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CN113611755A - 一种局部钝化接触的ibc电池结构及其制备方法 - Google Patents

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王军
张三洋
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Abstract

本发明公开了一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，包括P型晶体硅基体，其背表面从内到外依次包括隧穿氧化层、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域和背表面开槽处p+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面金属电极；其前表面为金字塔绒面结构，依次为前表面钝化膜和减反射膜；P型晶体硅基体背表面的发射极区域采用隧穿氧化层以及n+掺杂多晶硅钝化层，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化，接受极区域采用局部硼掺杂，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化；本发明能避免正面电极对光线的阻挡，同时能大大降低电池背表面的复合速率，提升了开路电压和短路电流，进一步降低太阳能电池的制造成本。

Description

一种局部钝化接触的IBC电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种局部背钝化接触的IBC太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种能将太阳能转化为电能的半导体器件，较低的度电成本一直是太阳能电池工业追求的目标。目前，业界的主流产品为P型PERC晶硅太阳能电池，并且其效率已经接近该结构的理论水平，进一步提效空间不大。该电池工艺简单，其p+掺杂区域接触电极和n+掺杂区域接触电极分别位于电池片的正反两面。电池的正面为受光面，正面金属接触电极的覆盖必将导致一部分入射的太阳光被金属电极所遮挡反射，造成一部分光学损失。普通晶硅太阳能电池的正面金属电极的覆盖面积在5％左右，减少金属电极的正面覆盖可以直接提高电池的能量转化效率。
背接触电池，是一种将p+掺杂区域和n+掺杂区域均放置在电池背面(非受光面)的电池，该电池的受光面无任何金属电极遮挡，从而有效增加了电池片的短路电流，使电池片的能量转化效率得到提高。
常见的背接触电池的背表面为N型硅衬底、p+和n+型掺杂层，其上一般采用SiNx或SiO2/SiNx作为钝化层，然后使用烧穿型银浆穿透钝化层与硅形成欧姆接触。其中背面金属电极约占背表面面积的5％～8％，这就意味着超过5％面积的硅表面没有被钝化层覆盖，而且这些区域都存在严重的金属复合。
发明内容
为了获得高的开路电压、短路电流和填充因子，我们希望结合TOPCon的选择性钝化接触接触技术和重掺杂金属接触区的方式，开发一种既能让金属电极和硅基体形成良好的接触，保持钝化膜的完整性，又能降低背接触电池的制造成本的新型电池。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，包括P型晶体硅基体，所述P型晶体硅基体的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层、交替排列的背表面n+掺杂多晶硅区域和背表面开槽处p+掺杂区域、背表面钝化膜和背表面金属电极；所述P型晶体硅基体的前表面为金字塔绒面结构，从内到外依次为前表面钝化膜和减反射膜；
其中，所述P型晶体硅基体的前表面是由碱制绒形成的金字塔绒面结构以及前表面钝化减反射膜形成的前表面场钝化；其中，所述前表面钝化减反射膜包括SiO2和/或Al2O3介质膜和SiNx介质膜或SiOxNy，所述SiO2介质膜的厚度为1～5nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiN x介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm。
其中，所述P型晶体硅基体背表面的发射极区域采用隧穿氧化层以及n+掺杂多晶硅钝化层，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化，实现了发射极区域的钝化接触；所述隧穿氧化层(SiO2)厚度为1～3nm，所述n+掺杂多晶硅层厚度为40～200nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiN x介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm。
其中，所述P型晶体硅基体背表面的接受极区域采用局部硼掺杂，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化，实现了接收极区域的低欧姆接触和场钝化效应。所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm。
此结构相比传统TOPCON电池和IBC电池，兼具了它们各自的优点，能避免正面电极对光线的阻挡，同时能大大降低电池背表面的复合速率，提升了开路电压和短路电流；其背面N区和P区金属化可以适用丝网印刷工艺制备电极或者电镀工艺进行，进一步降低太阳能电池的制造成本，成本降低5％以上，电极做在电池背面避免光线的阻挡效率可以提升0.5以上。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为S1后的电池结构截面示意图；
图2为S2后的电池结构截面示意图；
图3为S3后的电池结构截面示意图；
图4为S4后的电池结构截面示意图；
图5为S5后的电池结构截面示意图；
图6为S6后的电池结构截面示意图；
图7为S7后的电池结构截面示意图；
图8为S8后的电池结构截面示意图；
图9为S9后的电池结构截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，包括P型晶体硅基体100，所述P型晶体硅基体100的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层200、交替排列的背表面n+掺杂层300和背表面开槽处p+掺杂区域101、背表面钝化膜503和背表面金属电极；所述P型晶体硅基体100的前表面为金字塔绒面结构，从内到外依次为前表面钝化膜501和减反射膜502；
所述减反射膜502包括SiO2和/或Al2O3介质膜和SiNx介质膜或SiOxNy，所述SiO2介质膜的厚度为1～5nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm；
隧穿氧化层200和n+掺杂层300构成P型晶体硅基体背表面的发射极区，背表面钝化膜503为氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化膜；所述隧穿氧化层200的厚度为1～3nm，所述n+掺杂层300的厚度为40～200nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm；
所述P型晶体硅基体100背表面的接受极区域采用局部硼掺杂，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm。
一种背接触太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、选择P型晶体硅基体100，并对P型晶体硅基体100进行双面抛光处理，去除切割损伤层；P型晶体硅基体100电阻率为0.5～10Ω*cm，厚度为100～250um；完成本步骤后的电池结构如图1所示。
S2、在P型晶体硅基体100背面生长一层隧穿氧化层200和n+掺杂层300，n+掺杂层为掺杂多晶硅或者掺杂非晶硅；隧穿氧化层200的生长方法可以是高温热氧化法、臭氧氧化法、硝酸氧化法或ALD原子层积法等，本示例采用高温热氧化法，将S1完成后的P型晶体硅基体100放入高温炉管，通入氧气，反应温度为550-700℃，反应时间为2-20min，氧气流量为500-5000sccm，生长的隧穿氧化层200的厚度为1-3nm。然后用LPCVD或PECVD设备，在隧穿氧化层上生长n+掺杂层300，其厚度为40-200nm。完成本步骤后的电池结构如图2所示。
S3、在S2处理完后的P型晶体硅基体100背面印刷一层掩膜层400，其图形的线宽200-2000um，线间距100～500um。完成本步骤后的电池结构如图3所示。
S4、对S3处理完后的P型晶体硅基体100背面采用离子注入法注入硼原子，形成p+掺杂区域101；完成本步骤后的电池结构如图4所示。
S5、对S4处理完后的p型晶体硅基体100进行湿法刻蚀，去除非掩膜区域的掺n+掺杂层300和隧穿氧化层200，由掩膜层400边缘的湿化学钻刻形成p+掺杂区域101和n+掺杂层300的绝缘隔离。完成本步骤后的电池结构如图5所示。
S6、对S5处理完成后的P型晶体硅基体100进行湿法清洗，去除掩膜层400，然后放入退火炉进行高温氧化退火。氧化退火处理的峰值温度为800-1050℃，退火时间为20-120min，环境为N2和O2，实现n+掺杂层300的晶化、离子注入p+区域101的退火以及表面形成保护氧化硅层201。完成本步骤后的电池结构如图6所示。
S7、对S6处理完成后的P型晶体硅基体100进行正表面单面制绒形成绒面，并去除保护氧化硅层201,完成本步骤后的电池结构如图7所示。
S8、在S7处理完成后的p型晶体硅基体100的前表面生长正面钝化膜501和正面减反射膜502，正面钝化膜501可以是SiO2、Al2O3、SiOxNy介质膜的一种或多种，正面减反射膜502可以是氮化硅减反射膜，其厚度为50-90nm；在p型晶体硅基体100的背表面生长背表面钝化膜503和背面减反射膜504，背表面钝化膜503可以是SiO2、Al2O3、SiOxNy介质膜的一种或多种，背面减反射膜504可以是氮化硅减反射膜，其厚度为50-120nm。完成本步骤后的电池结构如图8所示。
S9、将S8处理完成后的P型晶体硅基体100的背面n+掺杂区域300使用银浆印刷第一背面电极601并进行烘干，在p+区域101激光开槽区域用铝浆印刷电极第二背面电极602并进行烘干；或者在n+掺杂区域300和p+区域101激光开槽并进行电镀铜金属电极,完成本步骤后的电池结构如图9所示。
S10、将S9处理完成后的P型晶体硅基体100传送至烧结炉进行烧结，采用印刷银和Al电极时烧结峰值温度为800-950℃，采用铜电镀时烧结温度为500-700℃。此时即完成一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池的制备。
本发明制备的局部钝化接触的IBC电池与常规PERC、TOPCON电池的测试参数对比如下表所示，本发明的电池兼具了它们各自的优点，能避免正面电极对光线的阻挡，同时能大大降低电池背表面的复合速率，提升了开路电压和短路电流；其背面N区和P区金属化可以适用丝网印刷工艺制备电极或者电镀工艺进行，进一步降低太阳能电池的制造成本。
采用halm测试仪最优工艺参数制备多片电池片的平均电性能参数如下表所示：
电池类型 NUM/数量 VOC(开路电压)/V ISC(短路电流)/mA FF(填充因子)/％ Eta(电池效率)/％
常规PERC 797 0.689 9.963 81.87 23.08
常规topCON 784 0.708 10.089 82.43 23.82
TBC 788 0.721 10.124 83.14 24.46
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，其特征在于：包括P型晶体硅基体(100)，所述P型晶体硅基体(100)的背表面从内到外依次包括隧穿氧化层(200)、交替排列的背表面n+掺杂层(300)和背表面开槽处p+掺杂区域(101)、背表面钝化膜(503)和背表面金属电极；所述P型晶体硅基体(100)的前表面为金字塔绒面结构，从内到外依次为正面钝化膜(501)和正面减反射膜(502)；
所述正面减反射膜(502)包括SiO2和/或Al2O3介质膜和SiNx介质膜或SiOxNy，所述SiO2介质膜的厚度为1～5nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm；
隧穿氧化层(200)和n+掺层(300)构成P型晶体硅基体背表面的发射极区，背表面钝化膜(503)为氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化膜；所述隧穿氧化层(200)的厚度为1～3nm，所述n+掺层(300)的厚度为40～200nm，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm；
所述P型晶体硅基体(100)背表面的接受极区域采用局部硼掺杂，表面采用氧化铝和氮化硅复合膜或氮氧化硅膜钝化，所述Al2O3介质膜的厚度为2～20nm，所述SiNx介质膜的厚度为40～100nm，所述SiOxNy介质膜厚度为40～100nm。
2.如权利要求1所述的局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，其特征在于：所述P型晶体硅基体的前表面为由碱制绒形成的金字塔绒面结构。
3.如权利要求1所述的局部背面钝化接触的IBC太阳能电池，其特征在于：所述背表面金属电极包括与背表面n+掺杂层(300)欧姆接触的第一背面电极(601)和与背表面开槽处p+掺杂区域(101)欧姆接触的第二背面电极(602)。
4.一种局部背面钝化接触的IBC太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择P型晶体硅基体，进行双面抛光处理，去除切割损伤层；
S2、在P型晶体硅基体背面依次生长一层隧穿氧化层和n+掺杂层，n+掺杂层为掺杂多晶硅或者掺杂非晶硅；n+掺杂层用LPCVD或PECVD设备，在隧穿氧化层上生长，厚度为40-200nm；
S3、在S2处理完后的P型晶体硅基体背面印刷一层掩膜层，其图形的线宽200-2000um，线间距100～500um；
S4、对S3处理完后的P型晶体硅基体背面采用离子注入法注入硼原子，形成p+掺杂区域；
S5、对S4处理完后的p型晶体硅基体进行湿法刻蚀，去除非掩膜区域的掺n+掺杂层和隧穿氧化层，由掩膜层边缘的湿化学钻刻形成p+掺杂区域和n+掺杂层的绝缘隔离；
S6、对S5处理完成后的P型晶体硅基体进行湿法清洗，去除掩膜层，然后放入退火炉进行高温氧化退火，氧化退火处理的峰值温度为800-1050℃，退火时间为20-120min，环境为N2和O2，实现n+掺杂层的晶化、离子注入p+区域的退火以及表面形成保护氧化硅层；
S7、对S6处理完成后的P型晶体硅基体进行正表面单面制绒形成绒面，并去除保护氧化硅层；
S8、在S7处理完成后的p型晶体硅基体的前表面生长正面钝化膜和正面减反射膜；在p型晶体硅基体100的背表面生长背表面钝化膜和背面减反射膜；
S9、将S8处理完成后的P型晶体硅基体的背面n+掺杂区域使用银浆印刷第一背面电极并进行烘干，在p+区域激光开槽区域用铝浆印刷电极第二背面电极并进行烘干；或者在n+掺杂区域和p+区域激光开槽并进行电镀铜金属电极；
S10、将S9处理完成后的P型晶体硅基体传送至烧结炉进行烧结，采用银浆印刷和铝浆印刷电极时烧结峰值温度为800-950℃，采用铜电镀时烧结温度为500-700℃。
5.如权利要求4所述的局部背面钝化接触的IBC太阳能电池的制备方法，其特征在于，S1中P型晶体硅基体100电阻率为0.5～10Ω*cm，厚度为100～250um。
6.如权利要求4所述的局部背面钝化接触的IBC太阳能电池的制备方法，其特征在于，S2中隧穿氧化层的制备方法为将S1完成后的P型晶体硅基体放入高温炉管，通入氧气，反应温度为550-700℃，反应时间为2-20min，氧气流量为500-5000sccm，生长的隧穿氧化层200的厚度为1-3nm。
7.如权利要求4所述的局部背面钝化接触的IBC太阳能电池的制备方法，其特征在于，S8中，正面钝化膜和背表面钝化膜为SiO2、Al2O3和SiOxNy介质膜的一种或多种，正面减反射膜是氮化硅减反射膜，其厚度为50-90nm；背面减反射膜为氮化硅减反射膜，其厚度为50-120nm。
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