，所述磁控溅射的条件优选包括为：溅射靶为氧化铋靶，溅射压强为0.5~0.9Pa，溅射在氩气氛围中进行，且氩气流量为10~30sccm，溅射时硅片温度为200~300℃。
溅射时间可根据所需沉积到硅片上的氧化铋的厚度进行适当选择。本发明的发明人发现，由于氧化铋栅线层用于在后期转化为种子层栅线，因此其沉积厚度需谨慎控制；具体地，氧化铋厚度太小时，得到的氧化铋不足以形成种子层前驱体，与硅反应形成的金属铋的导电性能不够，对后续光诱导电镀工艺不利，并且对硅片的掺杂效果不好；而厚度太大时，导致种子层栅线中氧化铋含量太大，不利于电极体积电阻的降低，因为种子层的电阻率相对于后续电镀金属银要高许多。因此，本发明中，氧化铋栅线层的厚度优选为1-5μm。
作为本领域技术人员的公知常识，太阳电池片表面的电极栅线，其细密度越高越好，从而能有效降低遮盖面积。本发明中，所述向光面电极通过后续在种子层栅线表面光诱导电镀形成，因此种子层栅线的线宽的影响至关重要，因此，本发明中，磁控溅射形成氧化铋层时，其线宽越小越好。优选情况下，氧化铋栅线层的栅线线宽为2-15μm。
根据本发明的方法，在硅片的向光面形成氧化铋栅线后，然后对硅片的背面进行处理，即在硅片背面先印刷银导电浆料，烘干后印刷背场铝浆料，并烘干；然后将硅片整体送入隧道炉进行烧结，烧结完成后进行退火处理。烧结和退火处理过程中，除发生前面所述的氧化铋穿透减反射膜形成选择发射极区域（即硅片正面形成种子层栅线）过程之外，还包括硅片背面的银电极浆料形成背面银电极、背场铝浆料形成铝背场的过程。
所述背面银导电浆料、背场铝浆料均为本领域技术人员常用的各种常规浆料，本发明没有特殊限定，此处不再赘述。
所述烧结的条件与现有技术中印刷电极浆料中烧结形成电极的烧结条件相同，本发明没有特殊限定。例如，所述烧结的条件为：过隧道炉的总时间为2-3min，烧结的峰值温度为910±10℃，峰值温度下的烧结时间为1~2s。
所述退火处理即为在退火温度下保温一定时间即可。本发明中，退火处理是的退火温度和时间需要严格控制；退火温度太高、时间太长，会导致先前的扩散段得到的PN发生二次扩散，PN结深入硅中，导致电池光电转化效率降低；反之，退火温度太低、时间太短，会导致氧化铋还原形成的金属铋对硅片的N+型掺杂浓度不够，不能有效形成选择性发射极。具体地，本发明中，退火温度为500-560℃，退火处理时间为2-10min。
根据本发明的方法，然后对硅片正面的种子层栅线表面进行光诱导电镀，形成向光面电极栅线，即可得到所述晶体硅SE太阳电池片。
本发明中，所述光诱导电镀工艺（LIP）为本领域技术人员所公知，包括在种子层栅线表面电镀银，形成向光面银电极即可。
由于向光面银电极的银与金属铋之间电位差值较小，在潮湿环境中极易发生电极腐蚀现象；因此，作为本发明的一种优选实施方式，本发明中，所述光诱导电镀包括先在种子层栅线表面电镀防腐金属层，然后在防腐金属层表面继续电镀金属银层。本发明中，所述防腐金属层所采用的金属可以选自镍、钯、金、铂中的任意一种。当所述防腐金属层选择金属镍时，虽然其价格便宜，但其相比银和铋电极电位差值较小，在潮湿环境中还是容易方式腐蚀；若选择金或铂，其价格过高，于成本不利；因此，所述防腐金属层最佳选择为金属钯层，它兼具防腐和价格低廉双重优势。
防腐金属层的厚度不宜过小，否则其防腐效果太微弱；也不宜过大，否则会大幅增加成本。优选情况下，所述防腐金属层的厚度为1-5μm。
所述金属银层的厚度使得本发明中向光面电极栅线厚度满足现有技术中太阳电池片向光面电极厚度要求即可。优选情况下，所述金属银层的厚度为5-15μm。
所述光诱导电镀的步骤为本领域技术人员所公知，例如所述光诱导电镀银的步骤包括：将表面形成有防腐金属层的硅片整体放入电解槽中作为电解的阴极、以纯银棒作为电解的阳极，以水溶性银盐溶液作为电解液，防腐金属层表面镀上一层金属银层。优选情况下，电解液温度为35-40℃，电镀时间可根据镀银层的所需厚度进行适当选择，优选为5-20min。
电镀完成后干燥，即得到本发明提供的晶体硅SE太阳电池片。因此，本发明还提供了一种晶体硅SE太阳电池片，所述晶体硅SE太阳电池片由本发明提供的制备方法制备得到。
具体地，所述晶体硅SE太阳电池片具有图1所示结构，包括作为衬底的硅片5，硅片5的向光面具有减反射膜4和向光面电极栅线，硅片5的背面具有背面银电极6和铝背场7；其中，向光面电极栅线为三层结构，从下至上依次包括种子层栅线3、防腐金属层2和镀银层，种子层栅线3由氧化铋层经烧结后退火处理得到，使得该种子层栅线3穿透减反射膜4与硅片5接触，形成选择性发射极区域。
本发明提供的晶体硅SE太阳电池片，其表面电极栅线细密，遮盖面积小，电池的串联电阻小，填充因子增大，光电转化效率高；同时由于向光面电极无需要印刷电极浆料，能有效降低成本。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
（1）对156×156mm的P型多晶硅进行制绒、清洗并甩干、有机磷扩散、刻蚀、去磷硅玻璃，然后在硅片正面镀氮化硅减反射膜，得到P型多晶硅片。
（2）将P型多晶硅片放在直线型磁控溅射机的载片台上，其正面覆盖上金属钼掩膜板，固定P型多晶硅片和金属钼掩膜板，然后将其整体放入溅射腔中，以预先固定在腔室内的氧化铋（纯度＞99.9wt%）为靶材进行溅射，合上溅射腔室门，对腔室抽真空病痛如氩气，溅射压强为0.7Pa，氩气流量为15sccm，硅片温度为240℃，溅射时间为20s，溅射完成后移去金属钼掩膜板，实现P型多晶硅片的栅线区域的氧化铋膜沉积，沉积得到的氧化铋栅线层的厚度为2.0±0.2μm，线宽为8.0±0.5μm。
（3）将P型多晶硅片的背面采用200目丝网印刷背面银导电浆料（杜邦PV505，三线八段制），150℃烘干后再采用280目丝网印刷背场铝浆料（硕禾108C），150℃烘干，烘干时间为5分钟。
（4）然后将经过步骤（3）的硅片整体送入隧道炉中进行烧结，过隧道炉的总时间为2-3min，烧结的峰值温度为910±10℃，峰值温度下的烧结时间为1~2s。烧结完成后将硅片整体放入520℃退火炉中，保温8min，得到背面形成有背面银电极和铝背场、正面形成有种子层栅线的多晶硅片。
（5）采用光诱导电镀工艺在多晶硅片的种子层栅线上进行金属钯层的电镀，钯镀层的厚度为3.0±0.2μm，而后再在金属钯层上光诱导电镀金属银，银镀层的厚度为12±0.5μm，镀银量为130mg；电镀后出槽，用热风吹干，即得到本实施例的晶体硅SE太阳电池片，记为S1。
实施例2
采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的晶体硅SE太阳电池片，不同之处在于：
步骤（2）中，将P型多晶硅片放在直线型磁控溅射机的载片台上，其正面覆盖上金属钼掩膜板，固定该P型多晶硅片和金属钼掩膜板，然后将其整体放入溅射腔中，以预先固定在腔室内氧化铋（纯度＞99.9wt%）为靶材进行溅射，合上溅射腔室门，对腔室抽真空并通入氩气，溅射压强为0.6Pa，氩气流量为18sccm，硅片温度为240℃，溅射时间为30s，溅射完成后移去金属钼掩膜板，实现P型多晶硅片的栅线区域的氧化铋膜沉积，沉积得到的氧化铋栅线层的厚度为5.0±0.2μm，线宽为15±0.5μm；
步骤（4）中，退火温度为550℃，退火处理的保温时间为5min；
步骤（5）中，采钯镀层的厚度为1.0±0.2μm，银镀层的厚度为11±0.5μm，镀银量为130mg。
通过上述步骤，得到本实施例的晶体硅SE太阳电池片S2。
对比例1
对156×156mm的P型多晶硅进行制绒、清洗并甩干、有机磷扩散、有机蜡掩膜涂覆、四周边刻蚀、去磷硅玻璃、镀氮化硅减反射膜、丝网印刷背面银导电浆料（杜邦PV505，三线八段制）、背场铝浆料（硕禾108C）及正面银导电浆料（杜邦17A，烧结后宽度为45μm，线高为10μm），然后整体过隧道炉烧结，然后在正面电极栅线上进行光诱导电镀银，电镀得到的银层高度为4.0±0.5μm，镀银量为50mg；电镀后出槽，用热风吹干，得到具本对比例的晶体硅SE太阳电池片，记为DS1。
性能测试
1、表面状况：采用3~5倍放大镜观察上述制备的太阳能电池片样品S1-S2和DS1的向光面电极的表面状况；若表面光滑、无积点、无孔洞，记为OK，否则记为NG。
2、焊接强度：选用上海胜陌2×0.2mm锡铅焊带，用汉高X32-10I型助焊剂浸泡后烘干，然后在330℃对太阳电池片样品S1-S2和DS1的向光面电极主栅线进行手工焊接；待各太阳电池片样品自然冷却后，使用山度SH-100拉力机沿45°方向对焊接好的电极进行拉力测试，单位为N。
3、填充因子与光电转化效率：采用单次闪光模拟测试仪器对太阳电池片样品S1-S2和DS1进行测试。测试条件为标准测试条件(STC)：光强：1000W/m2；光谱：AM1.5；温度：25℃。重复200次，记录光电转化效率的平均值。
测试结果如下表1。
表1
。
从表1中S1-S2与DS1的测试结果比较可以看出，采用本发明提供的制备方法制得的晶体硅SE太阳电池片，其向光面电极栅线细密，遮光面积小，与光伏焊带的焊接强度高，电池填充因子大，因此其平均光电转换效率得到显著提高。另外，本发明提供的制备方法中，太阳电池片的向光面电极不需要印刷正面银浆料，因此能有效降低向光面电极的制作成本，增加晶体硅SE太阳电池片发电与传统发电的竞争力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种选择性发射极晶体硅太阳电池片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对硅片表面进行制绒、扩散、去磷硅玻璃处理，然后在硅片正面镀氮化硅减反射膜；
S2、在减反射膜表面覆盖一层金属掩膜，所述金属掩膜的镂空处形状与向光面电极栅线的形状相同；然后采用磁控溅射法在减反射膜上沉积氧化铋，溅射完成后去除金属掩膜，得到氧化铋栅线层；所述氧化铋栅线层穿透减反射膜后与硅片接触并反应，形成种子层栅线；
S3、在硅片背面印刷背面银导电浆料，烘干后印刷背场铝浆料，烘干后将硅片整体入隧道炉烧结，烧结完成后进行退火处理，得到背面形成有背面银电极和铝背场、正面形成有种子层栅线的硅片；
S4、在硅片正面的种子层栅线表面进行光诱导电镀，形成向光面电极栅线，得到所述选择性发射极晶体硅太阳电池片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述金属掩膜所采用的金属为钼。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，磁控溅射的条件包括：溅射靶为氧化铋靶，溅射压强为0.5-0.9Pa，溅射在氩气氛围中进行，且氩气流量为10-30sccm，溅射时硅片温度为200-300℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，氧化铋栅线层的栅线线宽为2-15μm，氧化铋栅线层的厚度为1-5μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，烧结条件包括：过隧道炉的总时间为2-3min，烧结的峰值温度为910±10℃，峰值温度下的烧结时间为1-2s。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，退火温度为500-560℃，退火处理时间为2-10min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述光诱导电镀包括先在种子层栅线表面电镀防腐金属层，然后在防腐金属层表面继续电镀金属银层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述防腐金属层所采用的金属选自镍、钯、金、铂中的任意一种；防腐金属层的厚度为1-5μm；金属银层的厚度为5-15μm。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，光诱导电镀时采用的电解液温度为35-40℃，电镀时间为5-20min。
10.一种选择性发射极晶体硅太阳电池片，其特征在于，所述选择性发射极晶体硅太阳电池片由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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