一种单晶电池及其制备方法

技术领域

本发明属于光伏技术领域，涉及一种单晶电池及其制备方法。

背景技术

常规的化石燃料日益消耗殆尽，在现有的可持续能源中，太阳能无疑是一种最清洁、最普遍、最有潜力的替代能源。太阳能发电装置又称为太阳能电池或光伏电池，可以将太阳能直接转换成电能，其发电原理是基于半导体PN结的光生伏特效应。

现有商业化常规单晶电池的制备方法包括如下步骤：1.使用槽式碱溶液制作“金字塔”绒面；2.使用低压管式扩散炉在硅片正面制作PN结；3.使用链式酸刻蚀去除四周、背面PN结和去除正面氧化层；4.硅片正面镀氮化硅薄膜；5.硅片正反面印刷上电极；6.硅片进烧结炉使电极在高温下与硅片形成欧姆接触；7.完成成品电池并测试电池转换效率。这种常规单晶太阳能电池制造技术相对简单、成熟。常规单晶工艺有如下缺点：a.太阳能转换成电能效率低；b.电势诱导衰减效果差；c.光致衰减效果差。d.以及只能正面吸收太阳光转换成电能。常规单晶太阳能制造技术已经延续了十年没有太大改动，已经不能满足市场日益对高转换效率、高质量的要求。高转换效率、高质量是目前硅太阳电池追求的主要目标。

现有商业化PERC电池制备方法，其中镀氧化铝设备单台价格需要上千万人民币十分昂贵，而且需要大量生产人员操作、以及维护保养等，成本一直居高不下。而且使用光注入相比电注入在使用电量上要高的多，也会造成制造成本高昂。所以，现有PERC电池制备方法存在成本高昂。

CN108183139A公开了一种太阳能电池片，包括单晶硅片，设于单晶硅片正面的m条主栅线和n条副栅线，m≥6；相邻两条主栅线等间距分布，各条主栅线之间相互平行，每条主栅线两侧均与相等条数的副栅线垂直连接，每条副栅线与每条主栅线连接处均呈渐变式结构，相邻两条副栅线等间距分布，各条副栅线之间相互平行。但是该电池的制备成本较高，且光致衰减以及电势诱导衰减有待改进。

因此，开发一种高转换效率、高质量、低成本太阳能电池的制备方法，以得到稳定性良好的电池片产品，并且适用于目前晶体硅电池的产业化生产，显然具有积极的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种单晶电池及其制备方法。本发明提供的制备方法不进行镀氧化铝的操作，节省了镀氧化铝的设备，降低了成本；且不采用光注入，进一步节约了成本。本发明提供的制备方法得到的单晶电池为太阳能电池，其转换效率高，光致衰减低。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种单晶电池的制备方法所述方法包括以下步骤：

(1)对单晶基片进行腐蚀制绒，在制绒后的单晶基片上制备PN结，得到带有PN结的基片；

(2)在步骤(1)所述带有PN结的基片表面制备掩膜，去除部分PN结，得到处理后的基片；

(3)在步骤(2)所述处理后的基片正面制备氧化层，在步骤(2)所述处理后的单晶基片背面制备减反射膜，在所述氧化层上制备减反射膜，得到含减反射膜的基片；

(4)根据背面电极图形对步骤(3)所述含减反射膜的基片的背面减反射膜进行烧蚀，得到烧蚀产品；

(5)在步骤(4)所述烧蚀产品的正反面印刷接触电极，进行烧结，进行电注入，得到所述单晶电池。

本发明提供的制备方法中，不进行镀氧化铝，这节省了镀氧化铝的设备，降低了成本；且不采用光注入而采用电注入，进一步节约了成本。

本发明提供的制备方法中，制备背面减反射膜的工艺以及电注入参数对于提升单晶电池的效率具有较大作用。

本发明中，步骤(2)掩膜覆盖的区域在所述去除部分PN结的操作后，成为重掺杂区，未被掩膜覆盖的区域在所述去除部分PN结的操作后，成为轻掺杂区。

本发明提供的制备方法中，单晶基片在步骤(3)中缓慢生成致密的氧化层，可以很好地阻挡金属离子达到单晶基片表面，从而达到良好的减小电势诱导衰减的效果；该步骤中，处理后的基片可以采取背靠背方式送进低压氧化炉来制备氧化层。而步骤(5)的烧结使得金属与单晶基片共融形成l良好的欧姆接触。步骤(5)中的电注入使电池片内部高BO复合体结构发生改变为低BO复合体，从而降低电池片光致衰减。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述单晶基片包括单晶硅。

优选地，步骤(1)所述腐蚀制绒的方法包括用碱溶液腐蚀单晶基片制绒。

优选地，步骤(1)所述腐蚀制绒得到的绒面为金字塔型绒面。所述金字塔型绒面，是指绒面主要由四棱椎型结构组成。

优选地，步骤(1)所述制备PN结的方法包括通磷源制备PN结。

优选地，步骤(1)所述PN结在所述制绒后的单晶基片的正面上制备。

优选地，步骤(1)所述PN结的方阻为70-80Ω，例如70Ω、72Ω、74Ω、76Ω、78Ω或80Ω等。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述制备掩膜的方法包括喷射制备掩膜。

优选地，步骤(2)所述掩膜包括石蜡掩膜。

优选地，步骤(2)所述掩膜的图形与步骤(4)的正面接触电极的栅线图形一致。

优选地，步骤(2)所述掩膜的区域与步骤(4)的正面接触电极的栅线的区域重合。

优选地，步骤(2)所述去除部分PN结的方法，包括使用第一酸去除所述带有PN结的基片的背面和四周PN结，用第二酸浸泡，用碱溶液浸泡，最后用第三酸去除表面氧化层。

其中，第二酸浸泡用于去除未被掩膜(石蜡)保护区域的部分厚度PN结以及去除氧化层，但受掩膜保护的区域不受腐蚀。碱浸用于去除掩膜(石蜡)。

优选地，所述第一酸和第二酸独立地包括氢氟酸和/或硝酸。第二酸优选为氢氟酸和硝酸的混酸，混酸不与石蜡反应。

优选地，所述第三酸包括氢氟酸。

优选地，步骤(2)中，带有PN结的基片上被掩膜覆盖的区域在经过去除部分PN结操作后方阻为70-80Ω，例如70Ω、72Ω、74Ω、76Ω、78Ω或80Ω等。

优选地，步骤(2)中，带有PN结的基片上未被掩膜覆盖的区域在经过去除部分PN结操作后的方阻为130-150Ω，例如130Ω、135Ω、140Ω、145Ω或150Ω等。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述氧化膜的厚度为1-2nm，例如1nm、1.2nm、1.4nm、1.6nm、1.8nm或2nm等。

优选地，步骤(3)在背面制备的减反射膜包括SiON:H减反射薄膜。

优选地，步骤(3)在背面制备的减反射膜的厚度为40-60nm，例如40nm、45nm、50nm、55nm或60nm等。

优选地，步骤(3)在背面制备的减反射膜的折射率为2.0-2.1。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)在步骤(2)所述处理后的单晶基片背面制备减反射膜的方法为等离子体气相沉积。

优选地，所述等离子体气相沉积的压力为1200-1400mtorr，例如1200mtorr、1250mtorr、1300mtorr、1350mtorr或1400mtorr等。

优选地，所述等离子体气相沉积的时间为285-430s，例如285s、300s、350s、400s或430s等。

优选地，所述等离子体气相沉积的射频功率为2000-4000W，例如2000W、2500W、3000W、3500W或4000W等。

优选地，所述等离子体气相沉积的过程中通入硅烷、氨气和笑气。

优选地，所述硅烷流量为300-500sccm，例如300sccm、350sccm、400sccm、450sccm或500sccm等，氨气流量为1000-3000sccm，例如1000sccm、1500sccm、2000sccm、2500sccm或3000sccm等，笑气流量为2000-3000sccm，例如2000sccm、2400sccm、2800sccm或3000sccm等。

优选地，步骤(3)在所述氧化层上制备减反射膜的方法为等离子体气相沉积。

优选地，步骤(3)在所述氧化层上制备的减反射膜包括SiON:H减反射薄膜。

作为本发明优选的技术方案，步骤(4)所述烧蚀用激光设备进行。

优选地，步骤(4)所述烧蚀使单晶基片的背面露出。

作为本发明优选的技术方案，步骤(5)的背面接触电极的图形覆盖步骤(4)的烧蚀区域。

优选地，步骤(5)所述电注入的电流为8.5-9.5A，例如8.5A、8.8A、9.0A、9.2A或9.5A等。

优选地，步骤(5)所述电注入的温度为165-185℃，例如165℃、170℃、175℃、180℃或185℃等。

优选地，步骤(5)所述电注入的时间为3200-4000s，例如3200s、3400s、3600s、3800s或4000s等。

作为本发明所述制备方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：

(1)对单晶基片进行碱溶液腐蚀制绒，制绒得到的绒面为金字塔型绒面，在制绒后的单晶基片上通磷源制备PN结，得到带有PN结的基片；所述PN结的方阻为70-80Ω；

(2)在步骤(1)所述带有PN结的基片表面喷射制备石蜡掩膜，去除部分PN结，得到处理后的基片；

所述去除部分PN结的方法，包括使用氢氟酸和/或硝酸去除所述带有PN结的基片的背面和四周PN结，用氢氟酸和硝酸的混酸浸泡，用碱溶液浸泡，最后用氢氟酸去除表面氧化层；

所述掩膜的图形与步骤(4)的正面接触电极的栅线图形一致且区域重回；

(3)在步骤(2)所述处理后的基片正面制备氧化层，在步骤(2)所述处理后的单晶基片背面用等离子体气相沉积制备SiON:H减反射膜，在所述氧化层上用等离子体气相沉积制备SiON:H减反射膜，得到含减反射膜的基片；

所述等离子体气相沉积的压力为1200-1400mtorr，时间为285-430s，射频功率为2000-4000W，所述等离子体气相沉积的过程中通入硅烷、氨气和笑气，所述硅烷流量为300-500sccm，氨气流量为1000-3000sccm，笑气流量为2000-3000sccm；

(4)根据背面电极图形对步骤(3)所述含减反射膜的基片的背面减反射膜进行激光烧蚀，使单晶基片的背面露出，得到烧蚀产品；

(5)在步骤(4)所述烧蚀产品的正反面印刷接触电极，进行烧结，进行电注入，得到所述单晶电池；

所述电注入的电流为8.5-9.5A，温度为165-185℃，时间为3200-4000s。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的制备方法得到的单晶电池。

作为本发明优选的技术方案，所述单晶电池包括依次层叠的背面减反射膜、P型半导体、N型半导体、氧化层和正面减反射膜；以及位于所述P型半导体和N型半导体之间的重掺杂区域，连接所述N型半导体的正电极和连接所述P型半导体的背电极。

所述重掺杂区，是指掺杂元素和半导体原子的浓度比在千分之一以上的区域。

本发明提供的单晶电池为太阳能电池，其正电极栅线与硅片接触重掺杂区域降低接触电阻，正电极栅线与栅线之间采用轻掺杂提高开压与电流，从而提升效率。硅片背面采用氮化硅薄膜，利用SiON:H减反射膜中氢离子在高温下游离结合硅片表面悬浮键与硅片体内缺陷，从而能提升转换效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的制备方法不进行镀氧化铝，这节省了镀氧化铝的设备，降低了成本；且不采用光注入而采用电注入，进一步节约了成本。该方法形成氧化层，可以很好地阻挡金属离子达到单晶基片表面，从而达到良好的减小电势诱导衰减的效果，电注入使电池片内部高BO复合体结构发生改变为低BO复合体，从而降低电池片光致衰减。

(2)本发明提供的单晶电池为太阳能电池，其转换效率高，光致衰减低。

附图说明

图1为实施例1的单晶电池制备流程示意图；

图2为实施例1提供的单晶电池的结构示意图；

其中，1-正电极；2-正面减反射薄膜；3-重掺杂区域；4-氧化层；5-N型半导体；6-P型半导体；7-背面减反射薄膜；8-背电极。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1

本实施例按照如下方法制备单晶电池：

a)采用单晶M2型号10000片硅片，使用碱溶液腐蚀硅片制作绒面；

b)将制绒过硅片放进低压扩散炉设备中，通磷源制作PN结，方阻控制为70Ω；

c)使用喷掩膜设备，在硅片表面部分区域喷射石蜡掩膜，此掩膜图形与后续硅片正面印刷金属栅线图形一致；

d)在链式酸抛刻蚀设备中，将经步骤c)部分区域喷掩膜后硅片，先使用氢氟酸去除硅片四周以及背面PN结，再将硅片浸泡在氢氟酸和硝酸按质量比1:1混合形成的混酸中去除氧化层和部分厚度的PN结，再将硅片浸泡在氢氧化钠溶液中去除石蜡，最后浸泡在氢氟酸溶液中去除硅片表面的氧化层，并使用纯水清洗和烘干，处理后重掺杂区域方阻为75Ω，轻掺杂区域方阻为130Ω；

e)刻蚀后硅片采取背靠背方式送进低压氧化炉，在硅片正面形成一层致密氧化层，氧化层厚度为1nm；

f)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片背面镀上一层或多层SiON:H减反射薄膜。硅烷流量为300sccm，氨气流量为1000sccm，笑气为2000sccm，压力为1200mtorr，射频功率为4000W，时间为285s，总膜厚为40nm、折射率为2.0；

g)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片正面氧化层基础上再镀一层或多层SiON:H减反射薄膜；

h)根据背面电极的图形使用激光设备将硅片背面部分区域SiON:H薄膜烧蚀，烧蚀露出硅片背面的硅；

i)采用丝网印刷设备在硅片正反面印刷接触电极；

j)硅片正反面印上电极电池进烧结炉，高温下金属与硅片共融形成良好欧姆接触；

k)硅片烧结完成进电注入设备，电注入电流为8.5A，时间为3200s，温度为165℃，使电池片光致衰减降低，得到所述单晶电池。对所述单晶电池进行性能测试。

本实施例提供的制备方法的流程简图如图1所示。

本实施例制备得到的单晶电池的结构示意图如图2所示，所述单晶电池包括依次层叠的背面减反射膜7、P型半导体6、N型半导体5、氧化层4和正面减反射膜2；以及位于所述P型半导体和N型半导体之间的重掺杂区域3，连接所述N型半导体的正电极1和连接所述P型半导体的背电极8。

本实施例制备得到的单晶电池的测试结果如表1、表2和表3所示。

实施例2

本实施例按照如下方法制备单晶电池：

a)采用单晶M2型号10000片硅片，使用碱溶液腐蚀硅片制作绒面；

b)将制绒过硅片放进低压扩散炉设备中，通磷源磷源制作PN结，方阻控制在75Ω；

c)使用喷掩膜设备，在硅片表面部分区域喷射石蜡掩膜，此掩膜图形与后续硅片正面印刷金属栅线图形一致；

d)在链式酸抛刻蚀设备中，将经步骤c)部分区域喷掩膜后硅片，先使用氢氟酸去除硅片四周以及背面PN结，再将硅片浸泡在氢氟酸和硝酸按质量比1:1混合形成的混酸中去除氧化层和部分厚度的PN结，再将硅片浸泡在氢氧化钠溶液中去除石蜡，最后浸泡在氢氟酸溶液中去除硅片表面的氧化层，并使用纯水清洗和烘干，处理后重掺杂区域方阻为78Ω，轻掺杂区域方阻为140Ω；

e)刻蚀后硅片采取背靠背方式送进低压氧化炉，在硅片正面形成一层致密氧化层，氧化层厚度为1.5nm；

f)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片背面镀上一层或多层SiON:H减反射薄膜。硅烷流量为400sccm，氨气流量为2000sccm，笑气为2500sccm，压力为1300mtorr，射频功率为3500W，时间为350S，总膜厚为50nm、折射率为2.05；

g)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片正面氧化层基础上再镀一层或多层SiON:H减反射薄膜；

h)根据背面电极的图形使用激光设备将硅片背面部分区域SiON:H薄膜烧蚀，烧蚀露出硅片背面的硅；

i)采用丝网印刷设备在硅片正反面印刷接触电极；

j)硅片正反面印上电极电池进烧结炉，高温下金属与硅片共融形成良好欧姆接触；

k)硅片烧结完成进电注入设备，电注入电流为9.0A，时间为3600S，温度为175℃，使电池片光致衰减降低，得到所述单晶电池。

本实施例制备得到的单晶电池的结构参照实施例1。

本实施例制备得到的单晶电池的测试结果如表1、表2和表3所示。

实施例3

本实施例按照如下方法制备单晶电池：

a)采用单晶M2型号10000片硅片，使用碱溶液腐蚀硅片制作绒面；

b)将制绒过硅片放进低压扩散炉设备中，通磷源制作PN结，方阻控制在80Ω；

c)使用喷掩膜设备，在硅片表面部分区域喷射石蜡掩膜，此掩膜图形与后续硅片正面印刷金属栅线图形一致；

d)在链式酸抛刻蚀设备中，将经步骤c)部分区域喷掩膜后硅片，先使用氢氟酸去除硅片四周以及背面PN结，再将硅片浸泡在氢氟酸和硝酸按质量比1:1混合形成的混酸中去除氧化层和部分厚度的PN结，再将硅片浸泡在氢氧化钠溶液中去除石蜡，最后浸泡在氢氟酸溶液中去除硅片表面的氧化层，并使用纯水清洗和烘干，处理后重掺杂区域方阻为85Ω，轻掺杂区域方阻为150Ω；

e)刻蚀后硅片采取背靠背方式送进低压氧化炉，在硅片正面形成一层致密氧化层，氧化层厚度为2.0nm；

f)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片背面镀上一层或多层SiON:H减反射薄膜。硅烷流量为500sccm，氨气流量为3000sccm，笑气为3000sccm，压力为1400mtorr，射频功率为4000W，时间为430S，总膜厚为60nm、折射率为2.03；

g)采用低压等离子体气相沉积设备在硅片正面氧化层基础上再镀一层或多层SiON:H减反射薄膜；

h)根据背面电极的图形使用激光设备将硅片背面部分区域SiON：H薄膜烧蚀，烧蚀露出硅片背面的硅；

i)采用丝网印刷设备在硅片正反面印刷接触电极；

j)硅片正反面印上电极电池进烧结炉，高温下金属与硅片形成良好欧姆接触；

k)硅片烧结完成进电注入设备，电注入电流为9.5A，时间为4000s，温度为185℃，使电池片光致衰减降低，使电池片光致衰减降低，得到所述单晶电池。

本实施例制备得到的单晶电池的结构参照实施例1。

本实施例制备得到的单晶电池的测试结果如表1、表2和表3所示。

对比例1

本对比例的制备方法与实施例1的区别在于，步骤b)制作的PN结方阻为95Ω，不进行步骤c)和步骤e)的操作，其他方面均与与实施例1相同。

本对比例制备得到的单晶电池的测试结果如表1、表2和表3所示。

对比例2

本对比例按照如下方法制备PERC电池：

1.使用槽式碱溶液在单晶M2型号硅片上制作“金字塔”绒面；

2.使用低压管式扩散炉在硅片正面制作PN结；

3..使用槽式碱抛设备去除硅片四周、背面PN结，以及去除硅片正面的氧化层；

4.刻蚀后硅片采取背靠背方式送进低压氧化炉，硅片正面形成一层致密氧化层；

5.采用ALD设备在硅片背面镀上一层氧化铝钝化膜；6.采用低压等离子体气相沉积设备在硅片正面氧化层基础上再镀一层或多层氮化硅减反射薄膜；

7.采用低压等离子体气相沉积设备在硅片背面镀上一层或多层氮化硅减反射薄膜；

8.使用激光设备将硅片背面部分区域氮化硅薄膜烧蚀，烧蚀露出硅片背面的硅；

9.采用丝网印刷设备在硅片正反面印刷接触电极；

10.硅片正反面印上电极电池进烧结炉，高温下金属与硅片共融形成良好欧姆接触；

11.硅片烧结完成进光注入设备，使硅片体内高BO复合体转变低BO复合体结构；

12.完成成品电池并测试电池转换效率。

本对比例制备得到的PERC电池的测试结果如表1、表2和表3所示。

测试方法：

测试各实施例和对比例的产品的转换效率数据。测试结果见表1。

在5KW·h和65℃条件下测试各实施例和对比例的产品的光致衰减数据(选择10个样品取平均)。测试结果见表2。

在温度85℃、湿度85％、-1000V、96H的条件下测试各实施例和对比例的产品的电势诱导衰减数据。测试结果见表3。

表1

表2

表3

从表1可以看出实施例相比对比例1效率要高0.88％-0.91％，而对比例电池背面没有效率，而实施例电池背面效率为14.49％-15.33％；实施例相比对比例2正反面电池效率稍微有优势；(Ncell的提升一般很难，上述幅度的提升在本领域中已属于显著的进步)。

从表2可以看出实施例相比对比例光致衰减要低0.55％-1.31％。

从表3可以看出实施例相比对比例电势诱导衰减要低2.63％-2.8％。

实施例1相比于对比例1，优点在于：

a)本发明实施例1电池工艺效率相比对比例1电池工艺，具有转换效率高，而且电池双面都可以发电的优点；

b)本发明实施例1电池工艺光衰相比对比例1电池工艺，具有明显低，电池组串成组件受到光照后效率衰减小，将会转换更多的电能；

c)本发明实施例1电池工艺电势诱导衰减相比对比例1电池工艺，具有明显的好，电池组串成组件在系统端受到严苛的环境因数影响，在高温、高湿、高电压下电池效率衰减小，将会转换更多的电能。

各实施例相对于对比例2，优点在于：

1)实施例硅片背面少了一层氧化铝薄膜，节省购买镀氧化铝设备金钱，节省操作氧化铝设备的人员，节省维护保养氧化铝设备的金钱；

2)实施例在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区，正电极与该区域接触有较小的接触电阻，提高填充因子。在其他区域(活性区域)形成低掺杂浅扩散区，降低少数载流子的体复合，减小电池的反向饱和电流，提高电池的开路电压和短路电流。这样便获得了一个横向高低结，该种结构的优点是获得高的光电转换效率。

3)实施例的电注入设备占地相比光注入小，电注入光衰相比光注入光衰稍小，有利于系统端发电量，光注入设备中灯管为易耗件，以市面上光注入某品牌为例功率为160KW，以市面上某品牌电注入为例功率为40KW，两者对比电注入设备功率相比光注入功率小的多，灯管故障需更换影响产能以及成本上升等。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。