CN120358825A - 一种tbc电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种TBC电池以及制备方法，包括：先对n型单晶硅片进行切割损伤层去除、抛光及清洗等预处理，接着依次生长隧穿氧化层(SiO₂)层和本征非晶硅，然后对硅片背面进行离子注入与退火，在背面的p区实现镓(Ga)掺杂多晶硅钝化，结合激光诱导熔融后快速冷却的方法，实现Ga对于多晶硅(poly‑Si)的非平衡掺杂，大幅提高Ga在poly‑Si中的掺杂浓度，大幅改善了p区的钝化接触性能，进而提高TBC电池的性能。

Description

一种TBC电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及晶硅太阳电池技术领域，具体而言，涉及一种TBC电池及其制备方法。

背景技术

TBC电池是背接触结构晶体硅太阳电池，它用硼掺杂和磷掺杂的poly-Si分别作为发射极和背表面场(Back Surface Field,BSF)，是在poly-Si与c-Si基底之间沉积一层隧穿氧化层的太阳电池，增加载流子的选择性，降低少数载流子的复合，提升电池的开路电压。该电池的受光面无任何金属栅线遮挡，即受光面无电极，使入射在电池表面的光能够更大程度上被利用。同时背面(非受光面)可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子，加上电池前表面场以及优良钝化作用带来的开路电压增益，从而提高电池转换效率。

现有的对于n型c-Si基底的TBC电池的p区poly-Si的制备一般采用均匀发射极，但是目前而言，相比于SiO₂/n⁺poly-Si对称结构能够在n-Si轻松获得730mV的iV_OC，类似结构的SiO₂/p⁺poly-Si的iV_OC仅为约710mV，其钝化性能大大地限制了TBC电池的整体钝化性能。文献报道证明，B元素在SiO₂/c-Si界面上会发生分离，增加了界面态缺陷密度。

因此有必要设计一种TBC电池的制备方法，用以解决现有技术的硅片预处理效果不佳、功能层沉积与掺杂精度不足等问题，通过优化工艺步骤和精准控制参数，有效提升电池的光电转换效率，降低生产成本，增强产品在市场中的竞争力。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种TBC电池的制备方法，旨在解决如何通过精确且高效的手段，解决传统硼掺杂poly-Si钝化性能有限、Ga掺杂浓度有限以及掺杂控制精度差的问题。

一个方面，本发明提出了一种TBC电池的制备方法，包括：

步骤1，将n型单晶硅片作为晶硅衬底，并利用碱溶液去除硅表面切割损伤层；

步骤2，利用KOH溶液对步骤1得到的硅片进行抛光，并进行标准RCA清洗，得到预处理硅片；

步骤3，将所述预处理硅片置入LPCVD或PECVD炉中进行生长SiO₂层和本征非晶硅；

步骤4，在步骤3中得到的硅片的背面p区采用10keV能量离子注入Ga，并将样品在氮气气氛下进行退火处理，退火温度为880～950℃；

步骤5，通过准分子激光器对步骤4中得到的硅片p区进行激光消融，激光处理完成后放置空气中冷却，处理后的p区的掺杂浓度为1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3；

步骤6，在步骤5中得到的硅片的背面利用HF溶液清洗后通过PECVD在背面重新沉积掩膜，并通过激光烧蚀的方法将背面n区的掩膜去除，n区的宽度为100～300μm，利用PECVD设备沉积P掺杂的非晶硅，主要通入硅烷、磷烷和氢气，对n非晶硅进行高温退火形成n多晶硅，P掺杂浓度为1×10²⁰～1×10²¹cm^-3；

步骤7，在步骤6中得到的硅片正面绕镀清洗，利用HF溶液依次清洗背面的掩膜，Gap区的氧化层以及背面的磷硅玻璃(PSG)，p区与n区的间隙(Gap区)宽度为30～100μm；

步骤8，利用原子层沉积(ALD)设备沉积Al₂O₃钝化层，利用PECVD设备沉积SiN_x:H减反射层；

步骤9，在步骤8中得到的硅片背面p区和n区通过丝网印刷分别覆盖银铝(Ag/Al)浆和Ag浆，通过红外带式烧结炉进行共烧结。

进一步地，所述n型单晶硅片的晶向为(100)，硅片厚度<150μm，电阻率为0.5-50Ω·cm。

进一步地，步骤3中所述的SiO₂层的厚度为0.5～2nm；

步骤3中所述的本征非晶硅的厚度为50～300nm。

进一步地，步骤5中所述的p区的宽度为300～500μm。

进一步地，步骤5中所述的激光器的波长为248nm，脉冲持续时间为22ns。

进一步地，步骤6中所述的重新沉积掩膜的厚度为10～30nm，且重新沉积的掩膜为SiO_x或SiN_x；

步骤6中所述的磷烷气体流量比为2％～8％，步骤6中所述的沉积n型多晶硅厚度为50～150nm。

进一步地，步骤8中的所述Al₂O₃钝化层的厚度为1～3nm，所述SiN_x:H减反射层的厚度为70～80nm。

另一个方面，本发明提出了一种TBC电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明在p区采用离子注入的方法实现了Ga掺杂poly-Si，有效地解决了B元素在SiO₂/c-Si界面上发生分离而造成的复合损失问题。传统的B元素掺杂在该界面处易出现分离现象，致使载流子复合概率增加，极大地影响了电池的光电转换效率。而本发明创新性地选用Ga元素，通过离子注入技术，精准地将Ga引入到p区的poly-Si中，有效避免了因元素分离导致的复合损失，为提升电池性能奠定了坚实基础。

2.Ga掺杂poly-Si的膜层匹配激光诱导熔融后快速冷却的方法，实现了Ga对于poly-Si的非平衡掺杂，大幅提高了Ga在poly-Si中的掺杂浓度。在该过程中，利用准分子激光器对已进行Ga离子注入的p区进行激光消融处理，激光器波长设定为248nm，脉冲持续时间为22ns，在这样的参数条件下，能够使Ga掺杂的poly-Si膜层迅速熔融。随后在空气中快速冷却，这一独特的工艺促使Ga原子在poly-Si晶格中形成非平衡分布，成功大幅提高了Ga的掺杂浓度，达到1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3。高浓度的Ga掺杂显著改善了p区的钝化接触性能，降低了界面复合速率，使得电池在收集和传输载流子方面表现更为出色，进而全面提高了TBC电池的性能，包括提升光电转换效率、增强电池稳定性等，有效提升了产品在市场中的竞争力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的一种TBC电池的制备方法流程图；

图2是硅片清洗抛光后的示意图；

图3是通过LPCVD或者PECVD沉积的隧穿氧化层与本征非晶硅，然后通过离子注入实现的Ga掺杂；

图4是通过纳米级脉冲激光对p区进行激光消融处理；

图5是本发明的TBC晶硅太阳电池结构示意图。

其中，1-n型晶硅衬底，2－隧穿氧化层，3-硼掺杂多晶硅，4-磷掺杂多晶硅层，5和6-氧化铝钝化层，7和8-氢化氮化硅减反射层，9－金属电极。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施条例来详细说明本发明。

参照图1所示，在本申请的一些实施例中，一种TBC电池的制备方法，包括：

步骤1，将n型单晶硅片作为晶硅衬底，并利用碱溶液去除硅表面切割损伤层；

步骤2，利用浓度为1％～2％的KOH溶液对步骤1得到的硅片进行抛光，并进行标准RCA清洗，得到预处理硅片；

步骤3，将预处理硅片置入LPCVD或PECVD炉中进行生长SiO₂层和本征非晶硅；

步骤4，在步骤3中得到的硅片的背面p区采用10keV能量离子注入Ga，并将样品在氮气气氛下进行退火处理，退火温度为880～950℃；

步骤5，通过准分子激光器对步骤4中得到的硅片p区进行激光消融，激光处理完成后放置空气中冷却，处理后的p区的掺杂浓度为1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3；

步骤6，在步骤5中得到的硅片的背面掩膜区域利用HF溶液清洗，通过PECVD在背面重新沉积掩膜，并通过激光烧蚀的方法将背面n区的掩膜去除，n区的宽度为100～300μm，利用PECVD设备沉积P掺杂的非晶硅，主要通入气体包括硅烷、磷烷和氢气，对n型非晶硅进行高温退火形成n型多晶硅，P掺杂浓度为1×10²⁰～1×10²¹cm^-3；

步骤7，在步骤6中得到的硅片正面绕镀清洗，利用HF溶液依次清洗背面的掩膜，Gap区的氧化层以及背面的磷硅玻璃(PSG)，p区与n区的间隙(Gap区)宽度为30～100μm；

步骤8，利用原子层沉积(ALD)设备沉积Al₂O₃钝化层，利用PECVD设备沉积SiN_x:H减反射层；

步骤9，在步骤8中得到的硅片背面p区和n区通过丝网印刷分别覆盖银铝(Ag/Al)浆和Ag浆，通过红外带式烧结炉进行共烧结。

具体而言，准备工业级晶向为(100)的n型单晶硅片作为晶硅衬底，硅片厚度为100～150μm，电阻率为0.5-50Ω·cm；采用碱溶液去除所述硅表面切割损伤层。

可以理解的是，选用工业级特定晶向、厚度及电阻率的n型单晶硅片作为衬底，为电池构建稳定基础。其特定参数有助于优化电子传输性能，确保电池基本电学特性。碱溶液去除硅表面切割损伤层，可消除因切割产生的晶格缺陷，减少载流子复合中心，提升硅片本征性能，为后续工艺提供良好基底，对提高电池整体性能至关重要。

具体而言，参照图2所示，采用浓度为1％～2％的KOH溶液对步骤1得到的n型硅片进行抛光，然后进行标准RCA清洗，得到预处理后的硅片。

可以理解的是，使用1％～2％的KOH溶液抛光硅片，能有效改善硅片表面平整度，降低表面粗糙度，减少光在硅片表面的散射损失，提高光吸收效率。标准RCA清洗进一步去除硅片表面的有机物、金属杂质及颗粒污染物等，保证硅片表面洁净度，避免杂质对后续功能层生长及电学性能产生负面影响，提升预处理硅片质量，为后续工艺顺利进行创造有利条件。

具体而言，参照图3所示，将步骤2得到的所述n型硅片置入PECVD炉中在350～450℃条件下生长厚度为1.2～2nm的SiO₂层与200～300nm的本征非晶硅，然后通过10keV向膜层中离子注入Ga，然后在920-950℃的氮气气氛下进行退火30min。

可以理解的是，在PECVD炉中特定温度下生长合适厚度的SiO₂层与本征非晶硅，SiO₂层可作为钝化层，有效降低硅片表面态密度，减少载流子复合。本征非晶硅能调节能带结构，优化载流子传输。注入Ga元素并在氮气气氛下高温退火，可使Ga原子激活并均匀扩散，形成稳定的掺杂结构，改善p区电学性能，增强电池内部电场，提高电池光电转换效率。

可以理解的是，在硅片背面精准离子注入Ga元素，可确定p区位置与尺寸。精准的p区宽度设定，利于优化电池内部电场分布，提高载流子收集效率，减少不必要的复合损失，为构建高效的电池结构奠定基础。

具体而言，通过准分子激光器对步骤4中得到的所述硅片p区进行激光消融，激光器的波长为248nm，脉冲持续时间为22ns(基于半峰宽度)，激光处理完成后放置空气中快速冷却，处理后的p区活性掺杂浓度可达1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3。

可以理解的是，利用特定波长和脉冲持续时间的准分子激光器对p区进行激光消融，快速冷却后实现高活性掺杂浓度。激光消融可使硅片表面局部瞬间高温熔融，促进Ga原子扩散与激活，形成高浓度且均匀的掺杂分布。高活性掺杂浓度能有效降低p区电阻，提升其电导率，增强p区与其他区域间的电学连接性能，显著改善电池性能。

具体而言，从步骤5中得到的所述硅片的背面采用HF溶液进行清洗，然后通过PECVD在背面重新沉积掩膜SiO₂，厚度为10～30nm，然后通过激光烧蚀的方法将背面n区的掩膜去除，n区的宽度为100-300μm，然后采用PECVD设备沉积P掺杂的非晶硅，通入硅烷、磷烷和氢气气体，其中磷烷气体流量比为8％，沉积厚度为100～150nm的n型非晶硅；接着对n型非晶硅进行高温退火形成n型多晶硅，磷掺杂浓度为5×10²⁰～1×10²¹cm^-3。

可以理解的是，去除并重新沉积掩膜，精准确定n区，为后续P掺杂做准备。沉积P掺杂非晶硅并高温退火形成n型多晶硅，合适的磷烷气体流量比与沉积厚度控制，可精准调控n区的掺杂浓度与电学性能。优化的n区能与p区形成良好的PN结，有效促进载流子的分离与传输，提升电池整体的电荷收集与传输效率。

具体而言，从步骤6中得到的所述硅片正面进行绕镀清洗，然后在正面制绒，接着采用HF溶液依次将背面的掩膜，Gap区的氧化层以及背面的磷硅玻璃。

可以理解的是，硅片正面绕镀清洗与制绒，绕镀清洗可去除正面杂质，制绒能增加光在硅片正面的反射次数，提高光吸收效率，提升电池对光能的利用能力。背面相关区域的清洗去除了掩膜、氧化层及磷硅玻璃，保证背面电学性能，避免这些物质对载流子传输产生阻碍，优化电池整体性能。

具体而言，分别采用ALD设备和PECVD设备沉积Al₂O₃钝化层和SiN_x:H减反射层，厚度分别为1～3nm和70～80nm。

可以理解的是，沉积Al₂O₃钝化层和SiN_x:H减反射层，Al₂O₃钝化层可进一步降低硅片表面态密度，减少载流子复合，提高电池开路电压。SiN_x:H减反射层能有效降低光在电池表面的反射率，增加光的吸收量，提高电池对不同波长光的响应能力，全面提升电池的光电转换效率。

具体而言，在步骤8中得到的所述硅片背面p和n区通过丝网印刷分别覆盖Ag/Al浆和Ag浆，最后通过红外带式烧结炉进行共烧结。

可以理解的是，在硅片背面p和n区覆盖对应浆料并共烧结，形成良好的金属电极接触。Ag/Al浆和Ag浆能与硅片背面形成低电阻欧姆接触，确保载流子能高效地从电池内部传输到外部电路。丝网印刷制备金属电极工艺成熟、成本低且可大规模生产，保证电池电极制备质量的同时，有利于降低生产成本，提高生产效率，促进TBC电池的产业化应用。

具体而言，如图5所示，n型晶硅衬底1的前表面依次形成氧化铝钝化层5，氢化氮化硅减反射层7；n型晶硅衬底1的背表面依次形成隧穿氧化层2，硼掺杂多晶硅层3，磷掺杂多晶硅层4，氧化铝钝化层6，氢化氮化硅钝化层8，金属电极9。

可以理解的是，本发明在p区采用离子注入的方法实现了Ga掺杂poly-Si，有效地解决了B元素在SiO₂/c-Si界面上发生分离而造成的复合损失问题。传统的B元素掺杂在该界面处易出现分离现象，致使载流子复合概率增加，极大地影响了电池的光电转换效率。而本发明创新性地选用Ga元素，通过离子注入技术，精准地将Ga引入到p区的poly-Si中，有效避免了因元素分离导致的复合损失，为提升电池性能奠定了坚实基础。

Ga掺杂poly-Si的膜层匹配激光诱导熔融后快速冷却的方法，实现了Ga对于poly-Si的非平衡掺杂，大幅提高了Ga在poly-Si中的掺杂浓度。在该过程中，利用准分子激光器对已进行Ga离子注入的p区进行激光消融处理，激光器波长设定为248nm，脉冲持续时间为22ns，在这样的参数条件下，能够使Ga掺杂的poly-Si膜层迅速熔融。随后在空气中快速冷却，这一独特的工艺促使Ga原子在poly-Si晶格中形成非平衡分布，成功大幅提高了Ga的掺杂浓度，达到1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3。高浓度的Ga掺杂显著改善了p区的钝化接触性能，降低了界面复合速率，使得电池在收集和传输载流子方面表现更为出色，进而全面提高了TBC电池的性能，包括提升光电转换效率、增强电池稳定性等，有效提升了产品在市场中的竞争力。

需要说明的是：

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细显示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其他实施例中所包括的某些特征而不是其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种TBC电池的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1，将n型单晶硅片作为晶硅衬底，并利用碱溶液去除硅表面切割损伤层；

步骤2，利用KOH溶液对步骤1得到的硅片进行抛光，并进行标准RCA清洗，得到预处理硅片；

步骤3，将所述预处理硅片置入低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)炉中进行生长SiO₂层和本征非晶硅；

步骤4，在步骤3中得到的硅片的背面p区采用10keV的能量离子注入Ga，并将样品在氮气气氛下进行退火处理，退火温度为880～950℃；

步骤5，通过准分子激光器对步骤4中得到的硅片p区进行激光消融，激光处理完成后放置空气中冷却，处理后的p区的掺杂浓度为1×10²⁰～3×10²⁰cm^-3；

步骤6，在步骤5中得到的硅片的背面利用HF溶液进行清洗后通过PECVD在背面沉积掩膜，并通过激光烧蚀的方法将背面n区的掩膜去除，n区的宽度为100～300μm，利用PECVD设备沉积磷(P)掺杂的非晶硅，所用的主要气体为硅烷、磷烷和氢气，对n型非晶硅进行高温退火形成n型多晶硅，P掺杂浓度为1×10²⁰～1×10²¹cm^-3；

步骤7，在步骤6中得到的硅片正面绕镀清洗，利用HF溶液依次清洗背面的掩膜，Gap区的氧化层以及背面的磷硅玻璃(PSG)，p区与n区的间隙(Gap区)宽度为30～100μm；

步骤8，利用原子层沉积(ALD)设备沉积Al₂O₃钝化层，利用PECVD设备沉积SiN_x:H减反射层；

步骤9，在步骤8中得到的硅片背面p区与n区通过丝网印刷分别覆盖银铝(Ag/Al)浆和Ag浆，通过红外带式烧结炉进行共烧结。

2.根据权利要求1所述的一种TBC电池的制备方法，其特征在于，

所述n型单晶硅片的晶向为(100)，硅片厚度<150μm，电阻率为0.5-50Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的一种TBC电池的制备方法，其特征在于，

步骤3中所述的SiO₂层的厚度为0.5～2nm；

步骤3中所述的本征非晶硅的厚度为50～300nm。

4.根据权利要求1所述的一种TBC电池的制备方法，其特征在于，

步骤5中所述的p区的宽度为300～500μm；

步骤5中所述的激光器的波长为248nm，脉冲持续时间为22ns。

5.根据权利要求1所述的一种TBC电池的制备方法，其特征在于，

步骤6中所述的沉积掩膜的厚度为10～30nm，且重新沉积的掩膜为SiO_x或SiN_x；

步骤6中所述的磷烷气体流量比为2％～8％，步骤7中所述的沉积n型多晶硅厚度为50～150nm。

6.根据权利要求1所述的一种TBC电池的制备方法，其特征在于，

步骤8中的所述Al₂O₃钝化层的厚度为1～3nm，所述SiN_x:H减反射层的厚度为70～80nm。

7.一种TBC电池，其特征在于，根据权利要求1-6中任一项所述的一种TBC电池的制备方法制备而成。