专利名称：一种晶硅太阳能电池及其制备方法
—种晶硅太阳能电池及其制备方法技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种晶硅太阳能电池及其制备方法。
技术背景
晶硅太阳能电池作为主要的太阳能光伏发电单元，目前已得以迅速广泛发展。太阳能电池正面作为直接接收太阳能的一面，其一般为多层结构，以达到最宽的接收谱线和最少的光反射消耗。常规商用晶硅太阳能电池片的正面通常包含银电极栅线、不导电的减反射层、N型扩散层、P-N结区四层主要结构。正面电极作为晶硅太阳能电池的重要组成部分，电极与N型硅间的接触电阻、电极本身的电导率、以及电极的宽高比对晶硅太阳能电池的光电转化效率有着直接的影响，成为该行业的主要研究方向之一。
目前，商用晶硅太阳能电池正面电极的制作方法，通常采用印刷或喷墨打印导电银浆形成高宽比尽可能大的栅线结构，随后经过室温到800°C附近的快速烧结，形成与N型扩散层紧密接触的导电电极。在该烧结过程中，导电银浆中所含有的腐蚀性玻璃料，如常用的硼硅酸铅玻璃料，在熔融状态下，溶解N型硅表面的减反射膜(ARC)和浆料中的Ag粉末， 降温过程中在N型硅表面析出Ag，形成倒金字塔形的Ag岛，将光生电流传导至上层的Ag电极栅线。但是由于金属Ag与Si之间的接触电阻较大，使得整个回路中串联电阻较大，该晶硅太阳能电池的整体光电转化效率大大降低。目前，该工艺方法所生产的电池片的Ag电极与硅片正面的接触电阻为O. 3-0. 4m Ω · cm2。发明内容
本发明解决了现有技术中存在的Ag电极与N型硅之间接触电阻较大导致晶硅太阳 能电池的光电转化效率较低的技术问题。
本发明提供了一种晶硅太阳能电池，所述晶硅太阳能电池从下至上依次包括背面电极、铝背场、P型硅衬底、N型硅层、T1-Si金属间化合物层、减反射层和正面电极，所述P 型硅衬底与N型硅层之间形成有P-N结，正面电极渗透过所述减反射层与T1-Si金属间化合物层接触。
本发明还提供了所述晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤A、对P型硅衬底表面进行制绒、扩散和去磷硅玻璃，在P型硅衬底表面形成N型硅层， P型硅衬底与N型硅层的交界面形成P-N结；B、在N型硅层表面形成金属Ti层，然后进行热处理，在N型硅层表面形成T1-Si金属间化合物层；C、在T1-Si金属间化合物层表面进行等离子增强型化学气相沉积，形成减反射层；D、在减反射层表面印刷正面电极，在P型硅衬底表面印刷铝背场和背面电极，烧结后正面电极渗透过所述减反射层与T1-Si金属间化合物层接触。
本发明提供的晶硅太阳能电池，通过在N型硅层与正面电极之间形成一层低肖特基势垒的T1-Si金属间化合物层，一方面能有效降低Ag与Si之间直接接触的接触电阻，从而有效提高本发明的晶硅太阳能电池的光电转化效率；另一方面，T1-Si金属间化合物层作为一种稳定的导电物质层，能够有效阻止导电银浆中杂质组分向N型硅扩散，避免N型硅中少子在杂质区域复合，延长少子寿命，降低对导电银浆中对于杂质含量的敏感性。
图1是本发明提供的晶硅太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明实施例1中在N型硅层3表面形成金属Ti层7后的结构示意图。
图3是本发明中在N型硅层3表面形成T1-Si金属间化合物5后的结构示意图。
图4是本发明中在T1-Si金属间化合物层5表面形成减反射层4后的结构示意图。
图5是本发明实施例2中在N型硅层3表面形成掩膜10后的结构示意图。
图6是本发明实施例2中在掩膜10上形成金属Ti层7后的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种晶硅太阳能电池，如图1所示，所述晶硅太阳能电池从下至上依次包括背面电极9、铝背场8、P型硅衬底1、N型硅层3、T1-Si金属间化合物层5、减反射层4和正面电极6，所述P型硅衬底I与N型硅层3之间形成有P-N结2，正面电极6渗透过所述减反射层4与T1-Si金属间化合物层5接触。
目前，为提高晶硅太阳能电池的光电转化效率，除了需要电极具有极低的自身低电阻外，还需要其与硅基 片之间形成良好的欧姆接触，即具有较低的接触电阻，从而降低整个回路中的串联电阻，减少电流损失，提高晶硅太阳能电池片的整体光电转化效率。目前， 现有技术中的各种太阳能电池片中Ag电极渗透过减反射层，与η型硅直接接触，其接触电阻为 O. 3-0. 4mΩ · cm2。
而本发明中，通过在N型硅层3与正面电极6之间形成一层低肖特基势垒的T1-Si 金属间化合物层5，一方面能有效降低金属电极与非金属Si之间直接接触的接触电阻，从而有效提高本发明的晶硅太阳能电池的光电转化效率；另一方面，T1-Si金属间化合物层5 作为一种稳定的导电物质层，能够有效阻止电极浆料中杂质组分向N型硅层3扩散，避免N 型硅层3中少子在杂质区域复合，延长少子寿命，降低对电极浆料中对于杂质含量的敏感性。
具体地，本发明中，所述T1-Si金属间化合物层5的图案在所述晶硅太阳能电池的法线方向与正面电极6的图案重合。优选情况下，T1-Si金属间化合物层3的栅线宽度为正面电极6的栅线宽度的±20μπι以内。更优选情况下，T1-Si金属间化合物层3的栅线宽度为正面电极6的栅线宽度的±10 μ m以内。最优选情况下，T1-Si金属间化合物层3的栅线宽度为正面电极6的栅线宽度的±5 μ m以内。
本发明中，由于T1-Si金属间化合物的自身电导率小于Ag，因此T1-Si金属间化合物层3的厚度无需过大，否则会增加电池片的串联电阻，也不能过薄，否则起不到降低正面电极6与N型硅层3之间接触电阻的作用。优选情况下，所述T1-Si金属间化合物层3 的厚度为O. 01-0. 08 μ m,更优选为O. 02-0. 03 μ m。
所述减反射层4的材料为本领域技术人员常用的各种减反射层材料，本发明没有特殊限定。例如，所述减反射层4为氮化硅层。减反射层4可通过等离子化学气相沉积(PECVD)形成。所述减反射层4的厚度为70-90nm，具有该厚度的薄膜具有光学功能性，能使光的反射大大减少，电池的短路电流和输出明显增加，从而有效提高光电转化效率。
本发明还提供了所述晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤A、对P型硅衬底I表面进行制绒、扩散和去磷硅玻璃，在P型硅衬底I表面形成N型硅层3，P型硅衬底I与N型硅层3的交界面形成P-N结2 ;B、在N型硅层3表面形成金属Ti层7，然后进行热处理，在N型硅层3表面形成T1-Si 金属间化合物层5 ；C、在T1-Si金属间化合物层5表面进行等离子增强型化学气相沉积，形成减反射层4；D、在减反射层4表面印刷正面电极6，在P型硅衬底I表面印刷铝背场8和背面电极 9，烧结后正面电极6渗透过所述减反射层4与T1-Si金属间化合物层5接触。
本发明中，通过直接在P型硅衬底I进行表面制绒、扩散和去磷硅玻璃工序，即可在P型硅衬底I表面形成N型层3，且P型硅衬底I与N型硅层3的交界面即形成P-N结 2，其方阻为10-150 Ω/ □，优选情况下为30-100 Ω/ 口。
本发明中，在N型硅层3表面形成金属Ti层7的方法可采用现有技术中常用的各种方法，例如可以为物理气相沉积(PVD)、印刷、喷涂或喷墨打印。由于PVD能精确控制沉积层的厚度，有效降低原料用量，因此本发明中优选采用PVD。所述印刷、喷涂或喷墨打印的方法为本领域技术人员所公知，其具体步骤如实施例中所述，此处不再赘述。
作为本发明的一种优选实施方式，为精确保证T1-Si金属间化合物层5的图案形状，还包括以下步骤在N型硅层3表面形成金属Ti层7之前，在N型硅层3表面采用光刻胶制备掩膜10的步骤。掩膜10的图案与正面电极6的图案正好完全相反。
本发明中，金属Ti层7用于在后续步骤中转化为T1-Si金属间化合物层5，从而降低正面电极6与N型硅层3之间的接触电阻，因此，优选情况下，N型硅层3表面的金属Ti 层7无需覆盖其所有表面，只需在N型硅层3表面形成与正面电极6具有相同图案的金属 Ti层7即可。
根据本发明的方法，在N型硅层3表面形成进行金属Ti层7后，然后进行热处理。 热处理过程中，金属Ti层7中的Ti原子与N型硅层3表面的Si原子反应，即得到所述 T1-Si金属间化合物层5。热处理的温度不宜过高，一方面防止热处理温度高于硅片的熔点从而降低硅片性质，另一方面防止形成的T1-Si金属间化合物层5的厚度过大。因此，优选情况下，所述热处理的温度为650-850°C，时间为3-12s。更优选情况下，所述热处理的温度为 680-800°C，时间为 5-10s。
本发明中，若在N型硅层3表面所形成的金属Ti层7的厚度过大，热处理完成后， 还剩余有部分未反应完全的金属Ti，此时还包括采用稀酸洗去多余未反应的金属Ti的步骤。
在N型硅层3表面形成T1-Si金属间化合物层5后，然后进行PECVD工艺，在N型硅层3以及T1-Si金属间化合物层5表面覆盖一层减反射层4。所述PECVD工艺通过PECVD 设备直接完成，其工艺为本领域技术人员公知。
本发明中，金属Ti层7转化为T1-Si金属间化合物层5，其图案与正面电极6的图案相同，因此，在印刷正面电极6的过程中，正面电极6的印刷区域应与T1-Si金属间化合物层5的图案在所述晶硅太阳能电池的法线方向重合，以保证烧结过程中渗透过减反射层4的正面电极6与T1-Si金属间化合物层5接触。
本发明中，印刷正面电极6以及背面电极9所采用的电极浆料为本领域技术人员所公知，均可直接采用现有技术中常用的各种导电银浆，即形成的正面电极6和背面电极9 均为银电极。
具体地，所述导电银浆中含有银粉颗粒、玻璃粉和有机载体。印刷导电银浆后的电池片，不能直接使用，需经过烧结。烧结过程中，印刷于减反射层4表面的导电银浆中的玻璃粉料腐蚀溶解减反射膜，浆料中的银粉颗粒下渗，降温过程中，过饱和的玻璃料在T1-Si 金属间化合物层5表面析出Ag，即得到本发明提供的太阳能电池正面电极6。类似地，烧结过程中，印刷于铝背场8表面的背面电极9也会渗透过所述铝背场8，而与所述P型硅衬底 I直接接触。
本发明中，所述烧结可采用本领域技术人员常用的各种烧结方法。例如，所述烧结可在网带炉中进行。优选情况下，所述烧结的最高温度为700-780°C，最高温度下的烧结时间为3-8S。
如表I所示，本发明提供的晶硅太阳能电池的接触电阻为O. 20-0. 25 ι Ω · cm2。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1对P型娃衬底I表面形成制绒、扩散、去磷娃玻璃，在P型娃衬底I表面形成N型娃层 3，P型硅衬底I与N型硅层3的交界面形成P-N结2，其方阻为50 Ω / 口。然后根据正面电极6的图案在N型硅层3正面印刷含有Ti金属颗粒的浆料，印刷厚度〈5 μ m，在硅片表面形成金属Ti层7，得到图2所示结构。然后将表面印有金属Ti层7的电池片放入真空热处理炉，逐步升温去除金属Ti层7中的有机组分，升温至700°C下热处理5s，形成厚度为 O. 05 μ m的T1-Si金属间化合物层5，用稀酸洗去多余未反应的金属Ti，得到图3所示结构。 然后进行PECVD工艺，在硅片表面沉积厚度为70nm的减反射层4，得到图4所示结构。最后在P型硅衬底I的背面印刷铝背场8和背面电极9，在减反射层4表面印刷正面电极6，然后整体移入网带炉中进行烧结处理，烧结最高温度为780°C，最高温度下烧结时间为3s，得到具有图1所示结构的晶硅太阳能电池，记为SI。
实施例2对P型娃衬底I表面形成制绒、扩散、去磷娃玻璃，在P型娃衬底I表面形成N型娃层 3，P型硅衬底I与N型硅层3的交界面形成P-N结2，其方阻为50 Ω / 口。然后在N型硅层 3正面采用光刻胶制备与正面电极6具有完全相反图案的掩膜10，得到如图5所示结构。将表面具有掩膜10的硅片放入真空镀膜台，镀膜真空度2 X 10_ 3Pa,镀距41mm，蒸镀电流25A， 蒸镀时间30s，形成厚度为O. 04um的金属Ti层7，得到图6所示结构。然后去除掩膜10，并将表面镀有与正面电极6图案相同的金属Ti层7的硅片放入真空热处理炉，800°C下热处理7s，形成厚度为O. 07 μ m的T1-Si金属间化合物层5，得到图3所示结构。对热处理后的硅片进行PECVD工艺，沉积厚度为80nm的减反射层4，得到图4所示结构。最后在P型硅衬底I的背面印刷铝背场8和背面电极9，在减反射层4表面印刷正面电极6，然后整体移入网带炉中进行烧结处理，烧结最高温度为700°C，最高温度下烧结时间为8s，得到具有图I所示结构的晶娃太阳能电池，记为S2。
实施例3对P型娃衬底I表面形成制绒、扩散、去磷娃玻璃，在P型娃衬底I表面形成N型娃层 3，P型硅衬底I与N型硅层3的交界面形成P-N结2，其方阻为50 Ω / 口。然后根据正面电极6的图案在N型硅层3正面印刷含有Ti金属颗粒的墨水，印刷厚度〈8 μ m,在硅片表面形成金属Ti层7，得到图2所示结构。然后将表面印有金属Ti层7的电池片放入真空热处理炉，逐步升温去除金属Ti层7中的有机组分，升温至850°C下热处理5s，形成厚度为 O. 07 μ m的T1-Si金属间化合物层5，用稀酸洗去多余未反应的金属Ti，得到图3所示结构。 然后进行PECVD工艺，在硅片表面沉积厚度为70nm的减反射层4，得到图4所示结构。最后在P型硅衬底I的背面印刷铝背场8和背面电极9，在减反射层4表面印刷正面电极6，然后整体移入网带炉中进行烧结处理，烧结最高温度为780°C，最高温度下烧结时间为3s，得到具有图1所示结构的晶硅太阳能电池，记为S3。
实施例4对P型娃衬底I表面形成制绒、扩散、去磷娃玻璃，在P型娃衬底I表面形成N型娃层 3，P型硅衬底I与N型硅层3的交界面形成P-N结2，其方阻为50 Ω / 口。然后在N型硅层3正面采用光刻胶制备与正面电极6具有完全相反图案的掩膜10，得到如图5所示结构。将表面具有掩膜10的硅片放入磁控溅射炉，初始真空度6 X 10_ 4Pa,工作温度200°C， 工作气压为O.1Pa，工作气体为纯度彡99. 999%的氩气，采用Ti靶材，靶基距110mm，靶功率为200W，时间lmin，形成厚度为O. 04um的金属Ti层7，得到图6所示结构。然后去除掩膜 10，并将表面镀有与正面电极6图案相同的金属Ti层7的硅片放入真空热处理炉，800°C下热处理10s，形成厚度为O. 08 μ m的T1-Si金属间化合物层5，得到图3所示结构。对热处理后的娃片进行PECVD工艺，沉积厚度为80nm的减反射层4,得到图4所不结构。最后在P 型硅衬底I的背面印刷铝背场8和背面电极9，在减反射层4表面印刷正面电极6，然后整体移入网带炉中进行烧结处理，烧结最高温度为700°C，最高温度下烧结时间为8s，得到具有图1所示结构的晶硅太阳能电池，记为S4。
对比例采用常规工序对已制绒、扩散、去磷硅玻璃的方阻为50Ω/ □的晶硅电池片直接进行 PECVD工艺，形成减反射层。然后在硅片的背面印刷铝背场和背面电极，正面印刷正面电极， 然后整体移入网带炉中进行烧结处理，烧结最高温度为780°C，最高温度下烧结时间为3s， 得到本对比例的晶硅太阳能电池，记为DS1。
性能测试 采用上海交大赫爽科技有限公司的HSCl单次闪光太阳电池分选机测试各电池样品 S1-S4和DSI的电性能，记录各电池的光电转化效率、填充因子和串联电阻，采用TLM图案测试法测试各电池样品S1-S4和DSl的接触电阻。
测试结果如表I所示。表I
权利要求
1.一种晶硅太阳能电池，其特征在于，所述晶硅太阳能电池从下至上依次包括背面电极、铝背场、P型硅衬底、N型硅层、T1-Si金属间化合物层、减反射层和正面电极，所述P型硅衬底与N型硅层之间形成有P-N结，正面电极渗透过所述减反射层与T1-Si金属间化合物层接触。
2.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于，所述T1-Si金属间化合物层的图案在所述晶硅太阳能电池的法线方向与正面电极的图案重合。
3.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于，T1-Si金属间化合物层的厚度为 0. 01-0. 08 u m。
4.根据权利要求1所述的晶硅太阳能电池，其特征在于，所述减反射层为氮化硅层，减反射层的厚度为70-90nm。
5.权利要求1所述的晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤 A、对P型硅衬底表面进行制绒、扩散和去磷硅玻璃，在P型硅衬底表面形成N型硅层，P型硅衬底与N型硅层的交界面形成P-N结； B、在N型硅层表面形成金属Ti层，然后进行热处理，在N型硅层表面形成T1-Si金属间化合物层； C、在T1-Si金属间化合物层表面进行等离子增强型化学气相沉积，形成减反射层； D、在减反射层表面印刷正面电极，在P型硅衬底表面印刷铝背场和背面电极，烧结后正面电极渗透过所述减反射层与T1-Si金属间化合物层接触。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,在N型娃层表面形成金属Ti层的方法为物理气相沉积、印刷、喷涂或喷墨打印。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括在N型硅层表面形成金属Ti层之前，在N型硅层表面采用光刻胶制备掩膜的步骤。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，热处理的温度为650-850°C，时间为3_12s o
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，正面电极的印刷区域与T1-Si金属间化合物层的图案在所述正面电极的法线方向重合。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，烧结的最高温度为700-780°C，最高温度下的烧结时间为3-8s。
全文摘要
本发明提供了一种晶硅太阳能电池，所述晶硅太阳能电池从下至上依次包括背面电极、铝背场、P型硅衬底、N型硅层、Ti-Si金属间化合物层、减反射层和正面电极，所述P型硅衬底与N型硅层之间形成有P-N结，正面电极渗透过所述减反射层与Ti-Si金属间化合物层接触。本发明提供的晶硅太阳能电池，通过在N型硅层与正面电极之间形成一层低肖特基势垒的Ti-Si金属间化合物层，能有效降低晶硅太阳能电池的接触电阻，提高其光电转化效率。
文档编号H01L31/0224GK103022163SQ20111028297
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者郭冉, 谭伟华, 周勇 申请人:比亚迪股份有限公司