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CN105097978A - 一种n型背结晶体硅电池及其制备方法 - Google Patents

一种n型背结晶体硅电池及其制备方法 Download PDF

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程鹏飞
李愿杰
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Abstract

本发明提供了一种N型背结晶体硅电池及其制备方法，该电池包括前表面Ag电极、前表面减反射膜、磷扩散N+前表面场层、N型基底、硼扩散发射极P+层、背面钝化复合膜、背面AgAl电极；其中，PN结位于电池背面，电池背面采用抛光结构；背面钝化复合膜包括硼硅玻璃层和氮化硅层，硼硅玻璃层在硼扩散发射极P+层之上，氮化硅层则沉积在硼硅玻璃层上；利用硼扩散过程中生成的硼硅玻璃层和氮化硅叠层薄膜结构对硼发射极进行钝化，背面采用抛光结构，进一步提升硼发射极的钝化效果；本发明电池的制备工艺较为简单，能够与当前晶体硅电池制造生产线设备兼容，可降低成本，适于大规模工业化生产。

Description

一种N型背结晶体硅电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产技术领域，特别是一种N型背结晶体硅电池结构及其制备方法。
背景技术
目前晶体硅电池是太阳能电池市场的主流产品，晶硅太阳能电池从材料基体类型上又可以分为P型晶硅电池和N型晶硅电池。相对于P型单晶硅电池，N型单晶硅电池具有光致衰减小、耐金属杂质污染性能好、少数载流子扩散长度长等特点，已逐渐获得大家的关注，但缺点是制备过程中需要多次扩散，以及对硼发射极的钝化处理，制备流程较为复杂。
对于简单结构的N型晶硅电池而言，因为涉及一次硼扩散和一次磷扩散，所以电池制备流程中硼、磷扩散制程间的相互掩蔽，硼发射极的钝化对于提升电池效率有重要的意义。不同的生产制造商采用不同的制备工艺流程，以先掺硼为例，在完成单面掺杂形成p+硼发射极层后，现有工艺主要采用热氧化生长的SiO2薄膜作为掺磷面的扩散阻挡层，之后再去除SiO2掩蔽层，再进行发射极钝化的处理。这一方法涉及高温过程且步骤繁杂，热氧化的温度高达1000℃以上，同时氧化时间应不少于30min以形成厚度大于100nm的SiO2薄膜。此高温过程易导致p+层的扩散曲线发生改变，如表面掺杂浓度的降低，结深的增加，导致电池的串联电阻增加，电接触性能下降；同时高温过程易导致硅衬底的杂质浓度增加，电池的体复合随之加剧，最终表现为开路电压和整体效率的下降。专利CN102544236B报道在完成单面B掺杂形成p+硼发射极层后，去除硼硅玻璃层，然后利用低压化学气相沉积（LPCVD）的方法在硅片两面沉积SiNx膜，再在B扩面的SiNx上沉积SiO2,利用磷酸去除未被SiO2保护的SiNx面，然后在此面上进行磷扩散，此方法涉及多次镀膜和清洗过程，工艺比较复杂，不利于提高生产效率和降低生产成本。
发明内容
本发明旨在提供一种N型背结晶体硅电池及其制备方法，PN结位于电池背面，利用硼扩散过程中生成的硼硅玻璃层和氮化硅叠层薄膜结构对硼发射极进行钝化，背面采用抛光结构，进一步提升硼发射极的钝化效果；这种结构电池的制备工艺较为简单，能够与当前晶体硅电池制造生产线设备兼容，可降低成本，适于大规模工业化生产。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种N型背结晶体硅电池，包括前表面Ag电极、前表面减反射膜、磷扩散N+前表面场层、N型基底、硼扩散发射极P+层、背面钝化复合膜、背面AgAl电极，其特征在于：PN结位于电池背面，电池背面采用抛光结构；所述背面钝化复合膜包括一层氧化处理的硼硅玻璃层和一层氮化硅层，硼硅玻璃层在硼扩散发射极P+层之上，氮化硅层则沉积在硼硅玻璃层上。
所述硼硅玻璃层的厚度范围为40-110nm；所述背面钝化复合膜中氮化硅层的厚度范围为20-70nm。
上述N型背结晶体硅电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）将原始的N型硅片进行清洗，去除N型硅片表面的损伤层，利用碱溶液对硅片进行抛光处理；
（2）将步骤（1）处理后的N型硅片的正面面贴面地放置进行单面硼扩散；N型硅片的背面为硼扩散面，形成硼扩散发射极P+层，扩散过程中会在硼扩散面上形成一层硼硅玻璃层；
（3）在硼扩散推进结束后的降温过程中，通入一定流量的氧气对硼硅玻璃层及其与N型硅片的界面进行氧化，直到降温至760℃～840℃；
（4）在氧化后的硼硅玻璃层上沉积一层氮化硅层，氮化硅层的厚度为25-70nm；
（5）将N型硅片的正面进行碱式制绒刻蚀，同时去除硼扩散过程中在正面形成的绕射扩散层，形成良好的正面随机金字塔面；N型硅片背面的硼硅玻璃层和氮化硅层作为硼扩散发射极P+层的保护层，用于防止碱液腐蚀硼发射极；
（6）将N型硅片的背面背靠背进行单面磷扩散，N型硅片的正面为磷扩散N+前表面场层，扩散方阻为50～80Ω/□，硼扩散发射极P+层上的硼硅玻璃和氮化硅层充当扩散掩蔽层；
（7）利用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边结，利用单面化学刻蚀设备去除磷扩散在正面形成的磷硅杂质玻璃层（PSG）；
（8）在硅片的正面沉积氮化硅减反膜，厚度为70-80nm；
（9）在硅片的背面印刷AgAl电极（银铝浆料中含铝质量百分数2％～5％），正面印刷Ag电极，烘干烧结，即可得到N型背结晶硅太阳能电池。
步骤（2）中做单面硼扩散时，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为900～970℃，时间为30～60min，扩散方阻为50～80Ω/□。
步骤（3）的氧化过程中通入氧气的流量为3－16slm，氧化时间为3－40min。
步骤（4）中的沉积温度为400～450℃，沉积的氮化硅层的厚度范围为20-70nm；并且，步骤（4）中的沉积采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法。
步骤（5）中的碱式制绒刻蚀是利用槽式制绒设备进行刻蚀。
步骤（7）中单面化学刻蚀设备为辊式运送化学刻蚀设备，化学刻蚀所用的化学溶液为氢氟酸、硫酸和水的混合溶液。
本发明的有益效果如下：
在电池制备工艺中对硼发射极P+层表面形成的硼硅玻璃层进行氧化处理，降低硅与硼硅玻璃层界面处的B原子的浓度，从而降低界面态的密度，降低了界面复合速率，实现了对硼扩散层的钝化作用，而采用背面抛光的结构，可以进一步提升钝化效果，可以提高电池的开路电压、短路电流和光电转换效率。采用经过氧化处理的硼硅玻璃层和氮化硅层叠层薄膜充当硼发射极的钝化层，此叠层薄膜亦充当后续正面制绒的腐蚀保护层、磷扩散的扩散掩蔽层，可以同时实现硼发射极的钝化、化学刻蚀保护和扩散掩蔽的功能，减少了制程中多次掩膜沉积和掩膜刻蚀的过程。由于N型硅片具有少子寿命长的特点，因此在电池前表面产生的光生载流子也能扩散至后表面处的PN结区被收集，所以采用前表面受光，PN结置于电池背面的结构对背面抗反射特性要求不严格，对硼硅玻璃的厚度要求不苛刻，增大扩散和氧化工艺的波动容忍度。把PN结置于背面，采用背面抛光结构和BSG/SiNx叠层结构作为电池的硼发射极钝化层和扩散掩蔽层可以大大简化工艺，提高了生产效率，降低生产工艺成本，具有积极的现实意义。
附图说明
图1是本发明的电池结构示意图；
其中，附图1标记为：1正面银电极；2正面减反射膜(SiNx)；3磷扩散N+前表面场层；4是N型硅片；5硼扩散发射极P+层；6氧化处理的硼硅玻璃层（BSG）；7是背面SiNx层；8是背面金属AgAl电极。
具体实施方式
实施例1
一种背面结N型晶硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅硅片为衬底，电阻率为1~12W·cm，厚度为170~200mm，将硅片进行清洗，去除表面的损伤层，利用氢氧化钠碱溶液对硅片进行抛光处理，氢氧化钠质量分数为20％；
(2)将上述硅片的正面面贴面地放置进行单面硼扩散，硅片背面为硼扩散发射极P+层，方块电阻为60Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为950度，时间为60min；
(3)在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，直到降温至790℃，氧气的流量为10slm，氧化时间为30min。
(4)在氧化后的硼硅玻璃层上用等离子增强化学气相沉积（PECVD）的方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为30nm；
(5)利用槽式制绒设备对PECVD镀膜后的硅片正面进行碱式制绒，去除硼扩散时正面绕射层并在硅片正面制备出随机金字塔；
(6)把（5）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，形成磷扩散N+前表面场层，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为30－40min，扩散方阻为70Ω/□；
(7)利用等离子体刻蚀或激光划刻的方法去除磷扩散形成的周边结，利用单面化学刻蚀系统去除磷扩散在正面形成的磷硅杂质玻璃层（PSG）；
(8)利用PECVD系统在硅片正面沉积SiNx抗反射层，厚度为75－80nm；
(9)利用丝网印刷设备在硅片背面印刷AgAl浆，正面印刷Ag浆，烧结，制备出N型背结晶体硅电池。
如图1所示，该N型背结晶体硅电池，包括前表面Ag电极、前表面减反射膜、磷扩散N+前表面场层、N型基底、硼扩散发射极P+层、背面钝化复合膜、背面AgAl电极，PN结位于电池背面，电池背面采用抛光结构；背面钝化复合膜包括一层氧化处理的硼硅玻璃层和一层氮化硅层，硼硅玻璃层在硼扩散发射极P+层之上，氮化硅层则沉积在硼硅玻璃层上。
实施例2
一种背面结N型晶硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用N型单晶硅硅片为衬底，电阻率为1~12W·cm，厚度为170~200mm，将硅片进行清洗，去除表面的损伤层，利用氢氧化钾碱溶液对硅片进行抛光处理，氢氧化钾质量浓度为25％；
(2)将上述硅片的正面面贴面地放置进行单面硼扩散，硅片背面为硼扩散发射极P+层，方块电阻为50Ω/□，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为970度，时间为60min；
(3)在硼扩散推进结束后的降温过程中通入一定流量的氧气对硼硅玻璃及其与硅的界面进行氧化，直到降温至760℃，氧气的流量为5slm，氧化时间为40min。
(4)在氧化后的硼硅玻璃层上用等离子增强化学气相沉积（PECVD）的方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为50nm；
(5)利用槽式制绒设备对PECVD镀膜后的硅片正面进行碱式制绒，去除硼扩散时正面绕射层并在硅片正面制备出随机金字塔；
(6)把（5）中的硅片背对背放置于扩散炉中进行磷扩散，形成磷扩散N+前表面场层，扩散温度为790－840℃，沉积与推进时间总共为30－40min，扩散方阻为60Ω/□；
(7)利用等离子体刻蚀或激光划刻的方法去除磷扩散形成的周边结，利用单面化学刻蚀系统去除磷扩散在正面形成的磷硅杂质玻璃层（PSG）；
(8)利用PECVD系统在硅片正面沉积SiNx抗反射层，厚度为70－80nm；
利用丝网印刷设备在硅片背面印刷AgAl浆，正面印刷Ag浆，烧结，制备出背面结N型晶硅电池。

Claims (10)

1.一种N型背结晶体硅电池，包括前表面Ag电极、前表面减反射膜、磷扩散N+前表面场层、N型基底、硼扩散发射极P+层、背面钝化复合膜、背面AgAl电极，其特征在于：PN结位于电池背面，电池背面采用抛光结构；所述背面钝化复合膜包括一层氧化处理的硼硅玻璃层和一层氮化硅层，硼硅玻璃层在硼扩散发射极P+层之上，氮化硅层则沉积在硼硅玻璃层上。
2.根据权利要求1所述的N型背结晶体硅电池，其特征在于：所述硼硅玻璃层的厚度范围为40-110nm。
3.根据权利要求1所述的N型背结晶体硅电池，其特征在于：所述氮化硅层的厚度范围为20-70nm。
4.制备权利要求1-3中任意一项所述的N型背结晶体硅电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将原始的N型硅片进行清洗，去除N型硅片表面的损伤层，利用碱溶液对硅片进行抛光处理；
（2）将步骤（1）处理后的N型硅片的正面面贴面地放置进行单面硼扩散；N型硅片的背面为硼扩散面，形成硼扩散发射极P+层，扩散过程中会在硼扩散面上形成一层硼硅玻璃层；
（3）在硼扩散推进结束后的降温过程中，通入一定流量的氧气对硼硅玻璃层及其与N型硅片的界面进行氧化，直到降温至760℃～840℃；
（4）在氧化后的硼硅玻璃层上沉积一层氮化硅层；
（5）将N型硅片的正面进行碱式制绒刻蚀，同时去除硼扩散过程中在正面形成的绕射扩散层，形成正面随机金字塔面；N型硅片背面的硼硅玻璃层和氮化硅层作为硼扩散发射极P+层的保护层，用于防止碱液腐蚀硼发射极；
（6）将N型硅片的背面背靠背进行单面磷扩散，N型硅片的正面为磷扩散面，扩散方阻为50～80Ω/□，硼扩散发射极P+层上的硼硅玻璃层和氮化硅层充当扩散掩蔽层；
（7）利用等离子体刻蚀或激光刻蚀去除磷扩散形成的周边结，利用单面化学刻蚀设备去除磷扩散在正面形成的磷硅杂质玻璃层；
（8）在硅片的正面沉积氮化硅减反膜，厚度为70-80nm；
（9）在硅片的背面印刷AgAl电极，正面印刷Ag电极，烘干烧结，即可得到N型背结晶硅太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中做单面硼扩散时，采用BBr3液态源扩散，扩散温度为900～970℃，时间为30～60min，扩散方阻为50～80Ω/□。
6.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的氧化过程中通入氧气的流量为3－16slm，氧化时间为3－40min。
7.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的沉积温度为400～450℃，沉积的氮化硅层的厚度范围为20-70nm。
8.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的沉积采用等离子增强化学气相沉积方法。
9.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（5）中的碱式制绒刻蚀是利用槽式制绒设备进行刻蚀。
10.根据权利要求4所述的N型背结晶体硅电池的制备方法，其特征在于：步骤（7）中单面化学刻蚀设备为辊式运送化学刻蚀设备，化学刻蚀所用的化学溶液为氢氟酸、硫酸和水的混合溶液。
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