选择性发射极结构、制备方法及选择性发射极晶硅电池

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种选择性发射极结构、制备方法及选择性发射极晶硅电池。


背景技术：

2.隧穿氧化硅钝化接触结构(topcon，tunnel oxide passivated-contact structures)一种使用超薄氧化层作为钝化层结构的太阳电池结构，旨在改善硅电池背面的钝化。topcon结构在硅片背面生长一层厚度1-2nm的超薄氧化硅，再沉积一层掺杂的非晶硅或多晶硅层，然后制备全背金属电极。该结构最主要的优点是实现了电池背面的全面钝化，避免了金属电极和单晶硅的直接接触，显著降低了复合电流，并且对载流子有选择性收集，这大大提升了开路电压和填充因子。
3.由于电池正面电极烧结过后会形成金属-半导体间的直接接触，复合电流很大，这在很大程度上限制了电池效率，调整发射极的掺杂浓度可以有效抑制部分复合。选择性发射极是一种在金属电极区域重掺杂，在非金属区域轻掺杂的扩散技术，该技术可以减小金属接触复合损伤。目前，电池选择性发射极的制备工艺主要包括：二次扩散法、掩膜法、反刻蚀法、激光掺杂法、掺杂浆料热扩散法等，这些制备工艺并不成熟，如二次扩散法需要经历沉积掩膜层、激光开槽、第一次热扩散、清洗掩膜层、第二次热扩散等步骤，需要两次进出管式炉，并且需要用到激光设备，易损伤绒面结构，耗时长，成本大，工艺繁琐；掩膜法需要经历第一次热扩散、掩膜图形化、清洗非掩膜区bsg、去掩膜、第二次热扩散等步骤，全程也需两次进出管式炉，耗时较长，操作繁琐；反刻蚀法需要经历热扩散、掩膜图形化、酸腐蚀、去掩膜层等步骤，虽工艺步骤简单但是工艺窗口窄，不利于工艺控制；激光掺杂法在热扩散后的电池片bsg表面进行图案化激光处理，激光对绒面的损伤无法消除，且由于硼在硅中的掺杂难度大，激光能量控制难度高，工艺窗口窄；硼浆掺杂法用丝网印刷的方式在制绒后的硅片上印刷硼浆，然后在管式扩散炉中通入硼源等气体进行扩散，形成硼掺杂浓度不同的硼浆区域与非硼浆区域，该方法同样存在工艺控制难度大的问题，难以量产。
4.总结而言，现有的硅晶电池选择性发射极制备工艺存在以下缺点：(1)耗时较长，且热历程过长，影响硅片钝化性能，电池效率不高；(2)工艺不稳定，窗口小，难以控制，接触复合损失大。因此亟需开发一种新的选择性发射极结构和制备工艺，以解决硅晶电池正面选择性接触问题和钝化问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何实现选择性接触，以及提升电池钝化效果。
6.为解决上述问题，本发明第一方面提供一种选择性发射极结构，包括硅衬底，所述硅衬底的正面上分为电极接触区和非电极区，所述电极接触区上依次叠设有介质层和掺杂多晶硅层，所述掺杂多晶硅层上结合有金属电极，所述非电极区上依次叠设有第一钝化层、
第二钝化层和第三钝化层。
7.进一步地，所述第一钝化层为氧化铝或氧化硅薄膜，所述第二钝化层为氮化硅薄膜，所述第三钝化层为耐碱刻蚀的氧化硅或硅化物薄膜。
8.进一步地，所述第一钝化层厚度为5-100nm；所述第二钝化层厚度为70-90nm，折射率为2.0-2.1；所述第三钝化层厚度为40-80nm。
9.进一步地，所述硅衬底为n型晶体硅或p型晶体硅。
10.进一步地，所述掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子包括硼，掺杂原子的浓度为1e18-5e20cm-3
，或者，所述掺杂多晶硅层所含n型掺杂原子包括磷、砷或锑，掺杂原子的浓度为1e19-1e21cm-3
。
11.进一步地，所述介质层为氧化硅、氮氧化硅或氮化硅薄膜，所述介质层的厚度小于等于3nm。
12.相对于现有技术，本发明选择性发射极结构具有以下有益效果：电极接触区采用超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构实现选择性接触，从而大大降低金属电极区的接触复合损失，非电极区采用三层钝化结构，提高了电池钝化效果，可同时解决晶硅电池正面选择性接触问题和钝化问题，最终提高了电池的开路电压、填充因子及转换效率。超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构在电极接触区形成重掺，使得该区域的方块电阻变小，减小了与金属电极的接触电阻，同时其他区域为高方块电阻，使得入射光在轻掺杂区域的复合减小，从而进一步减小正面复合，进而提高电池效率。第三钝化层为耐碱刻蚀的硅化物薄膜，对于第二钝化层的氮化硅薄膜起到保护作用，可以阻止刻蚀过程，保证了优异的钝化效果。
13.本发明第二方面提供一种上述选择性发射极结构的制备方法，包括以下步骤：
14.s1、在硅衬底正面进行低浓度扩散，制备轻掺杂pn结；
15.s2、在硅衬底扩散面上依次沉积第一钝化层、第二钝化层和第三钝化层；
16.s3、将电极接触区的三层钝化层去除，露出硅衬底；
17.s4、在硅衬底扩散面上沉积介质层和掺杂多晶硅层，高温退火，使掺杂原子扩散进入硅衬底，形成重掺杂pn结，与非电极区域的轻掺杂pn结一起构成选择性发射极结构；
18.s5、在电极接触区的掺杂多晶硅薄层上涂上耐碱材料，形成保护层；
19.s6、使用强碱性溶液将非电极区的掺杂多晶硅层刻蚀掉；
20.s7、清洗去除保护层；
21.s8、在剩余掺杂多晶硅层上制备金属电极，形成选择性发射极。
22.进一步地，所述步骤s1中控制非电极区的方块电阻为80-300ω/sq。
23.进一步地，所述步骤s4中高温退火处理温度为800-1000℃，时间为10-90min，控制电极接触区的方块电阻为20-100ω/sq。
24.该制备方法先在轻掺杂硅衬底上沉积三层结构钝化层，作为电池正面钝化层，提升电池钝化效果；然后利用激光开槽，去除电极接触区钝化层，整个面依次沉积包括介质层和掺杂多晶硅层的超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构；之后在电极接触区涂覆保护层，去除其他区域的掺杂多晶硅层，保留金属电极接触区的超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构；再进行高温退火使掺杂层的前驱体晶化，并激活其中的掺杂原子，使部分的掺杂原子扩散进入硅基底，从而在金属接触区形成重掺杂，使得该区域的方块电阻变小，减小与金属电极的接触电阻，其他区域则保持轻掺杂减小正面复合。本方法可以通过控制掺杂多晶硅的掺杂量和退
火条件，调节重掺杂区域的方块电阻，从而减小正面复合。
25.本发明第三方面提供一种选择性发射极晶硅电池，包括硅片基体，所述硅片基体的正面具有上述的选择性发射极结构，所述硅片基体的背面具有超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构。
附图说明
26.图1为本发明实施方式中选择性发射极的结构示意图；
27.图2为本发明实施方式中选择性发射极的制备工艺流程图。
28.附图标记说明：
29.1-硅衬底，2-轻掺杂层，3-第一钝化层，4-第二钝化层，5-第三钝化层，6-介质层，7-掺杂多晶硅层，8-重掺杂层，9-金属电极，10-保护层。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
31.需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
32.结合图1所示，本发明的实施例提供一种选择性发射极结构，包括硅衬底1，硅衬底1的正面具有轻掺杂层2，硅衬底1正面上分为电极接触区和非电极区，电极接触区具有重掺杂层8，电极接触区上依次叠设有介质层6和掺杂多晶硅层7，掺杂多晶硅层7上结合有金属电极9，非电极区上依次叠设有第一钝化层3、第二钝化层4和第三钝化层5。电极接触区采用超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构实现选择性接触，从而大大降低电极接触区的接触复合损失，非电极区采用三层钝化结构，提高了电池钝化效果。
33.在一些实施方式中，硅衬底为n型晶体硅，掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子包括但不限于硼，掺杂原子的浓度为1e18-5e20cm-3
。第一钝化层为氧化铝薄膜，厚度为5-100nm；第二钝化层为氮化硅薄膜，厚度为70-90nm，折射率为2.0-2.1；第三钝化层为氧化硅薄膜，厚度为40-80nm。
34.在一些实施方式中，硅衬底为p型晶体硅，掺杂多晶硅层所含n型掺杂原子包括但不限于磷、砷、锑，掺杂原子的浓度为1e19-1e21cm-3
。第一钝化层为氧化硅薄膜，厚度为5-100nm；第二钝化层为氮化硅薄膜，厚度为70-90nm，折射率为2.0-2.1；第三钝化层为氧化硅薄膜，厚度为40-80nm。
35.进一步地，第三钝化层也可以是重掺杂氧化硅，其微结构可以是非晶态的也可以是微晶态或纳米晶态的；第三钝化层也可以将氧化硅更换为其他耐碱刻蚀的硅化物层。
36.进一步地，掺杂多晶硅层可以为多晶硅、掺杂多晶硅或多晶硅化物，如碳掺杂多晶硅、多晶碳化硅、氮掺杂多晶硅、多晶氮化硅、氧掺杂多晶硅、多晶氧化硅等。
37.在一些实施方式中，硅衬底的表面方阻为140-200ω/sq，电极接触区的方阻为80-100ω/sq，电极接触区的方阻小，其他区域的方阻高，从而减小正面复合，提高电池效率。
38.结合图2所示，本发明的实施例还提供一种选择性发射极结构的制备方法，包括以下步骤：
39.s1、在硅衬底1正面进行低浓度扩散，形成轻掺杂层2，制备轻掺杂pn结，控制非电极区的方块电阻为80-300ω/sq。
40.s2、在硅衬底1扩散面上依次沉积第一钝化层3、第二钝化层4和第三钝化层5。第一钝化层3为氧化铝或氧化硅，第二钝化层4为氮化硅，第三钝化层5为氧化硅，第三钝化层5的作用是为了在后续刻蚀过程中保护第二钝化层4氮化硅不被破坏。钝化层的制备方法包括湿化学氧化法、高温氧化法、臭氧氧化法、等离子体辅助氧化法、等离子体辅助原子层沉积法、等离子体反应沉积法等。
41.s3、将电极接触区的三层钝化层去除，露出硅衬底1。具体为提前设计电极图案，利用激光将电极接触区的钝化层去除。
42.s4、在硅衬底1扩散面上沉积介质层6和掺杂多晶硅层7，介质层6为超薄氧化硅，高温退火，处理温度为800-1000℃，时间为10-90min，激活掺杂原子，使掺杂原子扩散进入硅衬底1，形成重掺杂层8，制备重掺杂pn结，与非电极区域的轻掺杂pn结一起构成选择性发射极结构，控制电极接触区的方块电阻为20-100ω/sq。掺杂多晶硅薄膜的制备优先采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)结合原位掺杂法、也可以采用低气压化学气相沉积法(lpcvd)结合原位/二次掺杂法、磁控溅射等其它物理气相沉积法(pvd)结合原位/二次掺杂法制备薄膜前驱体。
43.s5、在电极接触区的掺杂多晶硅层7上涂上耐碱材料，形成保护层10，将需要制备电极区域保护起来。
44.s6、使用强碱性溶液将非电极区的掺杂多晶硅层7刻蚀掉。
45.s7、清洗去除保护层10。
46.s8、在剩余掺杂多晶硅层7上制备金属电极9，具体使用丝网印刷方法制备金属电极9，经过烧结退火，电极与重掺杂的多晶硅层形成良好接触，形成选择性发射极。
47.本发明的实施例还提供一种选择性发射极晶硅电池，包括硅片基体，硅片基体的正面分为电极接触区和非电极区，电极接触区上依次叠设有介质层和掺杂多晶硅层，掺杂多晶硅层上结合有金属电极，非电极区上依次叠设有第一钝化层、第二钝化层和第三钝化层；硅片基体的背面沉积超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构。
48.以n型选择性发射极topcon电池为例，其制备方法包括以下步骤：
49.(1)将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，方阻为140-200ω/sq；
50.(2)用ald设备在硅片扩硼面上沉积一层氧化铝，厚度为5-100nm；
51.(3)用pecvd在氧化硅上沉积一层氮化硅，厚度为70-80nm，折射率为2.0-2.1；
52.(4)在氮化硅上面沉积一层氧化硅作为氮化硅的保护层，阻挡后续碱刻蚀对氮化硅的损伤；
53.(5)激光刻蚀电极接触区的钝化层，使得硅片露出来；
54.(6)利用pecvd在硅片正面沉积超薄氧化硅层和掺硼非晶硅层；
55.(7)在电极接触区涂上蜡或其他耐碱材料，将需要制备电极的区域保护起来；
56.(8)使用koh溶液将未保护区域多晶硅进行选择性刻蚀，刻蚀完成后清洗去除保护层；
57.(9)采用pecvd法在硅片背面沉积氧化硅层和掺磷多晶硅层，得到超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构；
58.(10)在硅片正面的掺杂多晶硅层上制备金属电极，烧结后获得n型选择性发射极晶硅电池。
59.以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。
60.实施例1
61.一种制备选择性发射极n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，控制方阻为130-140ω/sq；去除bsg，背面抛光；用ald设备在硅片扩硼面上沉积一层氧化铝，厚度为12nm；用pecvd在氧化铝上沉积一层氮化硅，厚度为78nm，折射率为2.04；在氮化硅上面沉积一层50nm氧化硅；激光刻蚀金属电极区域的钝化层，使得硅片露出来；利用pecvd在硅片正面沉积1.2nm的超薄氧化硅层和20nm的掺硼非晶硅层；在温度880℃下退火30min，使得掺杂原子扩散进入硅衬底，在电极区域形成p 层，电极区域方阻控制在30-40ω/sq；在金属电极区域涂上耐碱材料，将需要制备电极的区域保护起来；使用koh溶液将未保护区域多晶硅进行选择性刻蚀，刻蚀完成后清洗去除保护层；采用pecvd法在硅片背面沉积厚度为1.4nm的氧化硅层和厚度为40nm的掺磷多晶硅层；退火处理；丝网印刷和烧结后，获得n型选择性发射极晶硅电池。
62.对比例1
63.一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将硅片进行常规的制绒，扩散，控制方阻为90-100ω/sq；去除bsg，背面抛光；采用pecvd法在硅片背面沉积厚度为1.4nm的氧化硅层和厚度为40nm的掺磷多晶硅层；退火；用ald设备在硅片扩硼面上沉积一层氧化铝，厚度为12nm；用pecvd在氧化铝上沉积一层氮化硅，厚度为78nm，折射率为2.04；经丝网印刷和烧结后，获得n型晶硅电池。
64.对实施例1和对比例1制备的一系列样品进行电性能测试，测试内容包括：开路电压(voc)、短路电流密度(jsc)、填充因子(ff)和电池转换效率(eff)，测试结果如下表1所示。
65.表1实施例1和对比例1样品的电性能测试结果
[0066][0067]
由数据对比可知，实施例1的晶硅电池采用选择性发射极后，开路电压和短路电流密度明显提高，电池转换效率也得到了提高。
[0068]
实施例2
[0069]
一种制备选择性发射极n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将硅片进行常规的制绒，扩散，控制方阻为150-160ω/sq；去除bsg，背面抛光；用ald设备在硅片扩硼面上沉积一
层氧化铝，厚度为15nm；用pecvd在氧化铝上沉积一层氮化硅，厚度为78nm，折射率为2.04；在氮化硅上面沉积一层50nm氧化硅；激光刻蚀金属电极区域的钝化层，使得硅片露出来；利用pecvd在硅片正面沉积1.2nm的超薄氧化硅层和20nm的掺硼非晶硅层；在温度900℃下退火40min，使得掺杂原子扩散进入硅衬底，在电极区域形成p 层，电极区域方阻控制在30-40ω/sq；在金属电极区域涂上耐碱材料，将需要制备电极的区域保护起来；随后使用koh溶液将未保护区域多晶硅进行选择性刻蚀，刻蚀完成后清洗去除保护层；采用pecvd法在硅片背面沉积厚度为1.6nm的氧化硅层和厚度为50nm的掺磷多晶硅层；退火处理；经丝网印刷和烧结后，获得n型选择性发射极晶硅电池。
[0070]
对比例2
[0071]
一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将硅片进行常规的制绒，扩散，控制方阻为90-100ω/sq；去除bsg，背面抛光；采用pecvd法在硅片背面沉积厚度为1.6nm的氧化硅层和厚度为50nm的掺磷多晶硅层；退火；用ald设备在硅片扩硼面上沉积一层氧化铝，厚度为15nm；用pecvd在氧化铝上沉积一层氮化硅，厚度为78nm，折射率为2.04；经丝网印刷和烧结后，获得n型晶硅电池。
[0072]
对实施例2和对比例2制备的一系列样品进行电性能测试，测试内容包括：开路电压(voc)、短路电流密度(jsc)、填充因子(ff)和电池转换效率(eff)，测试结果如下表2所示。
[0073]
表2实施例2和对比例2样品的电性能测试结果
[0074][0075]
由数据对比可知，实施例2的晶硅电池采用选择性发射极后，开路电压和短路电流密度明显提高，电池转换效率也得到了提高。针对不同的轻掺杂条件，通过调节退火条件，可以调节金属接触区的方块电阻，保证金属电极与衬底的良好接触。
[0076]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。