CN111009590A - 一种hjt太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种HJT太阳电池及其制备方法，包括N型单晶硅片表面处理、双面沉积非晶硅层及TCO透明导电玻璃、制作电极和烧结固化，其特征在于：在TCO透明导电玻璃表面通过激光转印法制备上电极和下电极，包括步骤：将完成TCO透明导电玻璃沉积的硅片半成品载入自加热的承载台上；在承载台及硅片半成品上方成型转印衬底，将金属导电材料采用涂覆法制备在转印衬底表面，并利用激光器扫描转印至被加热的硅片半成品上。应用本发明的制备工艺，实现了非接触式的电极制备，降低了硅片的隐裂和碎片率；并且有利于优化电极的规格尺寸，增加光吸收且提高电池效率，同时改善了硅片的洁净度，消除了污染源，适于规模化生产的应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池生产制造领域，尤其涉及一种HJT太阳电池的制备方法改良及其优化工艺成型的HJT太阳电池结构。
背景技术
当前太阳能电池发展的主要目标是降低成本，提升光电转换效率，早日实现平价上网发电。HJT太阳能电池具有高效率、工艺简单、抗PID、低温度系数、高发电量、低光衰等特性，提高了光伏组件的可靠性和稳定性。需要说明的是，后文所述HJT太阳电池、HJT电池仅为简化表述，实际含义均与HJT太阳能电池相同。另外HJT电池是对称结构，双面均可发电，双面率达90%以上；较之于单面太阳电池，可以多输出至少30-40%的电力，因此HJT电池被视为下一代太阳电池主流产品。
目前HJT电池的制备生产成本较高，其中硅片和浆料占整个制造成本的50%以上。硅片厚度逐渐降低虽然可以降低制造成本，但是也为该种电池的生产制造提出了新的高难度要求。当前，制备HJT太阳能电池的电极主要方法有两种：一种是丝网印刷的方式；二是电镀方式；且制备电极时均与硅片接触。HJT电池所用硅片厚度一般在120μm~150μm，而且未来为了满足进一步降低成本及制作柔性组件以扩大应用市场要求，硅片厚度会越来越薄。而采用丝网印刷过程中，由于与硅片接触会对硅片产生一定的压力，不可避免地会造成硅片隐裂或碎片，影响电池片的合格率，无形中增大了制造成本，而且印刷的电极宽度较宽，遮光面积较大，导致电池片光吸收能力和吸收量的同比降低，进而影响电池片转换效率；另一种采用电镀的方式制备电极，需要先在硅片表面形成一层掩膜，然后用电镀方式制备电极，而且后期需要通过化学品去除掩膜，所产生废液需要针对性进行处理，整个制备电极工艺流程复杂，而且对环境不友好。
显见，这两种制备电极方法及其制造过程不符合光伏行业平价上网的发展趋势，因此针对HJT电池目前存在的问题，需要对太阳电池制备中电极制作研发更加可靠、性能优异，尤其是能将硅片发生隐裂或碎片的风险显著下降的改良制程。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的旨在提出一种HJT太阳电池及其制备方法，解决太阳电池薄片化发展趋势下生产过程中硅片易于崩裂破碎、成本浪费严重的问题。
本发明实现上述目的的一个技术解决方案是，一种HJT太阳电池，自一侧面至另一侧面的分层结构包括上电极、TCO透明导电玻璃、P型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅片、本征非晶硅层、N型非晶硅层、TCO透明导电玻璃、下电极，其中N型单晶硅片的厚度为150μm以下，其特征在于：所述上电极和下电极均为非接触式激光转印于TCO透明导电玻璃之上的成型电极。
上述HJT太阳电池，进一步地，所述激光转印中转印图形的主栅线宽度为0.1mm～1.5mm，主栅线数目为4～10，且正面、背面的副栅线宽度为10μm～40μm，副栅线数目为100～150。
本发明实现上述目的的另一个技术解决方案是，一种HJT太阳电池的制备方法，包括N型单晶硅片表面处理、双面沉积非晶硅层及TCO透明导电玻璃、制作电极和烧结固化，其特征在于：在TCO透明导电玻璃表面通过激光转印法制备上电极和下电极，包括步骤：将完成TCO透明导电玻璃沉积的硅片半成品载入自加热的承载台上；在承载台及硅片半成品上方成型转印衬底，将金属导电材料采用涂覆法制备在转印衬底表面，并利用激光器扫描转印至被加热的硅片半成品上。
上述HJT太阳电池的制备方法，进一步地，所述激光器用于扫描转印所射出的激光线直径介于10μm～20μm，且激光脉冲介于5ns～20ns。
上述HJT太阳电池的制备方法，进一步地，所述转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～50μm。
上述HJT太阳电池的制备方法，进一步地，所述非晶硅层采用等离子体增强化学气相沉积法进行沉积，且工艺参数范围包括：硅烷流量300～500sccm，硼烷流量500～1500sccm，氢气流量800～2000sccm，功率密度200W/m2～1000W/m2，温度150～250℃、压力0.5Mbar～3Mbar。
上述HJT太阳电池的制备方法，进一步地，所述N型单晶硅片的厚度为130μm，TCO透明导电玻璃的厚度为110nm，利用激光器扫描转印的工艺参数为激光脉冲10ns～20ns，激光线直径介于15μm～20μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～40μm，激光转印中转印图形的主栅线宽度为1mm，主栅线数目为4，且正面、背面的副栅线宽度为30μm，副栅线数目为108。
上述HJT太阳电池的制备方法，进一步地，所述N型单晶硅片的厚度为100μm，TCO透明导电玻璃的厚度为80nm，利用激光器扫描转印的工艺参数为激光脉冲5ns～10ns，激光线直径介于10μm～15μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于30μm～50μm，激光转印中转印图形的主栅线宽度为0.8mm，主栅线数目为5，且正面、背面的副栅线宽度为15μm，副栅线数目为128。
应用本发明HJT太阳电池制备方法的优化改良，具备突出的实质性特点和显著的进步性：该方法实现了非接触式的电极制备，降低了硅片的隐裂和碎片率；并且有利于优化电极的规格尺寸，增加光吸收且提高电池效率，同时改善了硅片的洁净度，消除了污染源，适于规模化生产的应用。
附图说明
图1是本发明HJT太阳电池的分层结构示意图。
图2是本发明HJT太阳电池制备过程中制作电极的状态示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
随着太阳能电池应用的不断拓展、深入，作为太阳能电池生产制造的长期从业者，本发明设计者针对太阳电池制备中普遍或只能通过丝网印刷、电镀方式在硅片表面制作电极的工艺现状，并且综合分析现有该些电极制作工艺中存在的多方面缺点，非但无法在原有技术基础上改良，而且还会成为太阳能电池薄片化发展趋势的挚肘。考虑跳脱传统电极制作的固有思路和习惯做法，创造性地提出了一种HJT太阳电池的制备方法，以达到制作电极过程中不与硅片半成品发生接触，杜绝对硅片的外力施压，降低生产过程中的报废损耗成本。
首先，本发明HJT太阳电池的结构来看，自一侧面至另一侧面的分层结构包括上电极48、TCO透明导电玻璃44、P型非晶硅层43、本征非晶硅层42、N型单晶硅片41、本征非晶硅层45、N型非晶硅层46、TCO透明导电玻璃47、下电极9，其中N型单晶硅片41的厚度约为120μm～150μm，当然随着太阳电池的薄片化发展趋势，该厚度仍将减小。虽然主体结构上与当前市场主流的HJT太阳电池基本一致，而作为创新区别的是，该上电极48和下电极49均为非接触式激光转印于TCO透明导电玻璃之上的成型电极，即在制作电极并完全成型前作为电极的材料相对于硅片半成品是不相接触的，且电极的制作形状和尺寸规格基于激光转印具备了较高的可调整性。其中该激光转印中转印图形的主栅线宽度为0.1mm～1.5mm，主栅线数目为4～10，且正面、背面的副栅线宽度为10μm～40μm，副栅线数目为100～150。籍此，该HJT太阳电池的成型效果更利于太阳电池成品的光吸收转化的效率。
其次，本发明实现上述主要目的制备方法的概述步骤是：包括N型单晶硅片表面处理、双面沉积非晶硅层及TCO透明导电玻璃、制作电极和烧结固化，作为技术改进的重点，在TCO透明导电玻璃表面通过激光转印法制备上电极和下电极。由此采用激光转印技术制作上、下电极，制作过程中无需与硅片半成品接触，大幅度降低太阳电池制作电极过程中的碎片率以及满足未来硅片薄片化发展趋势，同时可以精确控制电极的宽度和高度，减少电极的遮光面积，从而提高电池的转化效率。
结合现有和改良的制备方法完整步骤来看，包括：a)、N型单晶硅片经过表面织构，形成金字塔状，降低表面反射，并且进行表面清洁去除杂质和金属离子。b)、采用气相沉积方法制备上下表面的本征非晶硅层，厚度为5nm~20nm。c)、在下表面的本征非晶硅层上利用气相沉积法制备一层n型非晶硅层，厚度为5nm~20nm。d)、同样地，在上表面的本征非晶硅层上利用气相沉积法制备一层p型非晶硅层，厚度为5nm~15nm。e)、采用磁控溅射方法在非晶硅层表面沉积TCO透明导电玻璃，厚度为60nm-120nm。f)、通过激光转印系统进行制备HJT太阳电池的上、下电极，如图2所示的状态示意图可见，该激光转印系统的构成包括激光器1、带有加热功能的硅片承载台6、转印衬底5和待转印的金属导电复合材料3。具体制备过程为将硅片半成品承放在上述硅片承载台中，在承载台6及硅片半成品4上方成型转印衬底，将金属导电材料3采用涂覆法制备在转印衬底表面，并利用激光器1产生高能量的线形光束或者高斯光束2将转印衬底表面待转印的金属导电复合材料扫描转印；经过激光光束照射，金属导电材料与转印衬底脱落，最后金属导电材料被转印至已加热具备一定温度的硅片半成品上。反面工艺亦然。其中转印材料为满足透光性、耐高温、耐腐蚀且化学性质稳定的材料，金属导电材料相对硅片半成品隔空设置，转印图形的主栅线宽度为0.1mm～1.5mm，主栅线数目为4～10，且正面、背面的副栅线宽度为10μm～40μm，副栅线数目为100～150。g)最后低温烧结固化在硅片上形成的上、下电极，形成完整的HJT太阳电池。
上述HJT太阳电池的制备方法中，激光器用于扫描转印所射出的激光线直径介于10μm～20μm，且激光脉冲介于5ns～20ns；而转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～50μm。
特别地，上述非晶硅层采用等离子体增强化学气相沉积法进行沉积，且为了达到更好的沉积效果，优选的工艺参数范围包括：硅烷流量300～500sccm，硼烷流量500～1500sccm，氢气流量800～2000sccm，功率密度200W/m2～1000W/m2，温度150～250℃、压力0.5Mbar～3Mbar。
以下从更具体、实际的生产制程实例来理解本发明技术方案的创新性。
实施例一、完整的制造过程包括：采用碱溶液腐蚀厚度为130μm的N型单晶硅片，使其表面形成金字塔状，同时对表面清洁去除杂质和金属离子，工艺温度60～80℃，腐蚀时间为10min～20min；采用等离子体增强化学气相沉积法在N型单晶硅片的上下表面分别依次制备本征非晶硅层和N/P非晶硅层，各层厚度均在5nm~20nm的范围内任意设定，其中P型非晶硅层的厚度介于5nm~15nm；采用磁控溅射方法分别沉积上、下表面的TCO透明导电玻璃，厚度为60nm-120nm的范围内任意设定，本例选定位110nm；通过激光转印系统进行制备HJT电池上下电极，激光脉冲：10ns～20ns，激光线直径介于15μm～20μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～40μm，所述转印图形中的主栅线宽度为1mm，主栅线数目为4，且正面、背面的副栅线宽度为30μm，副栅线数目为108；最后低温烧结固化在硅片上形成的上电极和下电极，形成完整的HJT电池。
实施例二、完整的制造过程包括：采用碱溶液腐蚀厚度为100μm的N型单晶硅片，使其表面形成金字塔状，同时对表面清洁去除杂质和金属离子，工艺温度60～80℃，腐蚀时间为10min～20min；采用等离子体增强化学气相沉积法在N型单晶硅片的上下表面分别依次制备本征非晶硅层和N/P非晶硅层，各层厚度均在5nm~20nm的范围内任意设定，其中P型非晶硅层的厚度介于5nm~15nm；采用磁控溅射方法分别沉积上、下表面的TCO透明导电玻璃，厚度为60nm-120nm的范围内任意设定，本例选定位80nm；通过激光转印系统进行制备HJT电池上下电极，激光脉冲：5ns～10ns，激光线直径介于10μm～15μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于30μm～50μm，所述转印图形中的主栅线宽度为0.8mm，主栅线数目为5，且正面、背面的副栅线宽度为15μm，副栅线数目为128；最后低温烧结固化在硅片上形成的上电极和下电极，形成完整的HJT电池。
应用本发明HJT太阳电池制备方法的优化改良，具备突出的实质性特点和显著的进步性，逐条描述如下：
1）、与常规丝网印刷技术相比，采用激光转印制备HJT太阳电池是一种非接触式制备电极方法，可以适用于不同厚度硅片制备电极，大幅度降低硅片的隐裂和碎片率，提高生产合格率，满足未来光伏行业降本的发展趋势。
2）、与接触式的丝网印刷相比，非接触式制备电极方法过程中不会与硅片直接接触，可以减少杂质和污染源，改善硅片的洁净度，从而提高电池的合格率和转换效率。
3）、采用激光转印技术，可以通过调整激光技术参数和转印衬底材料和厚度等工艺参数精确控制电极形状，例如宽度和高度；可以减少电极的遮光面积，增加光吸收从而提高电池效率。
4）、由于激光转印技术精确控制电极形状，可以有效利用金属导电转印材料，提高转印材料的利用率的同时也降低了制作成本；
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种HJT太阳电池，自一侧面至另一侧面的分层结构包括上电极、TCO透明导电玻璃、P型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅片、本征非晶硅层、N型非晶硅层、TCO透明导电玻璃、下电极，其中N型单晶硅片的厚度为150μm以下，其特征在于：所述上电极和下电极均为非接触式激光转印于TCO透明导电玻璃之上的成型电极。
2.根据权利要求1所述HJT太阳电池，其特征在于：所述激光转印中转印图形的主栅线宽度为0.1mm～1.5mm，主栅线数目为4～10，且正面、背面的副栅线宽度为10μm～40μm，副栅线数目为100～150。
3.一种HJT太阳电池的制备方法，包括N型单晶硅片表面处理、双面沉积非晶硅层及TCO透明导电玻璃、制作电极和烧结固化，其特征在于：在TCO透明导电玻璃表面通过激光转印法制备上电极和下电极，包括步骤：将完成TCO透明导电玻璃沉积的硅片半成品载入自加热的承载台上；在承载台及硅片半成品上方成型转印衬底，将金属导电材料采用涂覆法制备在转印衬底表面，并利用激光器扫描转印至被加热的硅片半成品上。
4.根据权利要求3所述HJT太阳电池的制备方法，其特征在于：所述激光器用于扫描转印所射出的激光线直径介于10μm～20μm，且激光脉冲介于5ns～20ns。
5.根据权利要求3所述HJT太阳电池的制备方法，其特征在于：所述转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～50μm。
6.根据权利要求3所述HJT太阳电池的制备方法，其特征在于：所述非晶硅层采用等离子体增强化学气相沉积法进行沉积，且工艺参数范围包括：硅烷流量300～500sccm，硼烷流量500～1500sccm，氢气流量800～2000sccm，功率密度200W/m2～1000W/m2，温度150～250℃、压力0.5Mbar～3Mbar。
7.根据权利要求3所述HJT太阳电池的制备方法，其特征在于：所述N型单晶硅片的厚度为130μm，TCO透明导电玻璃的厚度为110nm，利用激光器扫描转印的工艺参数为激光脉冲10ns～20ns，激光线直径介于15μm～20μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于20μm～40μm，激光转印中转印图形的主栅线宽度为1mm，主栅线数目为4，且正面、背面的副栅线宽度为30μm，副栅线数目为108。
8.根据权利要求3所述HJT太阳电池的制备方法，其特征在于：所述N型单晶硅片的厚度为100μm，TCO透明导电玻璃的厚度为80nm，利用激光器扫描转印的工艺参数为激光脉冲5ns～10ns，激光线直径介于10μm～15μm，转印衬底表面距离硅片半成品的距离介于30μm～50μm，激光转印中转印图形的主栅线宽度为0.8mm，主栅线数目为5，且正面、背面的副栅线宽度为15μm，副栅线数目为128。
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