一种背表面电介质钝化的太阳电池及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种背表面电介质钝化、局域金属接触的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
晶体硅光伏太阳电池研究的一个重要驱动力就是降低每峰值瓦的成本。因此，降低晶体硅的厚度和研究替代的硅材料和制备工艺是降低其成本的一个主要研究方向。现在，大部分的硅太阳电池主要都是采用P型晶体硅材料。
现在常规P型晶体硅太阳电池的结构为：前表面电极以及减反射层，n+发射极，在硅衬底的背表面丝印Al浆料，经过高温烧结后，在硅衬底的背面依次形成Al掺杂的P型硅、Al-Si合金层、Al金属层，这层Al掺杂的P型硅区别于衬底硅之处在于掺杂程度增加，称为Al背电场，Al-Si合金层和最外一层Al金属层成为金属电极。丝网印刷时是整个硅衬底背面都印上了Al浆料，因此形成的是全Al背电场以及Al电极。较好的Al背电场要求丝印较厚的Al浆料，当硅变薄时，较厚的Al浆料在经过烧结之后将会由于Al与硅之间的应力差使硅发生翘曲，增加了碎片率。另外一方面，金属Al铺在整个背表面，与硅(背电场P+)直接接触，导致背表面的少子复合速度非常高，不利于光生电流的收集。
针对于全Al背电场的问题，中国专利CN101431113A提出了一种背表面电介质钝化的电池结构，采用的结构是二氧化硅或者氮化硅。SiO2对硅具有较好的钝化性能。其物理机制在于SiO2薄膜终止硅表面的悬挂键，并不是源于SiO2薄膜能够聚集正电荷，但是较薄的SiO2钝化特性会发生衰减，要获得稳定的钝化特性需要比较厚的SiO2层，其制备需要长时间的高温过程。SiNx局域背电场常用作硅表面的钝化膜，并应用到太阳电池领域中。它通过在硅界面积累高浓度的正电荷而实现场效应钝化。在P型硅衬底上这些正电荷在界面上形成一个反型层，引起了浮动结，成为降低太阳能电池性能的一个因素。
【发明内容】
本发明的目的是提高现有晶体硅太阳电池的效率，提出一种背表面电介质钝化、局域金属接触的太阳电池及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
本发明太阳电池是一种具有电介质Al2O3薄膜钝化硅衬底的背表面，背表面局域金属电极接触的晶体硅太阳电池，所述太阳电池从正表面，即太阳光入射面起向下排列顺序依次为：减反射层，前电极，n+发射极，P型硅区域，太阳电池的背表面即非太阳光入射面，P型硅区域的下面依次为局域背电场P+，金属Al电极，电介质钝化膜Al2O3。本发明晶体硅太阳电池在非太阳光入射面的背表面一侧的电介质Al2O3薄膜作为钝化层，电池背表面的金属Al电极通过局域背电场P+与硅衬底接触。
本发明太阳电池的背表面采用电介质Al2O3钝化，激光烧蚀Al2O3钝化膜暴露出与金属接触的硅。通过电介质Al2O3钝化膜中包含的大量固定负电荷，对n+发射极表面起到较好的钝化效果。本发明制备方法通过激光烧蚀部分Al2O3钝化膜，暴露出P型硅，经随后的丝印铝浆料，暴露的P型硅与铝浆料直接接触，经高温烧结之后形成铝重掺杂的背电场，而没有烧蚀的部分电介质Al2O3钝化膜则阻挡了铝向P型硅内扩散，从而与P型硅形成局域金属接触。
本发明在硅衬底背表面沉积电介质Al2O3钝化膜，采用激光烧蚀电介质Al2O3钝化膜形成金属接触图形，然后在硅衬底的背表面沉积Al薄膜，可以采用丝网印刷、蒸发、溅射或其他的物理、化学方法，沉积一层厚度小于50微米大于1微米的Al层，随之用丝网印刷将Ag浆料印刷在硅衬底的正表面，即减反射层上，最后烧结成为太阳能电池。
本发明制备的太阳电池中硅衬底的背表面钝化层为Al2O3薄膜，起到较好钝化效果的电介质Al2O3钝化膜是包含固定负电荷的薄膜。
本发明所述的利用电介质Al2O3背表面钝化层的制作过程为：
1)将100g异丙醇Al(质量浓度98％)溶解在沸腾的稀释的硝酸溶液中，并且一直搅拌；所述地稀释的硝酸溶液中水与硝酸的体积比为450ml H2O∶lml HNO3；
2)在搅拌的过程中，往步骤1)配制的溶液中加入HNO3，使溶液的PH值保持在4.5；
3)将步骤2)制得的溶液冷却到室温之后，便获得透明的Al2O3凝胶；
4)将所述的Al2O3凝胶按照凝胶：H2O＝1∶1(体积比)混合，成为旋涂液；
5)旋涂溶胶液体：首先在2000转/分的低转速下将步骤4)所得的旋涂液涂覆在硅衬底的背表面上，时间维持10s，然后在3500转/分的速度下旋转20s；
6)将步骤5)的制备产物在100-150℃温度下烘烤，烘烤时间不超过1分钟；
7)在350-650℃温度范围下，在氧气氛下进行退火，退火时间在一小时以内，氧流量为1L/min。
本发明所述的利用电介质Al2O3背表面钝化层的制作过程为：采用商业化的激光工艺设备激光烧蚀电介质Al2O3钝化膜形成金属接触图形，例如由小孔阵列、直线组成的图形。
本发明的优点是：通过背表面电介质Al2O3钝化膜的固定负电荷的表面钝化作用，以及激光烧蚀形成的局域接触窗口，可以显著提高P型晶体硅太阳电池的效率及降低生产成本。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明太阳电池结构示意图；
图中：1.减反射层，2.前电极，3.n+发射极，4.P型硅区域，5.局域背电场P+，6.金属Al电极，7.电介质钝化膜Al2O3。
【具体实施方式】
如附图所示，本发明太阳电池以太阳光照射面为正表面，所述太阳电池从正表面起向下排列顺序依次为：减反射层1，前电极2，n+发射极3，P型硅区域4，太阳电池的背表面即非太阳光入射面，在P型硅区域4的下面依次为局域背电场P+5，金属Al电极6，电介质钝化膜Al2O3 7。本发明晶体硅太阳电池中在非太阳光入射面一侧的Al2O3薄膜作为硅的背表面钝化层，金属Al电极通过背电场P+与硅局域接触。
制备所述的本发明太阳电池的工艺步骤如下：
1、做硅衬底：去除硅片表面损伤层，制绒；
2、在常规的扩散炉中采用POCl3液态扩散源进行磷扩散，在硅衬底的正表面形成n+发射极；
3、利用反应离子刻蚀，去掉硅衬底周边的n+；
4、在n+发射极上采用等离子体增强化学气相沉积氮化硅减反射层；
5、采用溶胶-凝胶方法制备所述电介质Al2O3钝化层，然后采用旋涂方法将凝胶溶液沉积在需要钝化的硅衬底的背表面。具体过程如下：
1)将100g异丙醇铝(质量浓度98％)溶解在沸腾的稀释的硝酸溶液中，并且一直搅拌；所述的稀释的硝酸溶液中水与硝酸的体积比为450ml H2O∶1ml HNO3；
2)在搅拌的过程中，往步骤1)配制的溶液中加入HNO3，使溶液的PH值保持在4.5；
3)将步骤2)制得的溶液冷却到室温之后，便获得透明的Al2O3凝胶；
4)将所述的Al2O3凝胶按照凝胶：H2O＝1∶1(体积比)混合，成为旋涂液，该旋涂液粘度为11Pa·s(粘度计测量)；
5)旋涂液体，可以多次旋涂得到需要的厚度。采用两步方法在旋涂仪上进行旋涂溶胶液体：首先在2000转/分的低转速下将步骤4)所得的旋涂液涂覆在硅衬底的背表面上，时间维持10s，然后在3500转/分的速度下旋转20s。采用这种旋涂的方法是为了得到厚度均匀分布的凝胶薄膜；
6)将沉积了一定厚度的Al2O3凝胶薄膜在100-150℃进行烘烤处理，时间不超过1分钟，将步骤5)制得薄膜中的水分去掉；
7)在350-650℃温度范围下，在氧气氛下进行退火，退火时间在一小时以内，氧流量为1L/min。退火的目的是促进电介质Al2O3薄膜的形成，通入氧是减少薄膜中的缺陷，提高薄膜的钝化特性及其稳定性；退火的设备为管式炉或链式炉。
6、采用商业化的激光工艺设备激光烧蚀电介质Al2O3钝化膜形成金属接触图形；
7、在Al2O3钝化膜上沉积Al薄膜，可以采用丝网印刷、蒸发、溅射或其他的物理、化学方法，沉积Al层，随之用丝网印刷将Ag浆料印刷减反射层上；
8、将步骤7制备产物送入烧结炉内按照使用的商业Ag和Al浆料的温度曲线进行烧结，烧结的目的是使丝印的Ag浆料、背面的Al层与硅形成较好的欧姆接触。
至此以P型硅作为衬底的晶体硅太阳电池制作完毕。
实施例1
1、去除硅片表面损伤层，制绒；
2、在常规的扩散炉中采用POCl3液态扩散源进行磷扩散，在硅衬底的正表面(即太阳光入射面)形成n+发射极；
3、利用反应离子刻蚀，去掉硅衬底周边的n+；
4、在n+上用等离子体增强化学气相沉积减反射层氮化硅；
5、采用溶胶-凝胶方法制备所述背表面电介质Al2O3钝化层，然后采用旋涂方法将凝胶溶液沉积在需要钝化的硅衬底的背表面。具体过程如下：
1)将100g异丙醇铝(质量浓度98％)溶解在沸腾的稀释的硝酸溶液中，并且一直搅拌；所述的稀释的硝酸溶液中水与硝酸的体积比为450ml H2O∶1ml HNO3；
2)在搅拌的过程中，往步骤1)配制的溶液中加入HNO3，使溶液的PH值保持在4.5；
3)将步骤2)制得的溶液冷却到室温之后，便获得透明的Al2O3凝胶；
4)将所述的Al2O3凝胶按照凝胶：H2O＝1∶1(体积比)混合，成为旋涂液，用粘度计测量该旋涂液粘度为11Pa·s；
5)采用两步方法在旋涂仪上旋涂溶胶液体：首先在2000转/分的低转速下将步骤4)所得的旋涂液涂覆在硅衬底的背表面上，时间维持10s，然后在3500转/分的速度下旋转20s；
6)将步骤5)的产物在100℃下烘烤1分钟，去除薄膜中的水分；
7)在350℃温度下，在氧气氛下进行退火，退火时间为50分钟，氧的流量为1L/min。退火的设备为管式炉或链式炉。
6、采用商业化的激光工艺设备激光烧蚀电介质Al2O3钝化膜形成金属接触图形；
7、在Al2O3钝化膜上采用丝网印刷方法丝印Al层，随之用丝网印刷将Ag浆料印刷在正表面的减反射层上；
8、将工艺7制备产物送入烧结炉内按照使用的商业Ag和Al浆料的温度曲线进行烧结，烧结的目的是使丝印的Ag浆料，背面的Al层与硅形成较好的欧姆接触。
至此以P型硅作为衬底的晶体硅太阳电池制作完毕。
实施例2：
1、去除硅片表面损伤层，制绒；
2、在常规的扩散炉中采用POCl3液态扩散源进行磷扩散，在硅衬底的正表面(即太阳光入射面)形成n+发射极；
3、利用反应离子刻蚀，去掉硅衬底周边的n+；
4、在n+表面上沉积等离子体增强化学气相沉积方法制备的氮化硅减发射层
5、采用溶胶-凝胶方法制备所述背表面电介质Al2O3钝化层，然后采用旋涂方法将凝胶溶液沉积在需要钝化的硅衬底的背表面。具体过程如下：
1)将100g异丙醇铝(质量浓度98％)溶解在沸腾的稀释的硝酸溶液中，并且一直搅拌；所述的稀释的硝酸溶液中水与硝酸的体积比为450ml H2O∶1ml HNO3；
2)在搅拌的过程中，往步骤1)配制的溶液中加入HNO3，使溶液的PH值保持在4.5；
3)将步骤2)制得的溶液冷却到室温之后，便获得透明的Al2O3凝胶；
4)将所述的Al2O3凝胶按照凝胶：H2O＝1∶1(体积比)混合，成为旋涂液，用粘度计测量该旋涂液粘度为11Pa·s；
5)采用两步方法在旋涂仪上进行旋涂溶胶液体：首先在2000转/分的低转速下将步骤4)所得的旋涂液涂覆在硅衬底的背表面上，时间维持10s，然后在3500转/分的速度下旋转20s；
6)将步骤5)的产物在150℃下烘烤30秒，去除薄膜中的水分；
7)在550℃下，在氧气氛下进行退火，退火时间为45分钟，氧的流量为1L/min。
6、采用商业化的激光工艺设备激光烧蚀Al2O3钝化膜形成金属接触图形；
7、在Al2O3钝化膜上用丝网印刷方法丝印Al层，随之用丝网印刷将Ag浆料印刷在太阳电池的减反射层上；
8、将工艺7制备产物送入烧结炉内按照使用的商业Ag和Al浆料的温度曲线进行烧结，烧结的目的是丝印的Ag浆料，背面的Al层与硅形成较好的欧姆接触以及P+背电场。
至此，以P型硅作为衬底的晶体硅太阳电池制作完毕。
实施例3：制备所述的本发明太阳电池，制备工艺步骤如下：
1、去除硅片表面损伤层，制绒；
2、在常规的扩散炉中采用POCl3液态扩散源进行磷扩散，在硅衬底的正表面(即太阳光入射面)形成n+发射极；
3、利用反应离子刻蚀，去掉硅衬底周边的n+；
4、在n+表面上沉积等离子体增强化学气相沉积方法制备的氮化硅减发射层；
5、采用溶胶-凝胶方法制备所述背表面Al2O3钝化层，然后采用旋涂方法将凝胶溶液沉积在需要钝化的硅衬底的背表面。具体过程如下：
1)将100g异丙醇铝(质量浓度98％)溶解在沸腾的稀释的硝酸溶液中，并且一直搅拌；所述的稀释的硝酸溶液中水与硝酸的体积比为450ml H2O∶1ml HNO3；
2)在搅拌的过程中，往步骤1)配制的溶液中加入HNO3，使溶液的PH值保持在4.5；
3)将步骤2)制得的溶液冷却到室温之后，便获得透明的Al2O3凝胶；
4)将所述的Al2O3凝胶按照凝胶：H2O＝1∶1(体积比)混合，成为旋涂液，用粘度计测量，该旋涂液粘度为11Pa·s；
5)采用两步方法在旋涂仪上进行旋涂溶胶液体：首先在2000转/分的低转速下将步骤4)所得的旋涂液涂覆在硅衬底的背表面上，时间维持10s，然后在3500转/分的速度下旋转20s；
6)将步骤5)的产物在120℃下烘烤30秒，去除薄膜中的水分；
7)在650℃温度下，在氧气氛下进行退火，退火时间为30分钟，氧的流量为1L/min；
6、采用商业化的激光工艺设备激光烧蚀电介质Al2O3钝化膜形成金属接触图形；
7、在Al2O3钝化膜上采用丝网印刷方法丝印的Al层，随之用丝网印刷将Ag浆料印刷在太阳电池的减反射层上；
8、将工艺7制备产物送入烧结炉内按照使用的商业Ag和Al浆料的温度曲线进行烧结，烧结的目的是丝印的Ag浆料，背面的Al层与硅形成较好的欧姆接触以及P+背电场。
至此以P型硅作为衬底的晶体硅太阳电池制作完毕。