CN117457797A - TOPCon电池结构的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TOPCon电池结构的制备方法及应用，本发明利用硼扩共推工艺同时推进形成正面发射区n‑poly与背面p‑poly，减少了一步高温工艺，简化了工艺流程。后续通过利用激光大面积开膜工艺，保留电池正面发射极与金属接触区域的TOPCon结构，提升了发射极区域的钝化性能和载流子的收集效率。本发明优化了TOPCon电池结构的制备方法，简化了工艺流程，极大的缩减了工艺流程时间，降低了电池的制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种TOPCon电池结构的制备方法及应用。
背景技术
自光伏技术成为一种可行的可再生能源以来，晶体硅(c-Si)太阳能电池因为它的制造技术成熟，制造成本低，市场接受度高一直主导着光伏(PV)市场。近年来，带有TOPCon电池结构的电池凭借优秀的电池特性，低功率衰减性，以及和上一代量产PERC电池产线的兼容性，受到了市场和研究机构的关注。
专利CN114497241A设计了一种新型全背结电池，通过降低两面接触区的载流子复合，并将发射极放到背面，可以降低正面非接触区的载流子复合，从而获得比常规TOPCon更高的开路电压和转换效率。但其所涉及的电池结构的工艺方法在电池制备过程中需要经过两次高温工艺(磷扩工艺和硼扩工艺)，工艺过程繁琐，工艺时间过程较长，不利于量产工艺的导入。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种TOPCon电池结构的制备方法及应用。
本发明的第一方面提供了一种TOPCon电池结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供衬底；
(2)在衬底的正面和背面依次沉积隧穿层和i-poly层；
(3)在正面i-poly层表面沉积PSG层；
(4)步骤(3)所得器件的正面和背面沉积BSG层，然后进行硼磷一步共扩散，在正面的PSG层与隧穿层之间形成n-poly层，在器件背面的BSG层与隧穿层之间形成p-poly层；
(5)在步骤(4)所得器件的正面进行激光图案化处理，保留正面金属接触区域的BSG层和PSG层，去除正面非金属接触区域的BSG层和PSG层；
(6)在步骤(5)所得器件的正面非金属接触区制绒；
(7)去除步骤(6)所得器件的BSG层和PSG层；
(8)在步骤(7)所得器件正面和背面沉积钝化减反膜；
(9)在步骤(8)所得器件上设置正面金属电极和背面金属电极，所述正面金属电极设置于金属接触区域，得到所述TOPCon电池结构。
根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(1)中，所述衬底材料为晶体硅。
根据本发明第一方面的方法，其中，，步骤(2)中，所述i-poly层的厚度为50～600nm，优选为300～500nm，更优选为300～400nm；和/或
所述隧穿层的厚度为0～10nm，优选为1～8nm，更优选为1～5nm；
优选地，沉积所述i-poly层的方法为CVD，优选为LPCVD和/或PECVD。
根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(3)中，沉积所述PSG层的方法为APCVD；和/或
步骤(4)中，沉积所述BSG层的方法为APCVD。
根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(6)中，制绒所得金字塔绒面结构的底面位于隧穿层下方。
根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(8)中，所述钝化减反膜的材料选自以下一种或多种：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁；和/或
所述钝化减反膜包括一层或多层钝化减反层。
根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(9)中，所述电极材料选自Ag和/或Al，优选为Ag。
本发明的第二方面提供了第一方面的TOPCon电池结构的制备方法在制备太阳能电池中的应用。
本发明的第三方面提供了一种TOPCon电池结构，所述TOPCon电池结构按照第一方面的方法制备。
本发明的第四方面提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括第三方面的TOPCon电池结构。
本发明的制备方法可以具有但不限于以下有益效果：
本发明利用硼扩共推(硼磷一步共扩散)工艺同时推进形成正面发射区n-poly与背面p-poly，减少了一步高温工艺，简化了工艺流程。后续通过利用激光大面积开膜工艺，保留电池正面发射极与金属接触区域的TOPCon结构，提升了发射极区域的钝化性能和载流子的收集效率。本发明优化了TOPCon电池结构的制备方法，简化了工艺流程，极大的缩减了工艺流程时间，降低了此类电池的制备成本。
附图说明
图1示出本发明TOPCon电池结构的制备工艺流程示意图。
图2示出实施例1步骤1中对衬底抛光后得到的结构示意图。
图3示出实施例1步骤2中在衬底表面沉积i-poly后得到的结构的示意图。
图4示出实施例1步骤3中正面和侧面沉积PSG后得到的结构示意图。
图5示出实施例1步骤4中清洗去掉侧面PSG后得到的结构示意图。
图6示出实施例1步骤5中硼扩共推后得到的结构示意图。
图7示出实施例1步骤6中激光大面积开膜后得到的结构示意图。
图8示出实施例1步骤7中制绒后得到的结构示意图。
图9示出实施例1步骤8中HF疏水及RCA清洗后得到的结构示意图。
图10示出实施例1步骤9中氧化步骤后得到的结构示意图。
图11示出实施例1步骤10中钝化步骤后得到的结构示意图。
图12示出实施例1步骤11中金属化步骤后得到的结构示意图。
图13示出试验例1制备的TOPCon电池的电化学测试结果。
附图标记说明：
1、衬底；2、隧穿层；21、正面隧穿层；22、背面隧穿层；3、i-poly层；4、PSG层；5、BSG层；51、正面BSG层；52、背面BSG层；61、n-poly层；62、p-poly层；71、正面氧化硅层；72、背面氧化硅层；81、正面介质层；82、背面介质层；91、正面金属电极；92、背面金属电极。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本申请进一步详细说明。通过这些说明，本申请的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“TOPCon电池”是指：Tunnel Oxide Passivated Contact Cell，隧穿氧化层钝化接触电池。
术语“i-poly”是指：本征多晶硅。
术语“CVD”是指：化学气相沉积。
术语“LPCVD”是指：低压力化学气相沉积。
术语“PECVD”是指：等离子体增强化学气相沉积。
术语“APCVD”是指：常压化学气相沉积。
术语“PSG”是指：磷硅玻璃。
术语“BSG”是指：硼硅玻璃。
术语“n-poly”是指：n型掺杂多晶硅。
术语“p-poly”是指：p型掺杂多晶硅。
术语“RCA清洗”是指：RCA标准清洗法。
本发明提供了一种TOPCon电池结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供衬底；
(2)在衬底的正面和背面沉积i-poly层，沉积的同时在衬底和i-poly层之间形成隧穿层；
(3)在正面i-poly层表面沉积PSG层；
(4)步骤(3)所得器件的正面和背面沉积BSG层，然后进行硼磷一步共扩散，在正面的PSG层与隧穿层之间形成n-poly层，在器件背面的BSG层与隧穿层之间形成p-poly层；
(5)在步骤(4)所得器件的正面进行激光图案化处理，保留正面金属接触区域的BSG层和PSG层，去除正面非金属接触区域的BSG层和PSG层；
(6)在步骤(5)所得器件的正面非金属接触区制绒；
(7)去除步骤(6)所得器件的BSG层和PSG层；
(8)在步骤(7)所得器件正面和背面沉积钝化减反膜；
(9)在步骤(8)所得器件上设置正面金属电极和背面金属电极，所述正面金属电极设置于金属接触区域，得到所述TOPCon电池结构。
本发明利用硼扩共推工艺同时推进形成正面发射区n-poly与背面p-poly，减少了一步高温工艺，简化了工艺流程。后续通过利用激光大面积开膜工艺，保留电池正面发射极与金属接触区域的TOPCon结构，提升了发射极区域的钝化性能和载流子的收集效率。
而现有技术中TOPCon电池的制备工艺需要经过两次高温工艺(磷扩工艺和硼扩工艺)，工艺过程繁琐，工艺时间长，不利于量产工艺的导入。本发明优化了TOPCon电池结构的制备方法，简化了工艺流程，极大的缩减了制备这类电池的工艺流程时间，降低了此类电池的制备成本。
根据本发明的一种实施方式，步骤(1)中，所述衬底材料选自晶体硅。
在进行制备前，可以对衬底进行清洗、抛光护理，以便于后续工作的进行。
步骤(2)中，所述i-poly层的厚度为50～600nm，优选为300～500nm，更优选为300～400nm；和/或
所述隧穿层的厚度为0～10nm，优选为1～8nm，更优选为1～5nm；优选地，沉积所述i-poly层的方法为CVD，优选为LPCVE或PECVD。
可选地，所述隧穿层的厚度可以为0.1nm，0.5nm，1nm，2nm，3nm，4nm，5nm。
本发明方法在i-poly的沉积过程中一步完成隧穿层和i-poly层的制备，将制备隧穿层和i-poly两个工艺合二为一除了能够大幅提高产能、降低设备成本、节约工艺流程时间外，还能够对超薄隧穿层起到保护作用，一方面使隧穿层不会在出舟过程中被进一步氧化，失去隧穿效应；另一方面隧穿层也不会在空气中被污染。
根据本发明的一种实施方式，步骤(3)中，沉积所述PSG层的方法为APCVE；和/或
步骤(4)中，沉积所述BSG层的方法为APCVD。
在一种实施方式中，所述PSG层的厚度为10～300nm，优选为30～100nm；和/或
所述BSG层的厚度为10～300nm，优选为30～100nm。
在一种实施方式中，沉积所述BSG层的方法为管式沉积。
本发明使用APCVD方法在i-poly层表面沉积PSG层，该工艺在常压下进行，反应速度快，CVD***简单，节约工艺流程时间。清洗去除侧面的PSG，为后续的BSG沉积和硼扩共推提供条件。
传统电池制备工艺中，制备两种不同的掺杂区域需要分别进行硼扩散和磷扩散，为实现这一目的，还需要进行两次扩散阻挡层的制备及两次湿法化学工艺以去除阻挡层，工艺流程繁琐复杂。虽然现有技术中已经提出了一些硼磷掺杂共推进的方法，但或需要对硼进行两步扩散，或需要湿法旋涂且对扩散条件要求非常严格，或需要设置阻挡层在推进后需要进一步清除阻挡层，对于电池的制备流程来说仍然十分繁琐。本发明方法在分别沉积PSG和BSG后，器件正面依次覆盖有PSG和BSG，因此，在高温扩散过程中，由于PSG层对BSG层的阻挡作用，器件正面被PSG和BSG同时覆盖区域的i-poly层仅发生磷扩散形成n-poly，而器件侧面和底面仅被BSG覆盖区域的i-poly仅发生硼扩散形成p-poly，从而实现了一步高温过程的选择性掺杂。本发明利用硼扩共推工艺直接一步推进形成正面发射区n-poly与背面p-poly，大大简化了工艺流程。
根据本发明的一种实施方式，步骤(5)中，本发明利用激光大面积开膜工艺，保留了电池正面发射极与金属接触区域的TOPCon结构，提升了发射极区域的钝化性能和载流子的收集效率。
根据本发明的一种实施方式，步骤(6)中，制绒所得金字塔绒面结构的底面位于隧穿层下方。
由于n-poly层对光有很强的寄生吸收效应，其会降低电池的电流密度，进而影响太阳能电池的光电转换效率。本发明通过对非金属接触区的制绒，使得制得的金字塔绒面结构自下而上分别为衬底、隧穿层、n-poly层材料，形成隧穿层钝化接触，从而降低了n-poly层的寄生吸收效应，提高电池的转换效率。
根据本发明的一种具体实施方式，步骤(7)使用HF疏水处理去除BSG层和PSG层。
根据本发明的一种具体实施方式，在使用HF去除BSG层和PSG层后，再对器件进行RCA标准清洗。
本发明使用HF疏水去膜处理去除器件表面的BSG层和PSG层，再对器件进行RCA标准清洗以去除器件表面污染物，便于进行后续的氧化钝化。
根据本发明的一种实施方式，步骤(8)中，所述钝化减反膜的材料选自以下一种或多种：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁；和/或
所述钝化减反膜包括一层或多层钝化减反层。
根据本发明的一种实施方式，步骤(9)中，所述电极材料选自Ag和/或Al，优选为Ag。
本发明还提供了所述的TOPCon电池结构的制备方法在制备太阳能电池中的应用。
本发明提供了一种TOPCon电池结构，所述TOPCon电池结构按照前述的方法制备。
本发明还提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括所述的TOPCon电池结构。
下面的实例将对本发明做进一步说明，但不应因此理解为对本发明的限定。在这些实例中所用试剂，除特别说明的以外，均为化学纯试剂，且均可从市场上购得。
实施例1
本实施例用于说明本发明TOPCon电池结构的制备方法。
图1示出本发明TOPCon电池结构的制备工艺流程示意图，接下来分步骤对本发明TOPCon电池结构进行说明。
步骤1：对衬底1进行抛光，衬底材料为晶体硅。图2示出对衬底抛光后得到的结构示意图。
步骤2：在衬底1表面以CVD方法依次沉积形成0nm～10nm的隧穿层2和50～600nm的i-poly层3。图3示出在衬底表面沉积隧穿层和i-poly层后得到的结构的示意图。
值得注意的是，此处可以不设置隧穿层而仅设置i-poly层，即隧穿层2的厚度为0。
在一种具体实施方式中，以LPCVD或PECVD方法依次沉积形成1～8nm的隧穿层2和300～500nm nm的i-poly层3。步骤3：通过APCVD法在步骤2所得器件的正面和侧面沉积10～300nm的PSG层4。图4示出正面和侧面沉积PSG后得到的结构示意图。
步骤4：利用酸溶液清洗去除步骤3所得器件侧面的PSG层，保留器件正面的PSG层4。图5示出清洗去掉两侧PSG后得到的结构示意图。
步骤5：在步骤4所得器件表面以APCVD方法沉积10～300nm的BSG层5，并进行一步高温扩散，使PSG层4和BSG层5分别对i-poly层3进行掺杂。由于PSG层对BSG层的阻挡作用，因此在器件正面PSG层4与隧穿层2之间的i-poly层仅发生磷扩散形成n-poly层61，在器件侧面和底面的BSG层5与隧穿层2之间的i-poly层仅发生硼扩散形成p-poly层62。图6示出硼扩共推后得到的结构示意图。
在一种具体实施方式中，沉积所述BSG层的方法为管式沉积。
步骤6：在步骤5所得器件的正面进行激光开膜，保留器件正面金属接触区域的BSG层5和PSG层4，去除器件正面非金属接触区域的BSG层和PSG层。图7示出激光大面积开膜后得到的结构示意图。
步骤7：在步骤6所得器件的正面制绒，在非金属接触区域形成金字塔绒面结构，所述金字塔绒面结构的底面位于隧穿层下方。图8示出制绒后得到的结构示意图。
步骤8：对步骤(7)所得器件进行HF疏水去膜处理，使用氢氟酸去除器件表面的BSG层5和PSG层4，再对器件进行RCA标准清洗去除表面污染物。图9示出HF疏水去膜处理及RCA清洗后得到的结构示意图。
步骤9：在步骤8所得器件表面氧化沉积氧化硅层，包括正面氧化硅层71和背面氧化硅层72。图10示出氧化步骤后得到的结构示意图。
步骤10：在步骤9所得器件表面钝化沉积介质层，包括正面介质层81和背面介质层82。图11示出钝化步骤后得到的结构示意图。
步骤11：在步骤10所得器件上设置正面金属电极91和背面金属电极92，所述正面金属电极91设置于金属接触区域，所述金属电极优选为银电极，得到所述TOPCon电池结构。图12示出金属化步骤后得到的结构示意图。
试验例1
本试验例用于说明本发明TOPCon电池结构的制备方法及其效果。
按照实施例1的方法制备TOPCon电池结构，在晶体硅衬底上以LPCVD或PECVD方法依次沉积形成1～5nm的隧穿层2和300～400nm的i-poly层3，再以APCVD法在正面和侧面的i-poly层表面沉积30～100nm的PSG层4。在器件的正面和背面沉积30～100nm的BSG层，然后进行硼磷一步高温扩散。硼磷共推后在正面的PSG层与隧穿层之间形成30～100nm的n-poly层，在器件背面的BSG层与隧穿层之间形成30～100nm的p-poly层。对器件正面进行激光开膜，去除非金属接触区域的BSG层和PSG层并制绒。对器件进行HF疏水去膜处理，去除器件表面的BSG层和PSG层，并在器件正面和背面沉积钝化减反膜。在金属接触区域设置正面和背面银电极，得到所述TOPCon电池结构。
对上述所得TOPCon电池结构通过IEC标准方法进行电池性能测试，测试结果如图13所示。
从图13中可以看出，本试验例制备的TOPCon电池在226.62cm2的测试面积下，其短路电流Isc为9500mA，开路电压Voc为723.6mV，填充因子FF为83.16％，最大工作功率Pmpp为5717mW，电池效率η为25.23％。
从上述结果中可以看出，本发明方法制备的TOPCon电池结构提升了发射极区域的钝化性能和载流子的收集效率，获得比常规TOPCon更高的开路电压和转换效率。同时，由于本发明的方法减少了一步高温工艺，简化了工艺流程，极大的缩减了工艺流程时间，便于量产工艺的导入，降低了此类电池的制备成本，具有良好的应用前景。
以上结合了优选的实施方式对本申请进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本申请进行多种替换和改进，这些均落入本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种TOPCon电池结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)提供衬底；
(2)在衬底的正面和背面依次沉积隧穿层和i-poly层；
(3)在正面i-poly层表面沉积PSG层；
(4)步骤(3)所得器件的正面和背面沉积BSG层，然后进行硼磷一步共扩散，在正面的PSG层与隧穿层之间形成n-poly层，在器件背面的BSG层与隧穿层之间形成p-poly层；
(5)在步骤(4)所得器件的正面进行激光图案化处理，保留正面金属接触区域的BSG层和PSG层，去除正面非金属接触区域的BSG层和PSG层；
(6)在步骤(5)所得器件的正面非金属接触区制绒；
(7)去除步骤(6)所得器件的BSG层和PSG层；
(8)在步骤(7)所得器件正面和背面沉积钝化减反膜；
(9)在步骤(8)所得器件上设置正面金属电极和背面金属电极，所述正面金属电极设置于金属接触区域，得到所述TOPCon电池结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述衬底材料为晶体硅。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述i-poly层的厚度为50～600nm，优选为300～500nm，更优选为300～400nm；和/或
所述隧穿层的厚度为0～10nm，优选为1～8nm，更优选为1～5nm；
优选地，沉积所述i-poly层的方法为CVD，优选为LPCVD和/或PECVD。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，沉积所述PSG层的方法为APCVD；和/或
步骤(4)中，沉积所述BSG层的方法为APCVD。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，制绒所得金字塔绒面结构的底面位于隧穿层下方。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(8)中，所述钝化减反膜的材料选自以下一种或多种：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁；和/或
所述钝化减反膜包括一层或多层钝化减反层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(9)中，所述电极材料选自Ag和/或Al，优选为Ag。
8.权利要求1至7中任一项所述的TOPCon电池结构的制备方法在制备太阳能电池中的应用。
9.一种TOPCon电池结构，其特征在于，所述TOPCon电池结构按照权利要求1至7中任一项所述的方法制备。
10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括如权利要求9所述的TOPCon电池结构。
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