CN107579133B - 一种背接触式黑硅电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光伏技术领域，具体为一种背接触式黑硅电池的制备方法。本发明使用银纳米颗粒诱导化学腐蚀制备高吸收率黑硅，背表面黑硅将有效提升硅片在700nm至1500nm的吸收，而受光面将采用表面织构化技术。产生的300‑1500nm广谱光生电子空穴对都可被IBC结构的PN结区有效利用，其光电流远高于常见的晶硅太阳能电池。这种新型的IBC结构同时利用了黑硅的广谱吸收效应和背接触光伏结区构造的优势，从根本上拓宽了晶硅太阳能电池的光谱响应，突破窄带晶硅电池效率理论极限29%，充分利用占据太阳光能谱近半的红外光，实现近20年来晶硅电池工艺瓶颈的突破。

Description

一种背接触式黑硅电池及其制备方法

技术领域

本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种背接触式（IBC）黑硅电池及其制备方法。

背景技术

硅太阳电池正长期并将在未来持续占据光伏产业的主导地位，然而目前硅电池的研究工作遭遇前所未有的重要挑战，这主要是因为当今主流的硅光伏技术依旧聚焦于窄光谱响应，而各种工艺以及其协同效应，已将硅带隙对应的窄带光电响应的潜能挖至极限。窄带电池的理论极限效率约为29%，然而如澳大利亚新南威尔士大学的钝化发射极背面局部扩散（PERL）电池（24.9%）和日本松下公司的非晶硅N单晶硅异质结电池（HIT）（25.6%）的工艺已极度复杂，成本相当之高。在量产的过程中限于工艺条件和各种其他因素，实际获得的成品电池效率又远低于这些实验室效率。可以预见，如不在晶硅电池的原理上寻求突破口和切入点，一味追求完善的制备工艺，晶硅电池的未来发展将不可避免地陷入停滞。

由于带隙限制，硅电池的有效光电响应范围小于1100nm，对占据太阳光能谱近半的红外光完全没有响应，如果能够将这部分太阳光有效利用起来，硅电池的效率将会在短时间内得到极大的突破。IBC电池出现于上世纪70年代，是人们最早研究的背结电池。背结电池的一大优势就是PN结和电极位于电池背面同侧。黑硅电池则诞生于上世纪90年代，其一大弊病就是产生红外高吸收的杂质来源相对靠近PN结，导致黑硅电池的开路电压一直较低。如果能将广谱吸收的黑硅做到硅衬底背面，借由IBC电池的大范围结区有效利用黑硅的可见-近红外光生电子空穴对。这种设计不仅不影响到电池的开路电压，同时表面复合相对较低，甚至可以实现硅电池的红外响应，从机理上实现硅电池效率的突破。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简易的背接触式（IBC）黑硅电池及其制备方法。

本发明提供的背接触式黑硅电池，是一种背表面黑硅和氧化铝钝化协同增强型单晶硅电池；具体使用银纳米颗粒诱导化学腐蚀制备高吸收率黑硅，使用原子层沉积制备氧化铝背钝化层，背表面黑硅将有效提升硅片在700nm至1500nm的吸收，同时兼具梯度带隙的自钝化效果，而受光面将采用表面织构化技术。在N硅衬底黑硅面用电子束蒸发生长约百纳米的本征硅掩蔽层，其目的是尽可能分离PN结高掺杂区域和黑硅部分，防止黑硅中的杂质能级影响PN结，保证电池的开路电压和填充因子不受影响。IBC部分则利用固态源扩散模板来制作，这种方法比起复杂的传统IBC工艺不仅简易可行，工序大为减少，而且成本大大降低，适用于工业量产。

本发明提供的背接触式黑硅电池的制备方法，具体步骤如下：

（1）选取两面抛光的，电阻率为1-10Ω cm的单晶硅作为衬底；该单晶硅衬底体积可为10×10×0.2mm³-25×25×0.2mm³。

（2）将衬底浸没于氢氟酸溶液中，去除表面的氧化层；氢氟酸溶液质量浓度可为5%-10%。

（3）取出去氧化层的衬底，用氮***将样品表面吹干，进行表面织构化；具体流程可为：将其置于85℃-90℃的NaOH/Alcohol/H₂O （例如0.5g/200ml/200ml）混合溶液中10-20分钟；

该步骤中，所述表面织构化应均匀，制绒硅表面应有30%以下的反射率，例如为20-30%；

该步骤中，氮***头一般不选择金属材质的，防止金属离子或金属原子滞留于硅衬底表面，影响少子器件性能。

（4）用去离子水将其表面冲洗干净，进行APM(SC-1) RCA标准清洗；

该步骤中，APM(SC-1) RCA标准清洗，即将衬底放置于30℃-80℃的1:1:1配比的NH₄OH/ H₂O₂ /H₂O混合溶液中10-20分钟，取出，用去离子水洗净，用塑料氮***吹干待用。

（5）在制绒完毕的N硅背面通过金属银诱导腐蚀，制成黑硅面；

该步骤的具体流程可为：热蒸发生长3nm-5nm的银纳米颗粒，然后置于氢氟酸、双氧水、水的混合溶液中腐蚀2-5分钟，得到300nm-900nm反射率在10%以下，900nm-1500nm反射率在40%以下的黑硅。

该步骤中，水、双氧水、氢氟酸的混合溶液中三者的体积比可为10:5:1至7:5:1。

该步骤中，银膜的厚薄可用于调制黑硅的红外吸收，银膜越厚，红外吸收越强。

该步骤中，混合溶液中水的含量用于控制反应速率，水的比例越大，反应越慢。

该步骤中，腐蚀时间用于调制黑硅的全波段吸收率，腐蚀时间越长，可见光吸收越强，腐蚀时间越长，红外光吸收越弱。腐蚀时间不宜超过5分钟。

（6）在黑硅面上，用电子束蒸发生长80-100nm厚的本征硅层作为掩蔽层。在N型硅正面，用电子束蒸发生长10-20nm厚的上钝化层；

该步骤中，蒸镀掩蔽层和钝化层应在5×10^-4Pa以上真空环境中完成，该步骤中，两者的蒸镀速度都不应超过0.1nm/s（优选为0.05-0.08 nm/s）。

该步骤中，上钝化层材料可为二氧化硅、氮化硅或二氧化钛。优选二氧化硅。

（7）在本征硅层侧贴上叉指状固态扩散源模板，在860℃-900℃惰性气体保护气氛下，在管式电阻炉中进行20-30分钟的磷、硼交热叉局部扩散，结束后立刻拉出冷却。冷却完毕后，在半自动丝网印刷机上完成银栅电极刻印；

该步骤中，惰性气体可为氮气，也可根据实际需要使用性能更好但价格更昂贵的惰性气体作为扩散保护气，例如氩气。

该步骤中，叉指状固态扩散源模板在使用前必须在100℃-150℃环境下预热15-30分钟，去除吸附性杂质，防止其扩散至基片内，影响电池性能。

该步骤中，磷、硼源可为固态源，也可为液态源。

（8）对完成的单晶硅电池进行惰性气体保护气氛下的烧结处理。

该步骤中，惰性气体可为氮气，也可根据实际需要使用性能更好但价格更昂贵的惰性气体作为烧结保护气，例如氩气。

该步骤中，所述烧结处理，烧结为425℃-480℃,时间为3-5分钟。

本方法中使用的设备包括，超净工作台，管式扩散炉，管式电阻炉，台式匀胶机，恒温水浴炉，高真空镀膜机，丝网印刷设备，电子天平，塑料氮***等。

本发明采用的贵金属诱导腐蚀法制备的黑硅有着良好的广谱吸收性能，可见光部分的吸收在99%以上，金属催化物在硅带间能级引起的红外吸收也在50%以上，同时根据开尔文探针的测试结果其具有梯度带隙结构，具有良好的自钝化的性能。本发明采用的IBC结构制备方法简单，避免了繁琐的光刻和刻蚀工艺，仅需要一步热工艺即可完成，适用于对成本控制要求较高的光伏产业方向。同时在可见至近红外波段都有高吸收高转化，是一种全新的广谱背接触式黑硅电池。

本发明制备的这种新型的IBC结构，同时利用了黑硅的广谱吸收效应和背接触光伏结区构造的优势，从根本上拓宽了晶硅太阳能电池的光谱响应，突破窄带晶硅电池效率理论极限29%，充分利用占据太阳光能谱近半的红外光，实现近20年来晶硅电池工艺瓶颈的突破。

附图说明

图1为电池结构图。

图2为吸收谱。分别对应硅片（方形），黑硅面朝下（三角），黑硅面朝上（圆）。

图3为黑硅梯度带隙（自钝化）能级示意图。

具体实施方式

以下实施例用以说明本发明，但不用于限制本发明。

1、原料和配方

衬底：两面抛光的，电阻率为10Ωcm，体积为10×10×0.2mm³的CZ单晶硅片，n型，苏州锐材半导体有限公司；

上钝化层：二氧化硅颗粒，规格1-5mm，纯度99.999%，中诺新材科技有限公司；

黑硅腐蚀诱导材料：高纯银颗粒，规格1mm，纯度99.999%，中诺新材科技有限公司；

背电极：银浆，纯度99.999%，中诺新材科技有限公司；

PN结扩散模板：10×10cm叉指状固态扩散源，中国科学院微电子研究所

APM(SC-1)清洗液：NH₄OH/ H₂O₂ /H₂O（50ml/50ml/50ml)混合溶液；

制绒液：NaOH/Alcohol/H₂O (0.5g/200ml/200ml)混合溶液；

贵金属诱导黑硅腐蚀液：H₂O/ H₂O₂ /HF（100ml/50ml/10ml）混合溶液。

2、工艺参数设定

制备条件：室温，百级净化间；

扩散温度：860℃；

扩散时长：30分钟

烧结温度：480℃

烧结时长：5分钟。

3、生产装置

VD650超净工作台，苏州苏洁净化设备有限公司

SK2-4-100.00管式扩散炉，苏州锐材半导体有限公司

SK2-4-12程控管式电阻炉，上海实研电炉有限公司

KW4A台式匀胶机，中科院微电子研究所

HH-1恒温水浴炉，上海梅香仪器有限公司

BMDE500高真空镀膜机，北京中科科仪有限公司

半自动丝网印刷设备，深圳亿宝莱印刷设备有限公司。

4、制备过程

（1）选取两面抛光的，电阻率为10Ω cm，体积为10×10×0.2mm3的单晶硅衬底；

（2）将衬底浸没于10%氢氟酸溶液中，去除表面的氧化层；

（3）取出去氧化层的衬底，用氮***将样品表面吹干，将其置于85℃的NaOH/Alcohol/H2O (0.5g/200ml/200ml)混合溶液中20分钟进行表面织构化；

（4）用去离子水将其表面冲洗干净，进行APM(SC-1) RCA标准清洗；

（5）在制备完成的N型硅背面用热蒸发生长3nm-5nm厚的银膜，然后置于10:5:1配比的H2O/ H2O2 /HF（100ml/50ml/10ml）混合溶液中2-5分钟进行腐蚀，制成黑硅面；

（6）在黑硅面上，在5×10^-4Pa真空环境下用电子束蒸发生长100nm厚的本征硅层作为掩蔽层。在N型硅正面，在5×10^-4Pa真空环境下用电子束蒸发生长20nm二氧化硅层作为上钝化层；

（7）在本征硅层侧贴上叉指状固态扩散源模板，在860℃氮气保护气氛下，在管式电阻炉中进行30分钟的磷、硼交热叉局部扩散，30分钟结束后立刻拉出冷却。冷却完毕后，在半自动丝网印刷机上完成银栅电极刻印；

（8）对完成的单晶硅电池进行480℃氮气保护气氛下的5分钟烧结处理。

Claims (10)

1.一种背接触式黑硅电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）选取两面抛光的，电阻率为1-10Ωcm的单晶硅作为衬底；

（2）将衬底浸没于氢氟酸溶液中，去除表面的氧化层；

（3）取出去氧化层的衬底，用氮***将样品表面吹干，进行表面织构化；

（4）用去离子水将其表面冲洗干净，进行APM(SC-1) RCA标准清洗；

（5）在制绒完毕的N硅背面通过金属银诱导腐蚀，制成黑硅面；

（6）在黑硅面上，用电子束蒸发生长80-100nm厚的本征硅层作为掩蔽层；在N型硅正面，用电子束蒸发生长10-20nm厚的上钝化层；

（7）在本征硅层侧贴上叉指状固态扩散源模板，在860℃-900℃惰性气体保护气氛下，在管式电阻炉中进行20-30分钟的磷、硼交热叉局部扩散，结束后立刻拉出冷却；冷却完毕后，在半自动丝网印刷机上完成银栅电极刻印；

（8）对完成的单晶硅电池进行氮气保护气氛下的烧结处理。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的进行表面织构化的具体流程为：将其置于85℃-95℃的NaOH、Alcohol和H₂O混合溶液中10-20分钟；表面织构化均匀，使制绒硅表面有30%以下的反射率。

3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的APM(SC-1) RCA标准清洗，是将衬底放置于30℃-80℃的1:1:1配比NH₄OH、H₂O₂ 、H₂O混合溶液中10-20分钟，取出用去离子水洗净，塑料氮***吹干待用。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述的金属银诱导腐蚀黑硅的操作流程为：蒸镀3nm-5nm的银，将其置于10:5:1至7:5:1浓度的水、双氧水、氢氟酸的混合溶液中2-5分钟，得到300nm-900nm反射率在10%以下，900nm-1500nm反射率在40%以下的黑硅。

5.根据权利要求1、2或4所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，蒸镀掩蔽层和钝化层应在5×10^-4Pa以上真空环境中完成，两者的蒸镀速度不超过0.1nm/s。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，所述上钝化层材料为二氧化硅、氮化硅或二氧化钛。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）中，叉指状固态扩散源模板在使用前须在100℃-150℃环境下预热15-30分钟，去除吸附性杂质。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）中，磷、硼的源为固态源，或液态源。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）中，所述惰性气体为氮气或氩气。

10.由权利要求1所述制备方法制备得到的背接触式黑硅电池。