一種全背面接觸晶硅電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光伏【技術(shù)領(lǐng)域】的新型晶硅電池，具體地講是涉及一種結(jié)合離子注入技術(shù)的全背面接觸晶硅電池；本發(fā)明還涉及該電池的制備方法。全背面接觸晶硅電池包括硅片基底、減反層、基極、發(fā)射極和金屬柵線等，全背面接觸晶硅電池的發(fā)射極和基極不在同一個平面內(nèi)，能兼顧電子和空穴以很短的路徑移動到發(fā)射極和基極，減少載流子電池內(nèi)體復合；通過將發(fā)射極和金屬柵線從正面即受光面移到背面，減少了光學損失；發(fā)射極通過離子注入的方法獲得，較熱擴散摻雜的方法工藝步驟少；正面和背面均有鈍化層，正面還有正表面電場FSF，能減少載流子表面的復合，最終提供一種量產(chǎn)效率高、工藝簡單的太陽能電池。
【專利說明】一種全背面接觸晶硅電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光伏【技術(shù)領(lǐng)域】的新型晶硅電池，具體地講是涉及一種結(jié)合離子注入技術(shù)的全背面接觸晶硅電池；本發(fā)明還涉及該電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光伏技術(shù)是利用pn結(jié)二極管將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，這個pn結(jié)二極管就是通常我們所說的太陽能電池。當太陽能電池受到太陽輻射時，光子在太陽能電池中產(chǎn)生電子空穴對，pn結(jié)將電子空穴對分離，通過外部電路連接可以形成電流，從而向外輸出功率。
[0003]太陽能電池可以分為晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池，傳統(tǒng)的晶硅電池發(fā)射極接觸電極和基極接觸電極分別制作在電池片的正面和背面，其中接觸發(fā)射極的金屬柵線電極是制作在接受陽光照射的正面，因此電池的部分表面被金屬覆蓋，這部分遮光面積不能參與吸收入射的太陽光，造成一部分光學損失。
[0004]影響太陽能電池效率的主要因素除了光學損失還有電學損失。電學損失主要包括太陽能電池表面及體內(nèi)的光生載流子復合，太陽能電池表面和金屬柵線的接觸電阻損失。所以在背面接觸晶硅電池的表面需要有鈍化層，以及金屬柵線之間接觸面積需要盡量減少以降低硅片表面的光生載流子復合。而減少體內(nèi)光生載流子復合通過提高硅片的體少數(shù)載流子(bulk minority carrier)壽命，以及減少發(fā)射極之間的節(jié)距(pitch)等方式實現(xiàn)。
[0005]現(xiàn)有的背接觸技術(shù)主要有金屬穿孔背繞技術(shù)(MWT)，發(fā)射極穿孔背繞技術(shù)(EWT)，發(fā)射極鈍化背接觸技術(shù)(PERC、PERL)，交錯背接觸技術(shù)(IBC)。其中交錯背接觸電池由于發(fā)射極和金屬柵線全部在背面，也稱為全背面接觸電池。這種電池兼顧了效率提高的兩個要素，受光面無金屬柵線減少光學損失和正面背面均有鈍化，以及背面金屬點接觸減少電學損失，所以全背面接觸電池能達到很高的轉(zhuǎn)換效率，它是目前量產(chǎn)效率最高的光伏電池。Sunpower公司的在中國的專利申請CN200780027187.2中詳細說明了一種IBC電池的制造工藝。
[0006]現(xiàn)有的全背面接觸電池制作方法往往是在有機掩膜保護的條件下使用熱擴散摻雜的方法先形成圖案化的發(fā)射極和基極。由于引入掩膜的涂覆，光刻，掩膜的去除，熱擴散摻雜需要去除硅酸鹽，制作工藝步驟繁瑣、復雜，從而成本很高。另外，由于熱擴散摻雜方法的擴散位置無法精確控制，往往需要在發(fā)射極與基極之間形成絕緣隔離或者凹槽隔離，從而也增加了工藝復雜性。離子注入技術(shù)能很好地避免這些缺點，不需要掩膜的保護就能實現(xiàn)圖案化的發(fā)射極和基極的制作，摻雜的位置也可以更加精確，從而能省去很多工藝步驟。而且摻雜濃度和深度范圍更大，能提高電池效率。中國專利申請201110122708.0中提出了一種離子注入制造交錯背 接觸IBC晶硅太陽能電池的工藝。
[0007]但是現(xiàn)有的全背面接觸電池中使用離子注入技術(shù)制作的背面的發(fā)射極和基極在同一平面內(nèi)，不能兼顧電子和空穴以很短的路徑移動到發(fā)射極和基極。并且發(fā)射極和基極之間還需要通過激光刻蝕的方法進行絕緣隔離，增加了工藝復雜性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種全背面接觸晶硅電池及其制備方法，該全背面接觸晶硅電池的發(fā)射極和基極不在一個平面內(nèi)，能兼顧電子和空穴以很短的路徑移動到發(fā)射極和基極，減少載流子電池內(nèi)體復合；由于正面即受光面沒有發(fā)射極和金屬柵線，減少了光學損失；發(fā)射極通過離子注入的方法獲得，較熱擴散摻雜的方法工藝步驟少；正面和背面均有鈍化層，正面還有淺摻雜的正表面電場FSF，能減少載流子表面的復合。最終提供一種量產(chǎn)效率高、工藝簡單的太陽能電池。
[0009]一種全背面接觸晶硅電池，包括硅片基底、減反層、基極、發(fā)射極和金屬柵線等，所述全背面接觸晶硅電池的發(fā)射極和基極不在同一個平面上。
[0010]所述全背面接觸晶硅電池的正面和背面均有鈍化層。
[0011]所述全背面接觸晶硅電池的正面和/或背面的鈍化層為氧化層。
[0012]所述全背面接觸晶硅電池的正面還包括正表面電場FSF，正表面電場FSF為淺摻雜型。
[0013]所述全背面接觸晶硅電池的發(fā)射極和金屬柵線位于全背面接觸晶硅電池的背面。
[0014]本發(fā)明電池使用η型或者P型硅片基底，正面受光面為金字塔絨面結(jié)構(gòu)，正面受光面從上到下覆蓋有減反層、正面鈍化層、正表面淺摻雜區(qū)形成的正表面電場、硅片基底、背面有無圖形化的重摻區(qū)(Ρ+或N+)形成的發(fā)射極和圖形化的凹槽、以及位于凹槽底部的圖形化重摻區(qū)形成的基極。背面有鈍化層，在發(fā)射極和基極區(qū)域的鈍化層有開口，分別在發(fā)射極和基極區(qū)域的開口內(nèi)部形成金屬連接。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的最大優(yōu)勢在于發(fā)射極和基極不在同一個平面上。因為光生載流子一般產(chǎn)生在硅片的受光面，在現(xiàn)有的全背面接觸電池中載流子移動到背面的發(fā)射極和基極的過程中容易復合，所以一般通過提高硅片的體少數(shù)載流子壽命來加以改善，但是受到硅片成本的限制，提高的幅度有限。另外減少發(fā)射極之間的節(jié)距(Pitch)也是減少體復合的手段之一，但是考慮到晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)的重復性和可靠性的要求，圖案化的精細度不宜過小，所以這種方式提升的幅度也很有限?，F(xiàn)有的全背面接觸電池中背面的發(fā)射極和基極在同一平面內(nèi)，不能兼顧電子和空穴以很短的路徑移動到發(fā)射極和基極。本發(fā)明中發(fā)射極較寬，基極區(qū)域較窄但是更靠近受光面，所以能在不改變體少數(shù)載流子壽命和不減少發(fā)射極之間節(jié)距的基礎(chǔ)上減少正表面載流子的體復合幾率，從而在不增加生產(chǎn)成本并且保證重復性和可靠性的基礎(chǔ)上,提高電池效率。
[0016]另外由于發(fā)射極與基極不在同一個平面上能實現(xiàn)兩者的絕緣而不用增加絕緣凹槽的步驟。而且在后續(xù)的金屬化過程中金屬柵的制作過程也能更好地將與不同極性摻雜區(qū)接觸的金屬柵分離。一種全背面接觸晶硅電池的制備方法，包括以下步驟:
[0017]1)在硅片基底的正面通過堿制絨的方法去除損傷層，形成隨機金字塔結(jié)構(gòu)，并對硅片基底的背面進行拋光處理；
[0018]2)在硅片基底的正面通過離子注入形成無圖形的淺摻雜區(qū)，即正表面電場FSF，在硅片基底的背面通過離子注入方法形成無圖形的摻雜區(qū)，即發(fā)射極，并退火處理去除離子注入中的損傷；
[0019]3)在背面通過濕法刻蝕或者激光開槽的方式形成圖形化的凹槽區(qū)，濕法刻蝕是先覆蓋圖形化的耐腐蝕掩膜層，然后對露出的硅進行腐蝕后去掉掩膜層的方法，電池背面制備凹槽的目的是使發(fā)射極和基極不在同一個平面上，凹槽可以為條紋狀、方塊狀或圓形狀，凹槽的面積占整個背面面積的比例小于10% ；
[0020]4)在凹槽區(qū)通過有遮蔽裝置的離子注入的方法形成基極區(qū)，并在氧氣或惰性氣氛下退火處理去除離子注入中的損傷，如果硅片是η型，基極區(qū)是η+型，則可以摻雜磷或者砷；
[0021]5)在硅片基底的正面制備減反層，減反層可以是SiNx、TIOx或SiONx ;
[0022]6)發(fā)射極、凹槽中的基極的開口通過激光或者濕法腐蝕，濕法腐蝕是通過制作耐腐蝕掩膜層露出凹槽和發(fā)射極需要開口的部分，置入HF等溶液中去除鈍化層等的方法；
[0023]7)在硅片基底的背面開口區(qū)域通過絲網(wǎng)印刷或者電鍍方法形成金屬連接，并通過退火燒結(jié)形成歐姆接觸的金屬柵線，即得。
[0024]步驟I)中所述堿制絨中化學藥液采用K0H、Na0H或IPA等堿性溶劑中的一種或幾種，處理溫度小于100°c ;所述的背面拋光處理采用濕法化學或者機械方式，去除厚度小于50 μ m0
[0025]步驟2)中所述的硅片基底為η型，在硅片基底的正面通過離子注入磷和/或砷形成η+型正表面電場。
[0026]步驟2)中所述的發(fā)射極為P+型，在硅片基底的背面通過離子注入硼和/或鎵。
[0027]步驟5)中在所述硅片基底的增加制備正面和背面鈍化層。
[0028]步驟5)中在所述的鈍化層為SiOx、SiOxNy、AlOx、TiOx或SiNx中的一種或幾種。
[0029]所述減反層和/或鈍化層的制備采用等離子增強氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)或物理濺射沉積(PVD)方法。
[0030]與現(xiàn)有熱擴散摻雜技術(shù)的相比，本發(fā)明全背面接觸晶硅電池的制備方法中的發(fā)射極和基極的摻雜區(qū)使用的是離子注入的技術(shù)，摻雜能量和摻雜深度更均勻，范圍也更大，更適用與尺寸較小并且圖形化的摻雜區(qū)。由于離子注入的圖形化是在離子注入機中增加遮蔽板的部件而無需增加涂覆有機掩膜，光刻，去除掩膜的工藝步驟，生產(chǎn)和投資成本大大降低。此外本發(fā)明各步驟的離子注入方法中只有一步需要圖形化的注入，與傳統(tǒng)方法不同，減少了圖形化的部分，這樣能避免在離子注入時不同圖形間的對準問題。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種全背面接觸晶硅電池及其制備方法，具有以下優(yōu)點:1)發(fā)射極和基極不在一個平面上，能兼顧電子和空穴以很短的路徑移動到發(fā)射極和基極，減少電池內(nèi)體復合，從而大大提聞了效率；2)娃片基底的正面和背面均有純化層，其中正面還有淺摻雜區(qū)形成的正表面電場FSF，能很好的減少表面復合；3)發(fā)射極和基極的摻雜區(qū)使用離子注入的技術(shù)，與熱擴散摻雜相比，無需增加涂覆有機掩膜，光刻，去除掩膜的工藝步驟，生產(chǎn)和投資成本大大降低；4)發(fā)射極無圖形化，解決了離子注入時不同圖形間的對準問題；5)受光面無金屬柵線，減少了光學損失。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明全背面接觸晶硅電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2-圖8是本發(fā)明全背面接觸晶硅電池制備方法步驟I)-步驟7)的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0035]實施例1
[0036]—種全背面接觸晶娃電池，如圖1所不，電池包括:n型娃片基底4,其厚度200 μ m，少數(shù)載流子壽命1000微秒，電阻50ohm/square，正面受光面為金字塔絨面結(jié)構(gòu)，正面受光面從上到下覆蓋有減反層1，正面氧化層2，正表面淺摻雜區(qū)形成的正表面電場FSF3，硅片基底4。背面有無圖形化的重摻區(qū)形成的P+發(fā)射極8和圖形化的凹槽，以及位于凹槽底部的圖形化重摻區(qū)形成的η+基極5。背面有背面氧化層7，在發(fā)射極8和基極5區(qū)域的氧化層有開口，分別在發(fā)射極8和基極5區(qū)域的開口區(qū)形成金屬柵線6連接，不同極的金屬連接之間絕緣斷開。
[0037]全背面接觸晶硅電池的制備方法，參見圖2-8，包括以下步驟:
[0038]步驟1:在硅片基底4的正面通過堿制絨的方法去除損傷層約10 μ m,并且形成隨機金字塔結(jié)構(gòu)，堿為Κ0Η，處理溫度80°C，并對背面采用濕法化學方法進行拋光處理，去除厚度10 μ m。
[0039]步驟2:在硅片基底4的正面通過離子注入磷的方法形成無圖形的淺摻雜區(qū)，稱為正表面電場FSF3，注入后結(jié)深約0.1 μ m，電阻約為50ohm/square。在硅片基底4的背面注入硼，形成無圖形的摻雜區(qū)，即發(fā)射極8，注入后的結(jié)深約I μ m,電阻約為lOohm/square。并在氧氣氣氛下退火，退火溫度500°C，10分鐘，處理去除離子注入中的損傷，形成正面氧化層2和背面鈍化層7Si02，正面氧化層和背面鈍化層的厚度均為10nm。
[0040]步驟3:在背面通過激光開槽的方式形成圖形化的凹槽區(qū)9，激光脈沖寬度lps，激光波長為紅外。形成的凹槽在背面看為方塊狀，方塊寬度10 μ m，方塊間距1mm。
[0041]步驟4:在凹槽9通過有遮蔽裝置的離子注入磷的方法形成η+型基極5，注入后結(jié)深約0.1ym,電阻約為20ohm/square,在氧氣氣氛下退火,退火溫度800°C, 30分鐘,處理去除離子注入中的損傷。
[0042]步驟5:在硅片基底4的正面通過PECVD制備減反層ISi3N4厚度為30nm，折射率為2。
[0043]步驟6:對發(fā)射極8和凹槽9中的基極5的氧化層7進行激光開孔，孔的直徑為80 μ m,發(fā)射區(qū)域的孔間距為500 μ m。
[0044]步驟7:在硅片基底4的背面開口區(qū)域絲網(wǎng)印刷形成金屬連接，并通過退火燒結(jié)形成歐姆接觸的金屬柵線6，退火溫度500°C，10分鐘。
[0045]實施例2
[0046]—種全背面接觸晶硅電池，如圖1所示，電池包括:n型硅片基底4，其厚度160 μ m,少數(shù)載流子壽命1000微秒，電阻20ohm/square，正面受光面為金字塔絨面結(jié)構(gòu)，正面受光面從上到下覆蓋有減反層1，正面鈍化層2，正表面淺摻雜區(qū)形成的η+型正表面電場FSF3，硅片基底4。背面有無圖形化的重摻區(qū)形成的P+發(fā)射極8和圖形化的凹槽，以及位于凹槽底部的圖形化重摻區(qū)形成的η+基極5。背面有背面鈍化層7，在發(fā)射極8和基極5區(qū)域的鈍化層有開口，分別在發(fā)射極8和基極5區(qū)域的開口區(qū)形成金屬柵線6連接，不同極的金屬連接之間絕緣斷開。
[0047]全背面接觸晶硅電池的制備方法，參見圖2-8，包括以下步驟:[0048]步驟1:在硅片基底4的正面通過堿制絨的方法去除損傷層約20 μ m,并且形成隨機金字塔結(jié)構(gòu)，化學藥液包括KOH，IPA,處理溫度90°C，并對背面采用機械方式進行拋光處理，去除厚度20 μ m。
[0049]步驟2:在硅片基底4的正面通過離子注入砷的方法形成無圖形的淺摻雜區(qū)，稱為正表面電場FSF3，注入后結(jié)深約I μ m,電阻約為150ohm/square。在硅片基底4的背面注入鎵，形成無圖形的摻雜區(qū)，即發(fā)射極8,注入后的結(jié)深約2 μ m,電阻約為20ohm/square。并在氮氣氣氛下退火，退火溫度1000°C，300分鐘，處理去除離子注入中的損傷。
[0050]步驟3:在背面通過激光開槽的方式形成圖形化的凹槽區(qū)9，激光脈沖寬度100ns，激光波長為紫外。形成的凹槽從背面看為條紋狀，條紋寬度50 μ m,條紋間距5mm。
[0051]步驟4:在凹槽9通過有遮蔽裝置的離子注入砷的方法形成η+型基極5，注入后結(jié)深約Iym,電阻約為lOOohm/square,在氮氣氣氛下退火,退火溫度1000°C, 300分鐘,處理去除離子注入中的損傷。
[0052]步驟5:在硅片基底4的正面通過PECVD依次制備正面鈍化層2氮氧化硅和減反層ISi3N4,減反層ISi3N4厚度為60nm，折射率為1.9，正面鈍化層2氮氧化硅厚度為20nm，折射率為1.6 ;在硅片基底4的背面通過PECVD依次制備背面鈍化層7A1203和Si3N4, Al2O3厚度為20nm，Si3N4厚度為80nm。
[0053]步驟6:對發(fā)射極8和凹槽9中的基極5的鈍化層7進行激光開孔，如圖7所示孔10的直徑為100 μ m,發(fā)射區(qū)域的孔間距為500 μ m。
[0054]步驟7:在硅 片基底4的背面開口區(qū)域通過電鍍方式形成金屬接觸，并通過退火燒結(jié)形成歐姆接觸的金屬柵線6，退火溫度1000°C，時間300分鐘。
【權(quán)利要求】
1.一種全背面接觸晶硅電池，包括硅片基底、減反層、基極、發(fā)射極和金屬柵線，其特征在于，所述全背面接觸晶硅電池的發(fā)射極和基極不在同一個平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全背面接觸晶硅電池，其特征在于所述全背面接觸晶硅電池的正面和背面均有鈍化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全背面接觸晶硅電池，其特征在于所述全背面接觸晶硅電池的正面和/或背面的鈍化層為氧化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全背面接觸晶硅電池，其特征在于所述全背面接觸晶硅電池的正面還包括正表面電場FSF，所述正表面電場FSF為淺摻雜型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全背面接觸晶硅電池，其特征在于所述發(fā)射極和金屬柵線位于電池的背面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
1)在硅片基底的正面通過堿制絨的方法去除損傷層，形成隨機金字塔結(jié)構(gòu)，并對硅片基底的背面進行拋光處理； 2)在硅片基底的正面通過離子注入形成無圖形的淺摻雜區(qū)，即正表面電場FSF，在硅片基底的背面通過離子注入方法形成無圖形的摻雜區(qū)，即發(fā)射極，并退火處理去除離子注入中的損傷； 3)在背面通過濕法刻蝕或者激光開槽的方式形成圖形化的凹槽區(qū)； 4)在凹槽區(qū)通過有遮蔽裝置的離子注入的方法形成基極區(qū)，并在氧氣或惰性氣氛下退火處理去除離子注入中的損傷； 5)在硅片基底的正面制備減反層； 6)通過激光或者濕法腐蝕對發(fā)射極、凹槽中的基極進行開口； 7)在硅片基底的背面開口區(qū)域通過絲網(wǎng)印刷或者電鍍方法形成金屬連接，并通過退火燒結(jié)形成歐姆接觸的金屬柵線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于步驟I)中所述的堿制絨中化學藥液采用KOH、NaOH或IPA堿性溶劑中的一種或幾種，處理溫度小于100°C;所述的背面拋光處理采用濕法化學或者機械方式，去除厚度小于50 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的硅片基底為η型，在硅片基底的正面通過離子注入磷和/或砷形成η+型正表面電場。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的發(fā)射極為P+型，在硅片基底的背面通過離子注入硼和/或鎵。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于步驟5)中在所述硅片基底增加制備正面和背面鈍化層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于所述的鈍化層為SiOx、SiOxNy、A10x、TiOx或SiNx中的一種或幾種。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的全背面接觸晶硅電池的制備方法，其特征在于步驟5)中所述減反層和/或鈍化層的制備采用等離子增強氣相沉積PECVD、原子層沉積ALD、常壓化學氣相沉積APCVD或物理濺射沉積PVD方法。
【文檔編號】H01L31/18GK103904138SQ201210580929
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】彭東陽, 張慶釗, 丁建 申請人:北京漢能創(chuàng)昱科技有限公司