專利名稱：一種雙面鈍化晶硅太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體硅太陽能電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種雙面鈍化晶硅太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池是可以將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電器件。最通用的太陽能電池材料是硅，以單晶或者多晶硅的形式存在。由于利用硅基太陽能電池的發(fā)電成本高于傳統(tǒng)方法的發(fā)電成本，可以通過提高太陽能電池效率的方法降低發(fā)電成本。如圖1所示，常規(guī)太陽能電池結(jié)構(gòu)包括鋁薄層1、基區(qū)2、PN結(jié)3、發(fā)射區(qū)4、介質(zhì)層5、正面電極6以及背面電極7。PN結(jié)3布置在太陽能電池片的基區(qū)2和發(fā)射區(qū)4之間，并且當(dāng)入射光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對。介質(zhì)層5作為太陽能電池片的減反射層，同樣用作發(fā)射區(qū)4表面的鈍化層。所述正面電極6和背面電極7分別置于高效晶硅太陽能電池正面和背面。目前晶硅太陽能電池制作工藝步驟如下首先將太陽能電池硅片進行清洗和腐蝕金字塔絨面，擴散工藝制作PN結(jié)，刻蝕工藝去掉PSG磷硅玻璃，利用PECVD方法進行雙面鈍化，燒結(jié)工藝制作正面電極和背面電極，最后完成太陽能電池的制作。當(dāng)光照到太陽能電池上時，在PN結(jié)3兩側(cè)上產(chǎn)生電子空穴對。電子擴散經(jīng)過PN結(jié)3到更低能帶而空穴向相反方向擴散，在發(fā)射區(qū)產(chǎn)生陽離子，并在基區(qū)產(chǎn)生陽離子。當(dāng)發(fā)射區(qū)和基區(qū)構(gòu)成回路時，回路中會有電流流過。光電轉(zhuǎn)換效率受若干參數(shù)影響，包括太陽能電池中電子和空穴的速率和光反射程度。當(dāng)電子和空穴發(fā)生復(fù)合時，其中，電子和空穴運動方向相反，彼此復(fù)合。每次電子-空穴對在太陽能電池復(fù)合時，載流子消失，由此可以降低太陽能電池的效率。復(fù)合可以發(fā)生在電池片的本征硅內(nèi)或者在電池片的表面上。在本征硅內(nèi)，復(fù)合是由于缺陷的數(shù)量決定的。在電池片的表面上，復(fù)合由懸掛鍵的數(shù)量決定即存在于表面的未飽和懸掛鍵。因為電池片的硅晶格終止于電池片表面，所以懸掛鍵也位于電池片的表面。這些未飽和的化學(xué)鍵起著缺陷的作用，并位于硅的能帶范圍內(nèi)，并因此成為電子空穴對的復(fù)合位置。通過減少表面復(fù)合，電池片的表面鈍化可以極大地提高太陽能太陽能電池片的效率。鈍化定義為硅晶格表面上的懸掛鍵的化學(xué)終結(jié)。為了鈍化電池片的表面，在表面上形成介質(zhì)層。從而將表面上的懸掛鍵的數(shù)量減少3或者4個數(shù)量級。對于太陽能電池應(yīng)用，介質(zhì)層通常是氮化硅層。大部分懸掛鍵用硅或者氮原子飽和。因為氮化硅是非晶材料，發(fā)射區(qū)之間的硅晶格十分匹配，而介質(zhì)層的非晶結(jié)構(gòu)卻失配。因此，在介質(zhì)層形成后的表面上懸掛鍵的數(shù)量足以顯著減少太陽能電池片的效率，這就要求表面的額外鈍化，諸如氫鈍化。在多晶硅太陽能電池的情況中，氫可以幫助鈍化晶界上的缺陷中心。當(dāng)介質(zhì)層5是氮化硅層時，通過引入本征介質(zhì)層中的氫原子的最優(yōu)濃度。最優(yōu)氫原子濃度受多個因素影響，包括薄膜性質(zhì)和 沉積介質(zhì)層的方法，在5%和20%之間變化。在沉積完介質(zhì)層之后，太陽能電池片進行高溫退火工藝，有時稱為燒結(jié)工藝，和電池片形成金屬接觸。上述結(jié)構(gòu)的太陽能電池是常規(guī)太陽能電池，我們需要提高太陽能電池的效率。眾所周知，在本征介質(zhì)層中的最優(yōu)氫原子濃度是用于氫原子鈍化工藝的關(guān)鍵參數(shù)。例如，據(jù)估計由于表面缺少氫原子鈍化，可以將電池片的效率從大約14-15%降低到12-13%。如何進一步提高效率，降低成本是國內(nèi)外晶體硅太陽能電池研究領(lǐng)域的基本目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種雙面鈍化晶硅太陽能電池及其制備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種雙面鈍化晶硅太陽能電池，包括基區(qū)、PN結(jié)、發(fā)射區(qū)、第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層、第三介質(zhì)層、鋁薄層、第一本征氫化非晶硅層、第二本征氫化非晶硅層、正面電極及背面電極，其中PN結(jié)位于基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間，所述第一介質(zhì)層作為正面減反射層和鈍化層，所述第二介質(zhì)層作為背面鈍化層，所述第三介質(zhì)層作為所述背面介質(zhì)層的蓋層，所述第一本征氫化非晶娃層位于第一介質(zhì)層和發(fā)射區(qū)之間，所述第二本征氫化非晶娃層位于基區(qū)和第二介質(zhì)層之間，所述鋁薄層位于第三介質(zhì)層的外側(cè)，所述正面電極和背面電極分別置于晶硅太陽能電池正面和背面。所述第三介質(zhì)層和第一介質(zhì)層作為鈍化層具有陽離子，材料是氮化硅、碳化硅或
氧化硅。所述氮化硅內(nèi)固定離子濃度為1010-1011cm_3，所述碳化硅內(nèi)固定離子濃度高達(dá)lOllcnT3，所述氧化硅內(nèi)固定離子濃度為lOlO-lOllcnT3。

所述第三介質(zhì)層和第一介質(zhì)層含有的H濃度為5-15%。所述氮化硅膜層折射率在2. 15以內(nèi)，膜層厚度在97nm以內(nèi)。所述第二介質(zhì)層作為鈍化層具有陰離子，陰離子濃度高達(dá)1013cnT3，材料為氧化鋁，所述氧化鋁膜層折射率在1. 70以內(nèi)，膜層厚度在60nm以內(nèi)。所述第一本征氫化非晶硅層和第二本征氫化非晶硅層的膜層厚度在IOnm以內(nèi)。一種雙面鈍化晶硅太陽能電池的制備方法，包括將所述太陽能電池硅片進行清洗和腐蝕金字塔絨面、擴散工藝制作PN結(jié)、刻蝕工藝去除掉PSG磷硅玻璃、制造雙面鈍化層、采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)制備正面電極和背面電極，最后完成太陽能電池的制作。所述制造雙面鈍化層在微波PECVD系統(tǒng)中進行，包括下述幾個步驟將電池片傳輸進裝載腔；降低所述裝載腔的真空度；將所述電池片傳輸至第一工藝腔；在所述第一工藝腔內(nèi)在所述基區(qū)和發(fā)射區(qū)上分別沉積第一本征氫化非晶硅層和第二本征氫化非晶硅層；將所述電池片傳輸至第二工藝腔；在所述第二工藝腔上沉積介質(zhì)層；將所述電池片傳輸至第三工藝腔；在所述第三工藝腔內(nèi)上沉積介質(zhì)層；
在所述第三工藝腔內(nèi)下沉積介質(zhì)層；將所述電池片傳輸出所述微波PECVD。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是1.本發(fā)明利用微波PECVD在第一工藝模塊使用SiH4 (硅烷)和H2作為前驅(qū)氣體，可以沉積本征硅本征氫化非晶硅層。2.本發(fā)明提供了一種利用微波PECVD方法來沉積AlOx介質(zhì)層和SiN介質(zhì)層作為太陽能電池片上鈍化層。通過該方法允許系統(tǒng)構(gòu)造成用于處理大面積的電池片以實施太陽能電池片上的AlOx鈍化層和SiN鈍化層上的沉積，從而利用系統(tǒng)的高沉積速率和優(yōu)良的薄膜均勻性。3.本發(fā)明利用微波PECVD方法實現(xiàn)高質(zhì)量的背表面鈍化，可以提高轉(zhuǎn)化效率I %。4.本發(fā)明微波PECVD特點在于共有七個門閥、10個真空腔體，可同時沉積電池片背表面ΑΙΟχ/SiN介質(zhì)復(fù)合層和正面SiN介質(zhì)層，四個預(yù)熱腔結(jié)構(gòu)完全一致，便于快速拆卸，可以實現(xiàn)不破壞熱場和真空的情況下上沉積和下沉積。


圖1是常規(guī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1中I為鋁薄層；2為基區(qū)；3為PN結(jié)；4為發(fā)射區(qū)；5為介質(zhì)層；6為正面電極；7為背面電極。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意`
圖3是本發(fā)明微波PECVD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2、圖3中8為招薄層,9為第三介質(zhì)層，10為第二介質(zhì)層，11為第一本征氫化非晶娃層，12為基區(qū)，13為PN結(jié)，14為發(fā)射區(qū)，15為第二本征氫化非晶娃層，16為第一介質(zhì)層，17為正面電極，18為背面電極，26為裝載腔，28為第一預(yù)熱腔，29為第一工藝腔，30為第二預(yù)熱腔，32為第三預(yù)熱腔，34為第二工藝腔，35為第四預(yù)熱腔、37為第五預(yù)熱腔37，39為第三工藝腔，40為冷卻腔，42為卸載腔，19、20、21、22、23、24為真空泵組，25、27、31、33、36、38、41、43 為門閥。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。Si表面的鈍化方法有兩種。第一種降低Si表面的界面缺陷濃度，例如通過H原子鈍化Si的懸掛鍵。這種方法叫化學(xué)鈍化。第二種方法通過表面的自建電場，即降低Si表面少子濃度，這種方法叫場效應(yīng)鈍化，可以通過界面摻雜或者在Si表面薄膜內(nèi)沉積固定離子來實現(xiàn)。AlOx具有濃度非常高的陰離子(高達(dá)1013cm_3)。幾乎所有的其他材料(特別是SiOdPa-SiNx: H)具有濃度很低的陰離子。對于AlOx來說，陰離子位于Si上SiOx和AlOx交界處。此外，AlOx內(nèi)的陰離子濃度取決于AlOx的制備方法。通過等離子輔助ALD和PECVD制備的AlOx薄膜內(nèi)的陰離子濃度高于熱ALD制備的AlOx薄膜內(nèi)的陰離子濃度。AlOx的另外一個作用是在熱處理期間(退火和燒結(jié)工藝)可以向Si表面提供氫。從而AlOx薄膜可以起到化學(xué)鈍化的作用，直接沉積在H終結(jié)的Si或者包含沉積SiOx層(例如通過PECVD或ALD)的Si上，SiOx層本身鈍化性能很差(即沒有AlOx薄膜時)。如圖2所示，本發(fā)明包括基區(qū)12、PN結(jié)13、發(fā)射區(qū)14、第一介質(zhì)層16、第二介質(zhì)層10、第三介質(zhì)層9、招薄層8、第一本征氫化非晶娃層11、第二本征氫化非晶娃層15、正面電極17及背面電極18，其中PN結(jié)13位于基區(qū)12和發(fā)射區(qū)14之間，第一介質(zhì)層16作為正面減反射層和鈍化層，第二介質(zhì)層10作為背面鈍化層，第三介質(zhì)層9作為背面介質(zhì)層10的蓋層。第一本征氫化非晶娃層11位于第一介質(zhì)層16和發(fā)射區(qū)14之間,第二本征氫化非晶娃層15位于基區(qū)12和第二介質(zhì)層10之間，鋁薄層8位于第三介質(zhì)層9的外側(cè)，正面電極17和背面電極18分別置于晶硅太陽能電池正面和背面。第三介質(zhì)層9和第一介質(zhì)層16作為鈍化層具有陽離子，材料是氮化硅、碳化硅或氧化硅。氮化硅內(nèi)固定離子濃度為lOlO-lOllcnT3，碳化硅內(nèi)固定離子濃度高達(dá)lOllcnT3，氧化娃內(nèi)固定離子濃度為1010-1011cm_3。第三介質(zhì)層9和第一介質(zhì)層16含有的H濃度為5-15%。氮化硅膜層折射率在2. 15以內(nèi)，膜層厚度在97nm以內(nèi)。第二介質(zhì)層10作為鈍化層具有陰離子，陰離子濃度高達(dá)1013cm—3，材料為氧化鋁，所述氧化鋁膜層折射率在1. 70以內(nèi)，膜層厚度在60nm以內(nèi)。第一本征氫化非晶娃層11和第二本征氫化非晶娃層15的膜層厚度在IOnm以內(nèi)。雙面鈍化晶硅太陽能電池的制備方法，包括將所述太陽能電池硅片進行清洗和腐蝕金字塔絨面、擴散工藝制作PN結(jié)、刻蝕工藝去除掉PSG磷硅玻璃、制造雙面鈍化層、采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)制備正面電極和背面電極，最后完成太陽能電池的制作。所述制造雙面鈍化層在微波PECVD系統(tǒng)中進行，PECVD工藝模塊包含第一工藝腔29、第二工藝腔34及第三工藝腔39，其中第一工藝模塊29使用SiH4和H2作為前驅(qū)氣體，可以沉積本征硅本征氫化非晶硅層，第二工藝膜塊34使用TMA(三甲基鋁)和N2O作為前驅(qū)氣體，可以沉積AlOx膜層。第三工藝膜塊39使用SiH4和NH3(氨氣)作為前驅(qū)氣體，可以先后進行上、下 沉積SiN介質(zhì)層。制造雙面鈍化層，包括下述幾個步驟將電池片傳輸進裝載腔26 ; 降低所述裝載腔26的真空度；將所述電池片傳輸至第一工藝腔29 ；在所述第一工藝腔29內(nèi)在所述基區(qū)12和發(fā)射區(qū)14上分別沉積第一本征氫化非晶娃層11和第二本征氫化非晶娃層15 ；將所述電池片傳輸至第二工藝腔34 ；在所述第二工藝腔34上沉積介質(zhì)層10 ；將所述電池片傳輸至第三工藝腔39 ；在所述第三工藝腔39內(nèi)上沉積介質(zhì)層9 ；在所述第三工藝腔39內(nèi)下沉積介質(zhì)層16 ；將所述電池片傳輸出所述微波PECVD。本發(fā)明在電阻率為1. 3 Ω cnm的p型區(qū)熔硅片上，首先使用標(biāo)準(zhǔn)線型等離子源結(jié)構(gòu)的PECVD在第一工藝腔29內(nèi)進行沉積，沉積本征硅本征氫化非晶硅層，工藝條件為前驅(qū)氣體SiH44sccm、H24sccm,功率12W、沉積功率ITorr,沉積91s,本征層厚度為5nm,該本征層完全可以覆蓋娃片表面，飽和娃片表面的娃懸掛鍵，對娃片表面進行很好的鈍化，使娃片表面復(fù)合速率降到世界最低3cm/s，從而得到較高的太陽電池轉(zhuǎn)換效率，尤其是得到較高的開路電壓。其次使用標(biāo)準(zhǔn)線型等離子源結(jié)構(gòu)的PECVD在第二工藝腔34內(nèi)進行沉積，TMA流量為lOOsccm，N2O流量為2000sccm，設(shè)定沉積溫度為350°C，功率為2000W，傳輸速度設(shè)定為150cm/min,沉積30nm的氧化招、折射率為1. 64。再次使用標(biāo)準(zhǔn)線型等離子源結(jié)構(gòu)的PECVD在第三工藝腔39內(nèi)進行沉積，SiH4流量為300sccm，NH3流量1800sccm，沉積時間30Pa，平均功率2000W，沉積溫度400°C，沉積厚度8011111，折射率2.01的SiN蓋層。最后使用標(biāo)準(zhǔn)線型等離子源結(jié)構(gòu)的PECVD在第三工藝腔進行沉積，SiH4流量300sccm，NH3流量為1800sccm，沉積時間30Pa，平均功率為2000W，沉積溫度為400°C，沉 積厚度為80nm，折射率為2. 01的SiN減反射層。PECVD系統(tǒng)構(gòu)造成處理大面積電池片的系統(tǒng)可以高速沉積介質(zhì)層。一個或者更多電池片位于等離子腔中。前驅(qū)氣體通入腔室，施加微波功率激發(fā)等離子體，流過電池片的表面以沉積期望的介質(zhì)層材料。本發(fā)明在相對短的時間處理大量的太陽能電池片，從而減少介質(zhì)層沉積的成本。此外，在太陽能電池片上沉積均勻性的微波PECVD系統(tǒng)可以提高太陽能電池片的效率。
權(quán)利要求
1.一種雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于包括基區(qū)(12)、PN結(jié)(13)、發(fā)射區(qū)(14)、第一介質(zhì)層(16)、第二介質(zhì)層(10)、第三介質(zhì)層(9)、招薄層(8)、第一本征氫化非晶硅層(11)、第二本征氫化非晶硅層(15)、正面電極(17)及背面電極(18)，其中PN結(jié)(13)位于基區(qū)(12)和發(fā)射區(qū)(14)之間，所述第一介質(zhì)層(16)作為正面減反射層和鈍化層，所述第二介質(zhì)層(10)作為背面鈍化層，所述第三介質(zhì)層(9)作為所述背面介質(zhì)層(10)的蓋層，所述第一本征氫化非晶娃層(11)位于第一介質(zhì)層(16)和發(fā)射區(qū)(14)之間,所述第二本征氫化非晶硅層(15)位于基區(qū)(12)和第二介質(zhì)層(10)之間，所述鋁薄層(8)位于第三介質(zhì)層(9)的外側(cè)，所述正面電極(17)和背面電極(18)分別置于晶硅太陽能電池正面和背面。
2.按權(quán)利要求1所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述第三介質(zhì)層(9)和第一介質(zhì)層(16)作為鈍化層具有陽離子，材料是氮化硅、碳化硅或氧化硅。
3.按權(quán)利要求2所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述氮化硅內(nèi)固定離子濃度為1010-101 lcm_3，所述碳化硅內(nèi)固定離子濃度高達(dá)101 lcm_3，所述氧化硅內(nèi)固定離子濃度為 1010-101 lcnT3。
4.按權(quán)利要求2所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述第三介質(zhì)層(9)和第一介質(zhì)層(16)含有的H濃度為5-15%。
5.按權(quán)利要求2所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述氮化硅膜層折射率在2. 15以內(nèi)，膜層厚度在97nm以內(nèi)。
6.按權(quán)利要求1所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述第二介質(zhì)層(10)作為鈍化層具有陰離子，陰離子濃度高達(dá)1013cnT3，材料為氧化鋁，所述氧化鋁膜層折射率在1. 70以內(nèi)，膜層厚度在60nm以內(nèi)。
7.按權(quán)利要求1所述的雙面鈍化晶硅太陽能電池，其特征在于所述第一本征氫化非晶硅層(11)和第二本征氫化非晶硅層(15)的膜層厚度在IOnm以內(nèi)。
8.一種雙面鈍化晶硅太陽能電池的制備方法，其特征在于包括將所述太陽能電池硅片進行清洗和腐蝕金字塔絨面、擴散工藝制作PN結(jié)、刻蝕工藝去除掉PSG磷硅玻璃、制造雙面鈍化層、采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)制備正面電極和背面電極，最后完成太陽能電池的制作。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述制造雙面鈍化層在微波PECVD系統(tǒng)中進行，包括下述幾個步驟 將電池片傳輸進裝載腔(26)； 降低所述裝載腔(26)的真空度； 將所述電池片傳輸至第一工藝腔(29)； 在所述第一工藝腔(29)內(nèi)在所述基區(qū)(12)和發(fā)射區(qū)(14)上分別沉積第一本征氫化非晶硅層(11)和第二本征氫化非晶硅層(15)； 將所述電池片傳輸至第二工藝腔(34)； 在所述第二工藝腔(34)上沉積介質(zhì)層(10)； 將所述電池片傳輸至第三工藝腔(39)； 在所述第三工藝腔(39)內(nèi)上沉積介質(zhì)層(9)； 在所述第三工藝腔(39)內(nèi)下沉積介質(zhì)層(16)； 將所述電池片傳輸出所述微波PECVD。
全文摘要
本發(fā)明屬于晶體硅太陽能電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種雙面鈍化晶硅太陽能電池及其制備方法。所述結(jié)構(gòu)包括基區(qū)、PN結(jié)、發(fā)射區(qū)、第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層、第三介質(zhì)層、鋁薄層、第一本征氫化非晶硅層、第二本征氫化非晶硅層、正面電極及背面電極，其中PN結(jié)位于基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間，第一介質(zhì)層作為正面減反射層和鈍化層，第二介質(zhì)層作為背面鈍化層，所述第三介質(zhì)層作為背面介質(zhì)層的蓋層，第一本征氫化非晶硅層位于第一介質(zhì)層和發(fā)射區(qū)之間，第二本征氫化非晶硅層位于基區(qū)和第二介質(zhì)層之間，鋁薄層位于第三介質(zhì)層的外側(cè)，正面電極和背面電極分別置于晶硅太陽能電池正面和背面。本發(fā)明利用微波PECVD方法實現(xiàn)高質(zhì)量的背表面鈍化，可以提高轉(zhuǎn)化效率1％。
文檔編號C23C16/34GK103050553SQ201210590800
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者趙科新, 趙崇凌, 李士軍, 張健, 張冬, 洪克超, 徐寶利, 鐘福強, 陸濤, 許新, 王剛, 劉興, 張妍, 王學(xué)敏, 李松, 屈秋霞, 張締, 朱龍來, 徐浩宇, 閆用用 申請人:中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司