一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及绒面叠层太阳能电池技术领域，尤其涉及一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构及其制备方法。

背景技术

叉指型背接触异质结单晶硅太阳电池(Interdigitated Back Contact SiliconHeterojunction Solar Cell，简称HBC太阳电池)兼具叉指型背接触太阳电池(Interdigitated back contact Solar Cell，简称IBC太阳电池)和带有薄本征层的异质结太阳电池(Heterojunction with Intrinsic Thin layer Solar Cell，简称HIT太阳电池) 的优点，既移除了前表面金属电极，减少了遮光损失，获得了较大的短路电流，又通过在重掺的非晶硅与晶体硅之间插入了一层高质量的本征非晶硅钝化层大幅降低了界面态，减少了表面复合，提高了开路电压，是目前世界上光电转换效率最高的单晶硅太阳电池。

HBC电池代表晶硅电池最高效率水平，HBC却一直受限于较高的量产成本，发展较为曲折。HBC电池在继承了两者优点的同时也保留了IBC和HJT电池各自生产工艺的难点。IBC电池工艺的关键问题，是如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区以及在其上面分别形成金属化接触和栅线。常规HBC电池PN区的制备和TCO都绕不开“掩模-开槽-沉积-刻蚀”等工艺。

如中国专利CN109216509B 提供了一种背接触异质结太阳电池的制备方法，在电池的背面通过“掩模 -沉积-刻蚀”工艺分别沉积了非晶硅、掺杂非晶硅及透明导电膜，此发明工艺步骤复杂，且电池制备过程的工艺窗口窄，而且对工艺清洁度要求极高，造成HBC电池成本非常高。另外现有的HBC电池制作技术还存在使用非晶硅薄膜对长波光谱吸收低、谱透过电池而无法有效利用，导致电池的效率无法提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构及其制备方法，N区采用沉积隧穿氧化层和多晶硅来代替非晶硅及掺杂非晶硅，背面采用TCO及金属膜层复合膜层代替TCO实现了长波段充分利用，提高电池的短路电流。

本发明的目的是这样实现的：

一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构，它包括单晶硅衬底，所述单晶硅衬底的正面由上至下依次设有氮化硅层和非晶硅n+型晶体硅层；所述单晶硅衬底的背面设有交替排布的第一背面单元和第二背面单元，所述第一背面单元包括由上至下依次设置的二氧化硅隧穿层、P+型多晶硅层和第一复合膜层，所述第二背面单元包括由上至下依次设置的本征非晶硅层、N+型非晶硅层和第二复合膜层；所述第一复合膜层和第二复合膜层的外侧均设有电极。

进一步地，所述第一复合膜层为TCO导电膜和金属膜的复合膜层，所述第二复合膜层与第一复合膜层的结构相同，也为TCO导电膜和金属膜的复合膜层。

进一步地，所述第一复合膜层中的TCO导电膜采用功函数大于5.2ev的材料，其厚度为10~130nm，第一复合膜层中的金属膜的厚度为10~200nm。

进一步地，所述第二复合膜层中的TCO导电膜采用功函数小于4.2ev的材料，其厚度为10~130nm，第二复合膜层中的金属膜的厚度为10~200nm。

进一步地，所述P+型多晶硅层和N+型非晶硅层之间设有绝缘间隙，该绝缘间隙的间距为0.1~10μm。

一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构的制备方法，包括以下内容：

步骤一、硅片清洗：

选取N型硅片，对其进行清洗、制绒处理；硅片经清洗后制绒，硅片的正面形成绒面层；

步骤二、隧穿氧化层、多晶硅沉积：

将上述清洗后的硅片，通过LPVCVD或者PECVD等技术在硅片背面形成隧穿氧化层和多晶硅层；

步骤三、磷扩散：

通过高温硼扩散将磷扩展至多晶硅层，形成有效掺杂层；

步骤四、激光刻蚀：

电池片背面N区通过激光刻蚀工序将部分N区的隧穿氧化层和多晶硅进行消融刻蚀；激光刻蚀区域为背面P区及绝缘间隙之和；

步骤五、硅片高效清洗；

步骤六、正面本征非晶硅层沉积：

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片的正面镀上本征非晶硅薄膜；

步骤七、正面减反膜沉积：

通过PECVD技术在电池片正面镀上减反膜，减反膜采用微氮化硅材料；

步骤八、背面本征非晶硅层沉积：

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片的背面镀上本征非晶硅薄膜；

步骤九、背面P型非晶硅层沉积：

采用掩膜-刻蚀技术沉积P型非晶硅层，保护区域大小为N区掺杂区域及间隙大小之和；通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片镀上P型掺杂非晶硅薄膜；

步骤十、TCO及金属膜复合膜层沉积

通过PVD或RPD设备技术在电池片上镀TCO导电膜及金属膜；采用掩膜-刻蚀工艺实现P区和N区TCO导电膜分别沉膜；采用PVD或RPD设备技术沉积金属膜；

步骤十、电极制备；

步骤十一、测试。

进一步地，步骤二中隧穿氧化层采用二氧化硅材料。

进一步地，步骤三中磷掺杂浓度不低于1e20/cm

进一步地，步骤十中P区TCO导电膜采用功函数大于5.2ev的材料。

进一步地，步骤十中N区TCO导电膜采用功函数小于4.2ev的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

微晶技术是HJT未来高效H电池的关键技术，掺杂的uc-Si：H比非晶硅掺杂更容易实现，相比与非晶硅，微晶硅掺杂更容易接近导带底或价带顶,电池可实现更高的转换效率，然而微晶工艺则面临着更低的生长速率和更高的设备要求。而本发明的N型单晶硅HBC太阳能电池结构，优化电池结构设计，通过沉积隧穿氧化层和多晶硅的技术，代替非晶硅，解决非晶硅掺杂效率低的问题。

传统的电池背面电池采用TCO作为透明导电层，部分长波段的红外光透过电池无法有效的利用，降低电池的短路电流，而本发明通过电池片背面采用TCO及金属膜层复合膜层代替单层TCO导电膜的方式实现多晶硅、非晶硅与电极欧姆接触，另外通过金属的发射作用，从而减少红外长波段的透过，提高了长波段的利用率，最终提高电池的电流，提高电池转换效率。

本发明解决硅片体内的新施主等无法消除的缺陷，硅片本身杂质含量高从而影响了电池效率；HJT电池工艺都是低温工序，无高温热处理工艺，常规工艺需要对硅片进行额外的热处理来解决硅片的缺陷问题，本发明的制备方法中前期的高温工序可有效消除硅片体内的新施主等缺陷，提高电池转换效率。

附图说明

图1为本发明的N型单晶硅HBC太阳能电池结构的结构示意图。

图2为本发明的太阳能电池结构的制备流程示意图。

其中：

单晶硅衬底1、非晶硅n+型晶体硅层2、氮化硅层3、第一背面单元4、二氧化硅隧穿层41、P+型多晶硅层42、第一复合膜层43、第二背面单元5、本征非晶硅层51、N+型非晶硅层52、第二复合膜层53、电极6。

具体实施方式

实施例1：

参见图1，本发明涉及的一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构，它包括单晶硅衬底1，所述单晶硅衬底1的正面由上至下依次设有氮化硅层3和非晶硅n+型晶体硅层2；所述单晶硅衬底1的背面设有交替排布的第一背面单元4和第二背面单元5，所述第一背面单元4包括由上至下依次设置的二氧化硅隧穿层41、P+型多晶硅层42和第一复合膜层43，所述第二背面单元5包括由上至下依次设置的本征非晶硅层51、N+型非晶硅层52和第二复合膜层53。

所述第一复合膜层43为TCO导电膜和金属膜的复合膜层，金属膜的材料采用银，所述第一复合膜层43中的TCO导电膜采用功函数大于5.2ev的材料，其厚度为10~130nm，第一复合膜层43中的金属膜的厚度为10~200nm；所述第二复合膜层53与第一复合膜层43的结构相同，为TCO导电膜和金属膜的复合膜层，金属膜的材料采用银，所述第二复合膜层53中的TCO导电膜采用功函数小于4.2ev的材料，其厚度为10~130nm，第二复合膜层53中的金属膜的厚度为10~200nm。

所述第一背面单元4和所述第二背面单元5之间设有一定间隙，所述P+型多晶硅层42和N+型非晶硅层52之间设有绝缘间隙，该绝缘间隙的间距为0.1~10μm。

所述第一复合膜层43和第二复合膜层53的外侧均设有电极6。

所述单晶硅衬底1的厚度为80~150μm；所述氮化硅层的厚度为40~120nm；所述二氧化硅隧穿层41的厚度为0.5~2nm；所述P+型多晶硅层42的厚度为50~150nm；所述本征非晶硅层51的膜层厚度为1~20nm。

本发明的电池结构正面在保证场钝化和表面钝化的同时，也提高了减反射效果；背面发射极区采用高温工序的隧穿钝化膜和多晶硅代替本征非晶硅和P型非晶硅，同时也提高了P区掺杂效率，提高了电池性能，多晶硅、非晶硅与电极连接采用通过TCO及金属膜层复合膜层的过度层的方式实现欧姆接触，另外TCO及金属膜层复合膜层可实现电池长波段的反射效率，提高长波段光学的利用，提高电池的转换效率

参见图2，本发明涉及的一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一、硅片清洗

选取N型硅片，对其进行制绒、清洗处理；硅片经高效清洗后制绒，硅片的正面形成绒面层；该N型硅片的厚度为80μm；

步骤二、生长隧穿氧化层、多晶硅及沉积

将上述清洗后的硅片，通过LPVCVD或者PECVD等技术在硅片背面形成隧穿氧化层和多晶硅层；隧穿氧化层采用二氧化硅材料，隧穿氧化层的厚度为0.5nm，多晶硅层的厚度为50nm；

步骤三、磷扩散

通过高温扩散将磷扩展至多晶硅层，形成有效掺杂层；磷掺杂浓度不低于1e20/cm

步骤四、激光刻蚀

背面N区通过激光刻蚀工序将部分N区的隧穿氧化层和多晶硅进行消融刻蚀；激光刻蚀区域为背面P区及绝缘间隙之和；绝缘间隙为发电过程中确保P区和N区绝缘；该绝缘间隙大小为0.1μm；

步骤五、硅片高效清洗

对硅片进行高效清洗处理；硅片清除激光加工过程中的损伤层及其他杂质；清洗需将硅片LPCVD加工时产生的绕镀，清洗干净；

步骤六、正面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片正面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层薄膜的厚度为1nm；

步骤七、正面减反膜的沉积

通过PECVD技术在电池片正面镀上减反膜，减反膜的材料采用微氮化硅，该减反膜的厚度为40nm；

步骤八、背面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片背面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层的厚度为1nm；

步骤九、背面P型非晶硅层沉积

在电池片背面采掩膜-刻蚀工艺沉积P型非晶硅层，保护区域的大小为N区掺杂区域及间隙大小之和，该绝缘间隙大小为0.1μm；通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片镀上P型掺杂非晶硅薄膜，所述P型掺杂非晶硅薄膜的厚度为1nm；

步骤十、TCO及金属膜复合膜层沉积

电池片背面P区及N区采用掩膜-刻蚀工沉积艺TCO和金属膜的复合膜层；通过采用PVD或RPD设备技术在电池片上镀透明导电膜，N区靶材材料功函数小于4.2ev，采用In

步骤十一、电极制备

金属化通过丝网印刷技术印刷导电浆料，印刷电池图形；导电浆料为低温银浆；电池图形设计为多主栅技术，电池主栅线数目为17；

步骤十二、测试

经测试电池片效率，Voc达到了735mV，Isc 为41.61mA/cm2，FF为83.57%，电池转换效率高达25.56%。

实施例2：

本实施例2涉及的一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构，包括以下几个步骤：

步骤一、硅片清洗

选取N型硅片，对其进行制绒、清洗处理；硅片经高效清洗后制绒，硅片的正面形成绒面层；该N型硅片的厚度为130μm；

步骤二、生长隧穿氧化层、多晶硅及沉积

将上述清洗后的硅片，通过LPVCVD或者PECVD等技术在硅片背面形成隧穿氧化层和多晶硅层；隧穿氧化层采用二氧化硅材料，隧穿氧化层的厚度为1.2nm，多晶硅层的厚度为100nm；

步骤三、磷扩散

通过高温扩散将磷扩展至多晶硅层，形成有效掺杂层；磷掺杂浓度不低于1e20/cm

步骤四、激光刻蚀

背面N区通过激光刻蚀工序将部分N区的隧穿氧化层和多晶硅进行消融刻蚀；激光刻蚀区域为背面P区及绝缘间隙之和；绝缘间隙为发电过程中确保P区和N区绝缘；该绝缘间隙大小为1μm；

步骤五、硅片高效清洗

对硅片进行高效清洗处理；硅片清除激光加工过程中的损伤层及其他杂质；清洗需将硅片LPCVD加工时产生的绕镀，清洗干净；

步骤六、正面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片正面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层薄膜的厚度为5nm；

步骤七、正面减反膜的沉积

通过PECVD技术在电池片正面镀上减反膜，减反膜的材料采用微氮化硅，该减反膜的厚度为90nm；

步骤八、背面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片背面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层的厚度为5nm；

步骤九、背面P型非晶硅层沉积

在电池片背面采掩膜-刻蚀工艺沉积P型非晶硅层，保护区域的大小为N区掺杂区域及间隙大小之和，该绝缘间隙大小为1μm；通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片镀上P型掺杂非晶硅薄膜，所述P型掺杂非晶硅薄膜的厚度为8nm；

步骤十、TCO及金属膜复合膜层沉积

电池片背面P区及N区采用掩膜-刻蚀工沉积艺TCO和金属膜的复合膜层；通过采用PVD或RPD设备技术在电池片上镀透明导电膜，N区靶材材料功函数小于4.2ev，采用In

步骤十一、电极制备

金属化通过丝网印刷技术印刷导电浆料，印刷电池图形；导电浆料为低温银浆；电池图形设计为多主栅技术，电池主栅线数目为17；

步骤十二、测试

经测试电池片效率，Voc达到了734mV，Isc 为41.65mA/cm2，FF 83.78%，电池转换效率高达25.61%。

实施例3：

本实施例3涉及的一种N型单晶硅HBC太阳能电池结构，包括以下几个步骤：

步骤一、硅片清洗

选取N型硅片，对其进行制绒、清洗处理；硅片经高效清洗后制绒，硅片的正面形成绒面层；该N型硅片的厚度为150μm；

步骤二、生长隧穿氧化层、多晶硅及沉积

将上述清洗后的硅片，通过LPVCVD或者PECVD等技术在硅片背面形成隧穿氧化层和多晶硅层；隧穿氧化层采用二氧化硅材料，隧穿氧化层的厚度为2nm，多晶硅层的厚度为150nm；

步骤三、磷扩散

通过高温扩散将磷扩展至多晶硅层，形成有效掺杂层；磷掺杂浓度不低于1e20/cm

步骤四、激光刻蚀

背面N区通过激光刻蚀工序将部分N区的隧穿氧化层和多晶硅进行消融刻蚀；激光刻蚀区域为背面P区及绝缘间隙之和；绝缘间隙为发电过程中确保P区和N区绝缘；该绝缘间隙大小为10μm；

步骤五、硅片高效清洗

对硅片进行高效清洗处理；硅片清除激光加工过程中的损伤层及其他杂质；清洗需将硅片LPCVD加工时产生的绕镀，清洗干净；

步骤六、正面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片正面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层薄膜的厚度为20nm；

步骤七、正面减反膜的沉积

通过PECVD技术在电池片正面镀上减反膜，减反膜的材料采用微氮化硅，该减反膜的厚度为120nm；

步骤八、背面本征非晶硅层沉积

通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片背面镀上本征非晶硅薄膜，该本征非晶硅层的厚度为20nm；

步骤九、背面P型非晶硅层沉积

在电池片背面采掩膜-刻蚀工艺沉积P型非晶硅层，保护区域的大小为N区掺杂区域及间隙大小之和，该绝缘间隙大小为10μm；通过PECVD、HWCVD或LPCVD技术在电池片镀上P型掺杂非晶硅薄膜，所述P型掺杂非晶硅薄膜的厚度为20nm；

步骤十、TCO及金属膜复合膜层沉积

电池片背面P区及N区采用掩膜-刻蚀工沉积艺TCO和金属膜的复合膜层；通过采用PVD或RPD设备技术在电池片上镀透明导电膜，N区靶材材料功函数小于4.2ev，采用In

步骤十一、电极制备

金属化通过丝网印刷技术印刷导电浆料，印刷电池图形；导电浆料为低温银浆；电池图形设计为多主栅技术，电池主栅线数目为17；

步骤十二、测试

经测试电池片效率，Voc达到了736mV，Isc 为41.7mA/cm2，FF为83.39%，电池转换效率高达25.64%。

对比例1：

步骤一、硅片的清洗

选取N型硅片，硅片厚度为130微米，对其进行制绒、清洗处理；硅片经过清洗工艺，去除了硅片表面的有机物脏污、金属杂质及表面损伤层；硅片经高效清洗后制绒，硅片的正面形成绒面层；

步骤二、双面本征层及N型非晶硅掺杂层镀膜

通过PECVD技术在电池片的正背面上均分别镀上本征非晶硅薄膜，形成非晶硅本征层，其膜层厚度为5nm；

通过PECVD技术在电池片的背面镀上N型非晶硅掺杂层，N型非晶硅掺杂层的厚度为10nm；

步骤三、背面PN区的制备

通过 “掩模-开槽-沉积-刻蚀”等工艺进行背面PN区制备；

步骤四、减反膜制备

通过PECVD方法在电池片的正面镀上SiNX减反膜；

步骤五、TCO导电膜沉积

通过采用PVD设备技术在电池片上镀透明的TCO导电膜；

步骤六、电极印刷极烧结

通过丝网印刷工艺分别在电池背面印刷银浆后通过低温烧结后，与TCO膜层形成连接，实现欧姆接触；

步骤七、分选测试

经测试电池片效率，Voc达到了732mV，Isc 为41.42mA/cm2，FF 83.59%，电池转换效率高达25.34%。

本发明的3个实施例和对比例1的电池转换效率的数据对比表格：

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。