CN114497246A - 一种p型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：硅片预清洗；PSG氧化层沉积及高温处理；去除表面的PSG/USG氧化层，用碱液去损伤和制绒，并清洗；PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层；PVD磁控溅射制备透明导电膜；表面形成金属栅线。本发明把P型掺杂的薄膜层前置，可以降低对硅片品质的敏感性，为了消除原有P型非晶硅的缺点，用含氧型P型微晶代替传统P行非晶硅膜层，同时增大能带带隙和提高导电性，传统上成本较低的铸锭单晶方式也可以导入异质结的规模量产，对异质结的持续降本非常有利，同时现有的多晶炉可以经简单改造，形成有效产能，减少设备的投资浪费。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法。
背景技术
现有的异质结光伏电池技术是在单晶硅片的正反表面沉积本征型非晶硅，然后在入光面镀P型掺杂非晶硅膜层，背面镀N型掺杂非晶硅膜层。最后双面ITO镀膜及银浆印刷形成金属栅线电极。由于P型非晶硅膜层的电导和透光性较差，2006年Sanyo采用了N型掺杂面朝前的技术方案，并递交相关专利。以上异质结电池片技术采用N型掺杂单晶硅片，且对硅片的单晶品质要求极高，要求本征少子寿命至少3毫秒以上。HIT异质结技术对少子寿命的要求高于PERC或TopCon技术，其中N面朝前的HIT对单晶品质和少子寿命的要求还要高于P面朝前的HIT电池。对硅片品质的严苛要求导致了硅片成本居高不下，难以形成HIT针对PERC的完全技术更替或升级。
采用HIT量产技术的方案对硅片品质要求太高，难以普及推广。如果采用较低品质单晶硅片或铸锭单晶，载流子的平均自由程较短，难以及时从两端电极导出形成最大化光电流，表现为短路电流或填充因子较低。
铸锭单晶硅片采用传统多晶炉铸造，在炉子底部铺上品质较高的单晶籽晶，引导多晶料的有序晶向生长。相对于传统的多晶生长技术，片内单一单晶的占比较高，体少子寿命明显高于传统多晶(<100微秒)，但是仍然低于主流的直拉法生长得到的CZ单晶硅片(>2毫秒)，总体性能在两者之间，传统上铸锭单晶硅片不适于高转化效率的电池技术，例如异质结 (HIT/HJT/HDT)和TopCon技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种P型掺杂的薄膜层前置，降低对硅片品质的敏感性，为了消除原有P型非晶硅的缺点，用含氧型P型微晶代替传统P行非晶硅膜层，同时增大能带带隙和提高导电性的P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
硅片预清洗；
PSG氧化层沉积及高温处理；
去除表面的PSG/USG氧化层，用碱液去损伤和制绒，并清洗；
PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层；
PVD磁控溅射制备透明导电膜；
表面形成金属栅线。
进一步的，所述硅片预清洗采用槽式溶液清洁，除去表面的有机污染和大型颗粒。
进一步的，所述PSG氧化层沉积及高温处理为硅片干燥后，导入PSG 高温扩散炉，载体是石英舟或SiC舟，处理温度在700-1000摄氏度之间， PSG钝化工艺需要首先形成一层PSG氧化层，PSG氧化层包括部分USG 薄膜，总厚度在20埃-600埃之间，形成PSG膜层之后，施加一个高温退火和磷扩散的过程，包括升温、恒温和降温段，整体高温扩散炉的工艺时间在0.5小时-5小时之间。
进一步的，所述去除表面的PSG/USG氧化层，铸锭单晶硅片经过氢氟酸或BOE溶液处理，用碱液去损伤和制绒，形成粗糙化的陷光结构，再经历RCA清洁，最后HF溶液去表面氧化层，去离子水清洁及表面干燥去水。
进一步的，所述PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层为在硅片背面依次镀背面本征型非晶硅层、N型掺杂非晶硅层，硅片正面依次镀正面本征型非晶硅层、P型掺杂非晶硅层，本征型非晶硅层的工艺气体包含硅烷 (SiH4)、氢气(H2)、CO2和CH4的全部或几种组合，制备N型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2和磷烷(PH3)，制备P型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2、CO2、CH4、乙硼烷(B2H6)、TMB的全部或几种组合。
进一步的，所述P型掺杂非晶硅层为含氧型微晶μc-SiOx:H或者非晶态的碳化硅a-SiC，含氧型微晶μc-SiOx:H(P)的成膜速度控制在0.2-1.5 埃/秒，含氧型微晶μc-SiOx:H(P)在制绒面上的厚度为40-200埃。
进一步的，所述PVD磁控溅射制备透明导电膜，透明导电膜包含氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓掺杂的氧化铟薄膜，其中氧化铟(In2O3)是主体材料，按重量比占比90％以上，掺杂材料至少含有氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓的一种，按重量占比0-10％。
进一步的，所述表面形成金属栅线采用丝网印刷的方式，转移金属栅线图形到电池片表面，与异质结工艺配合的金属浆料是低温银浆，退火温度在170-220摄氏度之间，所形成的电池片表面形成一系列平行金属细栅线，宽度在20-70微米，高度在3-40微米。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、发明经过钝化处理的铸锭单晶的体少子寿命典型值接近2毫秒，针对铸锭单晶和异质结电池技术相结合的方式，电性较为稳定，分布几种，有利于控制电性良率和可生产性，电池结构优化，可以适应异质结电池技术的量产需求，发电效率显著优于现在主流的单晶PERC量产水平；
2、本发明把P型掺杂的薄膜层前置，可以降低对硅片品质的敏感性，为了消除原有P型非晶硅的缺点，用含氧型P型微晶代替传统P行非晶硅膜层，同时增大能带带隙和提高导电性，传统上成本较低的铸锭单晶方式也可以导入异质结的规模量产，对异质结的持续降本非常有利，同时现有的多晶炉可以经简单改造，形成有效产能，减少设备的投资浪费。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法的流程图；
图2为本发明形成金属栅线之前的异质结光伏电池结构截面图；
图3为本发明形成金属栅线之后的异质结光伏电池截面图；
图4为本发明异质结光伏电池电性和硅片体少子寿命的关系对比图；
图5为本发明透明导电膜层对所述异质结电池的影响曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
铸锭单晶硅片采用传统多晶炉铸造，在炉子底部铺上品质较高的单晶籽晶，引导多晶料的有序晶向生长。相对于传统的多晶生长技术，片内单一单晶的占比较高，体少子寿命明显高于传统多晶(<100微秒)，但是仍然低于主流的直拉法生长得到的CZ单晶硅片(>2毫秒)，总体性能在两者之间。传统上铸锭单晶硅片不适于高转化效率的电池技术，例如异质结 (HIT/HJT/HDT)和TopCon技术。采用所述发明，铸锭单晶的体少子寿命典型值接近2毫秒，经过本发明所述的电池结构优化，可以适应异质结电池技术的量产需求，发电效率显著优于现在主流的单晶PERC量产水平。
铸锭单晶晶锭经过金刚线或砂浆切割，形成厚度为130-250微米的硅片。虽然铸锭单晶的单晶比例较高，但是电池内部仍有较大比例的多晶晶界和晶格缺陷。参见图1的所述发明的工艺流程，在导入异质结生产工艺之前，需要经过2步预处理以达到最佳的晶界(grainboundary)钝化效果。
一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S01、硅片预清洗；采用槽式溶液清洁，除去表面的有机污染和大型颗粒。
S02、PSG氧化层沉积及高温处理；硅片干燥后，导入PSG高温扩散炉，载体是石英舟或SiC舟，处理温度在700-1000摄氏度之间，PSG钝化工艺需要首先形成一层PSG氧化层，PSG氧化层包括部分USG薄膜，总厚度在20埃-600埃之间，形成PSG膜层之后，施加一个高温退火和磷扩散的过程，包括升温、恒温和降温段，整体高温扩散炉的工艺时间在0.5小时-5小时之间。
S03、去除表面的PSG/USG氧化层，用碱液去损伤和制绒，并清洗；铸锭单晶硅片经过氢氟酸或BOE溶液处理，用碱液去损伤和制绒，形成粗糙化的陷光结构，再经历RCA清洁，最后HF溶液去表面氧化层，去离子水清洁及表面干燥去水。
S04、PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层；PECVD设备电源采用13.56MHz、26MHz或40MHz，优选地采用13.56MHz，如图2所示，在硅片10背面依次镀背面本征型非晶硅层25、N型掺杂非晶硅层26，硅片 10正面依次镀正面本征型非晶硅层21、P型掺杂非晶硅层22，本征型非晶硅层的工艺气体包含硅烷(SiH4)、氢气(H2)、CO2和CH4的全部或几种组合，制备N型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2和磷烷(PH3)，制备P型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2、CO2、CH4、乙硼烷(B2H6)、 TMB的全部或几种组合；所述P型掺杂非晶硅层为含氧型微晶μc-SiOx:H 或者非晶态的碳化硅a-SiC，含氧型微晶μc-SiOx:H(P)的成膜速度控制在 0.2-1.5埃/秒，含氧型微晶μc-SiOx:H(P)在制绒面上的厚度为40-200埃。
S05、PVD磁控溅射制备透明导电膜；如图2中的31和35，透明导电膜包含氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓掺杂的氧化铟薄膜，其中氧化铟 (In2O3)是主体材料，按重量比占比90％以上，掺杂材料至少含有氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓的一种，按重量占比0-10％，PVD采用的靶材也可以是纯氧化铟，然后在工艺其中总导入H2或水蒸气，形成掺杂的In2O3:H薄膜。如图5所示，上图为与P型掺杂层接触的透明导电膜(TCO)功函数对所述异质结电池电性的影响。根据器件模拟结果，前表面功函数结合硅片的体少子寿命对电池转化效率有显著影响，下图为假设TCO采用以氧化铟(In2O3)为主体材料，可以通过调节该膜层的有效掺杂改变功函数；P 型掺杂层前置的电池设计需要较薄的宽带隙P型窗口层以降低光学吸收和加强正面钝化效果。相应地，需要高逸出功功函数(WF)TCO作为接触层来降低接触电阻。征对以氧化铟为主体的TCO材料，可以通过调节有效掺杂来调节TCO材料的费米面位置(或功函数)。降低有效掺杂，在降低P面接触电阻的同时可以降低TCO材料的红外吸收，有利于提升FF和Isc,从而提高转化效率。
S06、表面形成金属栅线；如图3所示，在PVD工艺之后施加金属栅线，采用丝网印刷的方式，转移金属栅线图形到电池片表面。与异质结工艺配合的金属浆料是低温银浆，退火温度在150-220摄氏度之间，优选地在 180-200摄氏度范围。所形成的电池片表面形成一系列平行金属细栅线，如图3中的41和45，宽度在20-70微米，高度在3-40微米。为了形成和焊带的有效电接触，还有一系列垂直于细栅线的主栅线和一定数目的焊盘。电池和组件的设计还可以采用无主栅方式(SMARTWIRE技术)，表面只有一系列平行金属细栅线。
采用本发明的铸锭单晶硅片，体少子寿命相对直拉单晶仍旧较低，载流子在硅片的迁移范围受限，会影响Isc和FF。为解决这个问题及征对正面TCO导电性较低的技术方案，细栅线的间距(如图3中的L)需要调整为1.4-2.1毫米，优选地在1.6-1.8毫米范围。
采用本发明所述的技术方案，如图4所示，根据器件模拟结果，所述发明(P型掺杂面入光电池结构)相对于对比项(N型掺杂面入光电池结构) 对硅片体少子寿命要求较低，针对于铸锭单晶硅片体少子寿命较低且不稳定，相对于对比项(N面入光和N型掺杂层前置)的方案，Isc和FF都相对稳定。由于经过钝化处理的铸锭单晶的有效体少子寿命接近2毫秒，针对铸锭单晶和异质结电池技术相结合的方式，采用本发明方案，电性较为稳定，分布集中，有利于控制电性良率和可生产性。
采用本发明技术，可以降低对硅片品质的敏感性。传统上成本较低的铸锭单晶方式也可以导入异质结的规模量产，对异质结的持续降本非常有利。同时现有的多晶炉可以经简单改造，形成有效产能，减少设备的投资浪费。
实施例1
本发明中的含氧型P型微晶可以被非晶态的碳化硅(a-SiC)所代替，与含氧型P型微晶相同，a-SiC同样也是宽带隙半导体材料，非晶态的碳化硅的PECVD生产工艺气体包含SiH4、H2、CH4、B2H6或TMB(P型掺杂气体)。
实施例2
本发明中P面和硅片接触的本征型氢化非晶硅(a-SiC:H)层，可以被掺氧(O)或掺碳(C)的本征型非晶硅代替，氧掺杂或碳掺杂可以提升本征型非晶硅的能带带隙，有利于钝化，氧掺杂的通用气体是CO2，碳掺杂的通用气体是CH4。
实施例3
在本发明中采用的金属栅线，除了低温退火银浆的丝网印刷方案之外，还可以采用铜电镀的方式形成。在铜电镀工艺形成金属栅线之后，表面采用含银或锡的表面覆盖层，减少铜的氧化，保证可焊接性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
硅片预清洗；
PSG氧化层沉积及高温处理；
去除表面的PSG/USG氧化层，用碱液去损伤和制绒，并清洗；
PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层；
PVD磁控溅射制备透明导电膜；
表面形成金属栅线。
2.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述硅片预清洗采用槽式溶液清洁，除去表面的有机污染和大型颗粒。
3.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述PSG氧化层沉积及高温处理为硅片干燥后，导入PSG高温扩散炉，载体是石英舟或SiC舟，处理温度在700-1000摄氏度之间，PSG钝化工艺需要首先形成一层PSG氧化层，PSG氧化层包括部分USG薄膜，总厚度在20埃-600埃之间，形成PSG膜层之后，施加一个高温退火和磷扩散的过程，包括升温、恒温和降温段，整体高温扩散炉的工艺时间在0.5小时-5小时之间。
4.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述去除表面的PSG/USG氧化层，铸锭单晶硅片经过氢氟酸或BOE溶液处理，用碱液去损伤和制绒，形成粗糙化的陷光结构，再经历RCA清洁，最后HF溶液去表面氧化层，去离子水清洁及表面干燥去水。
5.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述PECVD镀膜制备表面钝化膜层和掺杂膜层为在硅片背面依次镀背面本征型非晶硅层、N型掺杂非晶硅层，硅片正面依次镀正面本征型非晶硅层、P型掺杂非晶硅层，本征型非晶硅层的工艺气体包含硅烷、氢气、CO2和CH4的全部或几种组合，制备N型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2和磷烷，制备P型掺杂非晶硅层的工艺气体包含SiH4、H2、CO2、CH4、乙硼烷、TMB的全部或几种组合。
6.根据权利要求5所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述P型掺杂非晶硅层为含氧型微晶μc-SiOx:H或者非晶态的碳化硅a-SiC，含氧型微晶μc-SiOx:H的成膜速度控制在0.2-1.5埃/秒，含氧型微晶μc-SiOx:H在制绒面上的厚度为40-200埃。
7.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述PVD磁控溅射制备透明导电膜，透明导电膜包含氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓掺杂的氧化铟薄膜，其中氧化铟是主体材料，按重量比占比90％以上，掺杂材料至少含有氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓的一种，按重量占比0-10％。
8.根据权利要求1所述一种P型掺杂层朝前的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述表面形成金属栅线采用丝网印刷的方式，转移金属栅线图形到电池片表面，与异质结工艺配合的金属浆料是低温银浆，退火温度在170-220摄氏度之间，所形成的电池片表面形成一系列平行金属细栅线，宽度在20-70微米，高度在3-40微米。
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| KR20170073902A (ko) * | 2015-12-21 | 2017-06-29 | 성균관대학교산학협력단 | 미세 결정 실리콘 산화물을 이용한 이종접합 태양전지 |
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