CN109216509A - 一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背接触异质结太阳电池的制备方法。在经过清洗、去损伤层、制绒的单晶硅基体的正面依次沉积本征非晶硅前钝化层、正面N型非晶硅层和减反层；在电池背面沉积本征非晶硅背钝化层；在背钝化层的表面以掩膜法沉积P型非晶硅层，然后直接沉积P型非晶硅层和N型非晶硅层之间的绝缘隔离层，并采用光刻法按预设的绝缘隔离层宽度进行刻蚀；进一步以掩膜法沉积背面N型非晶硅层；最后采用掩膜工艺依次沉积透明导电薄膜、金属膜形成接触层，完成本发明的太阳电池制备。本发明提高了HBC单晶硅太阳电池背面结构图形的制备工艺精度，减小了隔离层宽度，提高了光生载流子的收集概率和HBC太阳电池的短路电流密度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法。
背景技术
叉指型背接触异质结单晶硅太阳电池(Interdigitated Back Contact SiliconHeterojunction Solar Cell，简称HBC太阳电池)兼具叉指型背接触太阳电池(Interdigitated back contact Solar Cell，简称IBC太阳电池)和带有薄本征层的异质结太阳电池(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer Solar Cell，简称HIT太阳电池)的优点，既移除了前表面金属电极，减少了遮光损失，获得了较大的短路电流，又通过在重掺的非晶硅与晶体硅之间***了一层高质量的本征非晶硅钝化层大幅降低了界面态，减少了表面复合，提高了开路电压，是目前世界上光电转换效率最高的单晶硅太阳电池。
一般的叉指型背接触异质结太阳电池正面剖面结构由内而外依次为N型单晶硅基体、正面本征非晶硅钝化层、正面N型非晶硅层、减反层，背面由内而外依次为N型单晶硅基体、背面本征非晶硅钝化层、间隔设置的背面P型非晶硅层与N型非晶硅层、绝缘隔离层、接触层。其中，绝缘隔离层位于发射极与基极之间，由于隔离层上方无内建电场，所以在该处产生的光生载流子只能依靠扩散被发射极或基极收集。隔离层宽度越大，光生载流子的输运距离越长，载流子复合概率越高，导致短路电流密度减小。
虽然HBC太阳电池的转换效率高，但是目前仅限于实验室研究，还未大规模产业化。现有主流技术中各研究机构大多采用两步光刻工艺实现背面结构图形。光刻工艺虽然精度高，但由于工艺步骤中其它化学试剂的使用大大增加了电池的制备成本，同时涂胶、前烘、曝光、显影、刻蚀及去胶等步骤导致其工艺复杂程度增加，生产效率降低，阻碍了HBC太阳电池的大规模推广。掩膜法是另外一种背面结构图形的制备工艺，因该方法本身的局限性，其精度远低于光刻工艺，导致隔离层宽度较大，一般为50微米以上。隔离层宽度较大导致P型非晶硅层与N型非晶硅层面积的减少，载流子收集效率下降，致使电池的短路电流密度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，采用一步光刻与掩膜法相结合的制备工艺形成HBC太阳电池背面结构图形，以弥补仅使用光刻法或掩膜法所存在的不足，降低电池的制备成本，提高工艺精度，减小隔离层宽度，提高光生载流子的收集概率和HBC太阳电池的短路电流密度。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种背接触异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(a)对单晶硅基体进行清洗、去除损伤层、制绒；
(b)处理后的单晶硅基体采用PECVD制备正面本征非晶硅钝化层；
(c)PECVD法沉积正面N型非晶硅层作为太阳电池的前表面场；
(d)在正面N型非晶硅层上用PECVD法沉积减反层；
(e)单晶硅基体的背面采用PECVD法沉积背面本征非晶硅钝化层，使其覆盖整个背面区域；
(f)以乙硼烷或三甲基硼烷作为掺杂气体、氢气为载气和稀释气体、硅烷作为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积P型非晶硅层作为发射极；
(g)借助掩膜工艺通过PECVD法沉积绝缘隔离层；
(h)通过光刻技术，按照预设的隔离层宽度进行刻蚀，完成对P型非晶硅层与N型非晶硅层之间绝缘隔离层的制备；
(i)在上述太阳电池背表面的基础上，以磷烷作为掺杂气体、氢气为载气和稀释气体、硅烷为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积N型非晶硅层作为背面场；
(j)在所述的P型非晶硅层和N型非晶硅层表面采用掩膜工艺通过PVD或CVD法沉积透明导电氧化物薄膜，作为导电层；
(k)在所述透明导电氧化物薄膜上采用采用掩膜工艺通过PVD的方式沉积金属电极，完成本发明的太阳电池的制备。
作为本发明进一步的方案，步骤(a)具体步骤依次为：RCA标准清洗，清除硅片表面的颗粒及有机物等；硅片清洗后再放入20％的NaOH碱溶液中，去除切片工艺中造成的表面损伤层；浸入NaOH、Na2SiO3、IPA混合溶液中进行制绒；使用HCL对制绒后的硅片表面进行酸洗，以中和残留在硅片表面的的碱液、去除硅片表面残留的金属杂质；采用HF溶液清洗硅片，以去除硅片表面的二氧化硅层并与硅片表面的悬挂键形成Si-H钝化键，最后氮气烘干备用。
作为本发明进一步的方案，采用一步光刻法与掩膜法相结合的工艺制备HBC电池背面结构图形。
作为本发明进一步的方案，所述绝缘隔离层材料由氮化物、氧化物、非晶硅的一种或多种构成，绝缘隔离层的宽度为10-50μm。
作为本发明进一步的方案，步骤(b)至步骤(j)中采用PECVD法完成的步骤均可用热丝CVD法实现。
作为本发明进一步的方案，步骤(f)与步骤(i)所述工艺的顺序可根据实际情况调换；步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)可在步骤(e)、步骤(f)、步骤(g)、步骤(h)、步骤(i)、步骤(j)或步骤(k)之前或然后进行。
作为本发明进一步的方案，步骤(f)所需的掩膜板的图案设计基于所需的P型非晶硅层对图案的要求，步骤(i)所需的掩膜板的图案设计基于所需的N型非晶硅层对图案的要求；其掩膜板材料为金属或石英等非金属材料。
作为本发明进一步的方案，背面透明导电氧化物薄膜厚度为80-150nm，其材料为ITO、AZO、IWO、FTO以及GZO薄膜中的一种或多种叠层构成，所述的电极材料为铝、银、铜或金属合金。
作为本发明进一步的方案，正面本征非晶硅钝化层厚度为1-15nm，正面N型非晶硅层前表面场厚度为1-15nm，背面本征非晶硅钝化层厚度为1-15nm，所述的背面N型非晶硅层的厚度为10-100nm，所述的背面P型非晶硅层的厚度为10-100nm。
作为本发明进一步的方案，减反层厚度为50-200nm，其材料为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者是由氮化硅薄膜及氧化硅薄膜构成的叠层。
本发明的有益效果是：本发明采用一步光刻与掩膜相结合的方法制备背接触异质结太阳电池的背面结构图形，一方面在制备隔离层时采用光刻技术，可提高工艺精度，减小隔离层宽度，提高载流子的收集率，从而提高HBC太阳电池的短路电流密度，弥补了掩膜法在精度不足方面的劣势；另一方面相对于多步光刻法，本发明通过使用掩膜法，可减小光刻次数，降低工艺复杂程度，从而可提高生产效率，并减少化学试剂的使用对硅片造成的损害。本发明所述制备方法适合HBC太阳电池大规模量产的要求。
附图说明
图1是一般的叉指型背接触异质结太阳电池结构剖面图；
其中，1.N型单晶硅基体，2.正面本征非晶硅钝化层，3.正面N型非晶硅层，4.减反层，5.背面本征非晶硅钝化层，6.背面N型非晶硅层，7.P型非晶硅层，8.接触层，9.绝缘隔离层。
图2为本发明中背接触异质结太阳电池的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。
如图1所示，一种背接触异质结太阳电池，以N型硅作衬底为例，包括N型单晶硅基体1，正面本征非晶硅钝化层2，正面N型非晶硅层3，减反层4，背面本征非晶硅钝化层5，背面N型非晶硅层6，P型非晶硅层7，接触层8，绝缘隔离层9。
结合图2所示的叉指型背接触异质结太阳电池背面制备方法示意图，对本发明的具体实施方式描述如下。
(a)对单晶硅基体1进行清洗、去除损伤层、制绒；具体步骤依次为：RCA标准清洗，清除硅片表面的颗粒及有机物等；硅片清洗后再放入20％的NaOH碱溶液中，去除切片工艺中造成的表面损伤层；浸入NaOH、Na2SiO3、IPA混合溶液中进行制绒；使用HCL对制绒后的硅片表面进行酸洗，以中和残留在硅片表面的的碱液、去除硅片表面残留的金属杂质；采用HF溶液清洗硅片，以去除硅片表面的二氧化硅层并与硅片表面的悬挂键形成Si-H钝化键，最后氮气烘干备用；
(b)处理后的单晶硅基体1采用PECVD制备正面本征非晶硅钝化层2；
(c)PECVD法沉积正面N型非晶硅层3作为太阳电池的前表面场；
(d)在正面N型非晶硅层3上用PECVD法沉积减反层4；
(e)单晶硅基体1的背面采用PECVD法沉积背面本征非晶硅钝化层5，使其覆盖整个背面区域；
(f)以乙硼烷(B2H6)或三甲基硼烷(TMB)作为掺杂气体、氢气(H2)为载气和稀释气体、硅烷(SiH4)作为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积P型非晶硅层7作为发射极；
(g)借助掩膜工艺通过PECVD法沉积绝缘隔离层9；
(h)通过光刻技术，按照预设的隔离层宽度进行刻蚀，完成对P型非晶硅层7与N型非晶硅层6之间绝缘隔离层9的制备；
(i)在上述太阳电池背表面的基础上，以磷烷(PH3)作为掺杂气体、氢气(H2)为载气和稀释气体、硅烷(SiH4)为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积N型非晶硅层6作为背面场；
(j)在所述的P型非晶硅层7和N型非晶硅层6表面采用掩膜工艺通过PVD或CVD法沉积透明导电氧化物薄膜，作为导电层；
(k)在所述透明导电氧化物薄膜上采用掩膜工艺通过PVD的方式沉积金属电极，完成本发明的太阳电池的制备。
正面本征非晶硅钝化层5厚度为1-15nm，优选厚度为2-4nm。所述的正面N型非晶硅层前表面场3厚度为1-15nm；减反层4厚度为50-200nm，其材料为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者是由氮化硅薄膜及氧化硅薄膜构成的叠层；所述的背面本征非晶硅钝化层5厚度为1-15nm，优选厚度为2-4nm；背面N型非晶硅层6的厚度为10-100nm，优选厚度20-50nm；背面P型非晶硅层7的厚度为10-100nm，优选厚度20-50nm；背面绝缘隔离层9的宽度为10-50μm，优选宽度为5-15μm，所述隔离层材料由氮化物、氧化物、非晶硅的一种或多种构成；背面透明导电氧化物薄膜厚度为80-150nm，其材料可为ITO、AZO、IWO、FTO以及GZO薄膜中的一种或多种叠层构成；电极材料可为铝、银、铜或金属合金。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种背接触异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对单晶硅基体进行清洗、去除损伤层、制绒；
(b)处理后的单晶硅基体采用PECVD制备正面本征非晶硅钝化层；
(c)PECVD法沉积正面N型非晶硅层作为太阳电池的前表面场；
(d)在正面N型非晶硅层上用PECVD法沉积减反层；
(e)单晶硅基体的背面采用PECVD法沉积背面本征非晶硅钝化层，使其覆盖整个背面区域；
(f)以乙硼烷或三甲基硼烷作为掺杂气体、氢气为载气和稀释气体、硅烷作为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积P型非晶硅层作为发射极；
(g)借助掩膜工艺通过PECVD法沉积绝缘隔离层；
(h)通过光刻技术，按照预设的隔离层宽度进行刻蚀，完成对P型非晶硅层与N型非晶硅层之间绝缘隔离层的制备；
(i)在上述太阳电池背表面的基础上，以磷烷作为掺杂气体、氢气为载气和稀释气体、硅烷为反应气体，借助掩膜工艺通过PECVD法沉积N型非晶硅层作为背面场；
(j)在所述的P型非晶硅层和N型非晶硅层表面采用掩膜工艺通过PVD或CVD法沉积透明导电氧化物薄膜，作为导电层；
(k)在所述透明导电氧化物薄膜上采用掩膜工艺通过PVD的方式沉积金属电极，完成本发明的太阳电池的制备。
2.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤(a)具体步骤依次为：RCA标准清洗，清除硅片表面的颗粒及有机物等；硅片清洗后再放入20％的NaOH碱溶液中，去除切片工艺中造成的表面损伤层；浸入NaOH、Na2SiO3、IPA混合溶液中进行制绒；使用HCL对制绒后的硅片表面进行酸洗，以中和残留在硅片表面的的碱液、去除硅片表面残留的金属杂质；采用HF溶液清洗硅片，以去除硅片表面的二氧化硅层并与硅片表面的悬挂键形成Si-H钝化键，最后氮气烘干备用。
3.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，采用一步光刻法与掩膜法相结合的工艺制备HBC电池背面结构图形。
4.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，所述绝缘隔离层材料由氮化物、氧化物、非晶硅的一种或多种构成，绝缘隔离层的宽度为10-50μm。
5.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤(b)至步骤(j)中采用PECVD法完成的步骤均可用热丝CVD法实现。
6.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于：步骤(f)与步骤(i)所述工艺的顺序可根据实际情况调换；步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)可在步骤(e)、步骤(f)、步骤(g)、步骤(h)、步骤(i)、步骤(j)或步骤(k)之前或然后进行。
7.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤(f)所需的掩膜板的图案设计基于所需的P型非晶硅层对图案的要求，步骤(i)所需的掩膜板的图案设计基于所需的N型非晶硅层对图案的要求；其掩膜板材料为金属或石英等非金属材料。
8.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，背面透明导电氧化物薄膜厚度为80-150nm，其材料为ITO、AZO、IWO、FTO以及GZO薄膜中的一种或多种叠层构成，所述的电极材料为铝、银、铜或金属合金。
9.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，正面本征非晶硅钝化层厚度为1-15nm，正面N型非晶硅层前表面场厚度为1-15nm，背面本征非晶硅钝化层厚度为1-15nm，所述的背面N型非晶硅层的厚度为10-100nm，所述的背面P型非晶硅层的厚度为10-100nm。
10.根据权利要求1所述的一种叉指型背接触异质结太阳电池制备方法，其特征在于，减反层厚度为50-200nm，其材料为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者是由氮化硅薄膜及氧化硅薄膜构成的叠层。
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