太阳能电池及太阳能电池模组的制作方法

文档序号:11236650
太阳能电池及太阳能电池模组的制造方法与工艺

本发明涉及一种太阳能电池及太阳能电池模组。



背景技术:

太阳能电池用半导体基板通常利用提拉法(Czochraski method,CZ法)制造,所述CZ法能够用相对低的成本来制造大直径的单晶。例如,通过利用CZ法制作掺有硼的单晶硅,并将此单晶切成薄片,能够获得P型半导体基板。

单晶硅太阳能电池(使用单晶硅基板的太阳能电池)的以往的结构是一种整个背面(与受光面相对的表面)隔着背面场(Back Surface Field,BSF)结构而与电极接触的结构。

上述BSF结构利用丝网印刷法能够很容易地制造,因此,广泛普及,并成为当前的单晶硅太阳能电池的主流结构。

为了进一步提高效率,对上述BSF结构导入钝化发射极背面接触太阳能电池(Passivated Emitter and Rear Contact Solar Cell,PERC)结构、钝化发射极背面局部扩散太阳能电池(Passivated Emitter and Rear Locally Diffused Solar Cell,PERL)结构。

上述PERC结构及PERL结构是积极地减小背面侧的少数载流子再结合比例,也就是降低背面侧的有效的表面再结合速率的方法之一。

图9是示意性表示以往的PERC型太阳能电池的剖面图。如图9所示,太阳能电池110在掺有硼的硅基板(以下也称为掺硼基板。)113的受光面侧具备N型层112。在此N型层112上具备受光面电极111。多数情况下,在受光面上设有受光面钝化膜115。另外,在背面上具备背面钝化膜116。另外,在背面上具备背面电极114。另外,掺硼基板113具有与背面电极114接触的接触区域117。

图10是示意性地表示以往的PERL型太阳能电池的剖面图。如图10所示,相对于上述太阳能电池110,太阳能电池110′在背面电极114的正下方(以背面电极114作为表面侧来观察时)具备P+层(也就是以比周围区域(P型硅基板)更高的浓度掺有P型掺杂剂的层)119。另外,也可以在受光面电极111的正下方具备N+层(也就是以比周围的N型层112更高的浓度掺有N型掺杂剂的层)118。其它构造与图9的具有PERC结构的太阳能电池相同,因此,省略说明。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:国际公开第WO00/073542号小册子。



技术实现要素:

发明所要解决的课题

根据将太阳能电池制成上述具有PERC结构或PERL结构的太阳能电池,即使减小背面侧的少数载流子再结合比例,但如果基板为掺硼基板,晶格之间残留的氧原子和硼原子也会因光键合,在基板块体内生成再结合能级,少数载流子寿命变短,太阳能电池的特性下降。这种现象还被称作使用掺硼基板的太阳能电池的光劣化。

PERC结构、PERL结构的太阳能电池将背面的电极局域化(局部化)。因此,在触点附近(也就是基板与背面电极接触的接触区域)产生电流集中,容易产生电阻损失,因此,如果为PERC结构、PERL结构的太阳能电池,最好将基板设为低电阻。但是,当采用低电阻基板的情况也就是含有更多硼原子的状况下,由于硼原子和氧原子的键合增加,因此,上述劣化(光劣化)变显著。

相反,在采用高电阻基板的情况下,上述劣化减轻。但是,如果为PERC结构、PERL结构的太阳能电池,如上所述,电流在背面触点附近集中,从而产生电阻损失,结果,在这种情况下特性也会下降。

为了抑制上述光劣化,在专利文献1中,提出有使用镓代替硼来作为P型掺杂剂。但是,仅使用掺有镓的硅基板(以下也称为掺镓基板)作为PERC结构或PERL结构的太阳能电池的基板,也不能充分抑制电阻损失。

本发明是鉴于上述问题而完成的,目的在于提供一种太阳能电池及太阳能电池模组,该太阳能电池使用一种光劣化得到抑制的基板,且抑制电阻损失,转换效率优异。

解决课题的技术方案

为了实现上述目的,本发明提供一种太阳能电池,其特征在于,其具备P型硅基板,所述P型硅基板以一个主表面为受光面并以另一个主表面为背面,在前述背面上具备部分地形成的多个背面电极,前述P型硅基板在前述受光面的至少一部分具有N型层,且前述P型硅基板具有与前述背面电极接触的接触区域,所述太阳能电池的特征在于,

前述P型硅基板是掺有镓的硅基板,

前述P型硅基板的电阻率为2.5Ω·cm以下,

前述多个背面电极的背面电极间距Prm[mm]与前述P型硅基板的电阻率Rsub[Ω·cm]满足由下式(1)表示的关系。

log(Rsub)≦-log(Prm)+1.0…(1)

这种太阳能电池由于基板为掺镓基板,因此,会抑制光劣化。另外,由于基板为低电阻基板,因此,在接触区域不易产生电流集中,从而不易产生电阻损失。另外,由于PERC结构的太阳能电池具备低电阻基板,因此,能够充分减小背面侧的少数载流子再结合比例。除具有这些结构之外,背面电极的间距(以下也称为背面电极间距。)与基板的电阻率还满足由上述式(1)表示的关系的太阳能电池,能够将由电流集中引起的电阻损失抑制在最小限度,并能够进一步增加发电量。

另外,优选为,前述P型硅基板的电阻率为0.2Ω·cm以上。

如果是这种太阳能电池,即使在多个太阳能电池(太阳能电池单元)之间电阻率产生差异,也能够获得相对同水平的电流。因此,将这些太阳能电池单元制成模组时,能够降低额外的损失。

另外,优选为,前述多个背面电极的背面电极间距为10mm以下。

如果是这种太阳能电池,则能够更可靠地形成转换效率优异的太阳能电池。

另外,优选为,前述接触区域中的P型掺杂剂的浓度高于前述接触区域以外的区域中的P型掺杂剂的浓度。

如果这种所谓的PERL结构的太阳能电池具有P+层,转换效率更加优异。

另外,优选为,前述接触区域的面积的总和为整个前述背面的20%以下。

如果为这种太阳能电池,就能够使基板和电极充分接触,并且能够更加减少由基板和电极的接触引起的载流子的再结合。

而且,本发明提供一种太阳能电池模组,其特征在于,具备上述本发明的太阳能电池。

本发明的太阳能电池抑制住光劣化及电阻损失,且转换效率优异。因此,具备本发明的太阳能电池的太阳能电池模组抑制住光劣化及电阻损失,且转换效率优异。

发明效果

本发明的太阳能电池由于基板为掺镓基板,因此,抑制住光劣化。另外,由于基板为低电阻基板,因此,在接触区域不易产生电流集中,从而不易产生电阻损失。另外,由于PERC结构的太阳能电池具备低电阻基板,因此,能够充分减小背面侧的少数载流子再结合比例。除具有这些结构以外,背面电极的间距(下面也称为背面电极间距。)与基板的电阻率还满足由上述式(1)表示的关系的太阳能电池,能够将因电流集中引起的电阻损失抑制在最小限度,并能够进一步增加发电量。

附图说明

图1是表示本发明的太阳能电池的一个例子的剖面图。

图2是在图1所示的太阳能电池中透过P型硅基板进行表示的示意图。

图3是表示本发明的太阳能电池的一个例子的剖面图。

图4是在图3所示的太阳能电池中透过P型硅基板进行表示的示意图。

图5是表示本发明的制造太阳能电池的方法的一个例子的流程图。

图6是表示改变充分地照射光后的掺镓基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的转换效率的平均值的图。

图7是表示改变充分地照射光后的掺硼基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的转换效率的平均值的图。

图8是表示改变掺镓基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的短路电流密度的平均值的图。

图9是示意性地表示以往的PERC型太阳能电池的剖面图。

图10是示意性地表示以往的PERL型太阳能电池的剖面图。

具体实施方式

以下对本发明更详细地进行说明。

如上所述,寻求一种太阳能电池,所述太阳能电池使用光劣化得到抑制的基板,抑制电阻损失,转换效率优异。在此,作为能够提高转换效率的结构,提出有一种PERC结构、PERL结构。但是,作为PERC结构或PERL结构的太阳能电池的基板,仅使用能够抑制光劣化的掺镓基板,不能充分抑制电阻损失,不能制成转换效率优异的太阳能电池。

本发明人为了解决上述问题而潜心研究。结果发现,具备低电阻的掺镓基板,且背面电极间距与基板的电阻率满足特定的关系的太阳能电池,也就是PERC结构或PERL结构的太阳能电池,能够解决上述课题,从而完成了本发明的太阳能电池及太阳能电池模组。

以下,参照附图对本发明的实施方式具体地进行说明,但本发明不限定于这些实施方式。

[太阳能电池]

图1是表示本发明的太阳能电池的一个例子的剖面图。图2是在图1所示的太阳能电池中透过P型硅基板13进行表示的示意图。如图1及图2所示,本发明的太阳能电池10具备P型硅基板(掺镓基板)13,所述P型硅基板以一个主表面为受光面并以另一个主表面为背面。另外,在P型硅基板13的背面上具备部分地形成的多个背面电极14。另外,P型硅基板13在受光面的至少一部分具有N型层12。另外,P型硅基板13具有与背面电极14接触的接触区域17。另外,在N型层12上通常具备受光面电极11。

在本发明中,P型硅基板13为掺镓基板。如此一来,通过将P型掺杂剂由硼换成镓,能够抑制光劣化。另外,P型硅基板13的电阻率(比电阻)为2.5Ω·cm以下。如果电阻率超过2.5Ω·cm,在背面侧的P型硅基板13中的与背面电极14接触的部位附近有可能产生电流集中,产生电阻损失。

如此一来,本发明的太阳能电池具备低电阻的掺镓基板(也就是镓浓度较高的基板)。此处,PERC结构或PERL结构的太阳能电池在具备低电阻基板时转换效率非常优异。因此,本发明的太阳能电池转换效率特别优异。进一步,如果是具备低电阻的掺镓基板的本发明的太阳能电池,就不易发生会在低电阻的掺硼基板(也就是硼浓度较高的基板)上产生的光劣化,因而能够维持高效率。

另外,本发明的太阳能电池10的多个背面电极14的背面电极间距Prm[mm]与P型硅基板13的电阻率Rsub[Ω·cm]满足由下式(1)表示的关系。

log(Rsub)≦-log(Prm)+1.0…(1)

图1中图示背面电极间距20。当背面电极间距20与掺镓基板13的电阻率不满足由上述式(1)表示的关系时,不能充分抑制由电流集中引起的电阻损失,导致发电量下降。上述式(1)的关系根据以下的计算机模拟结果获得。

使用计算机,对使图1所示的在太阳能电池中分别改变背面电极间距与掺镓基板的电阻率时的太阳能电池的转换效率的变化进行模拟。其结果如图6所示。

另外,使用计算机,对图9所示的在太阳能电池中分别改变背面电极间距与掺硼基板的电阻率时的太阳能电池的转换效率的变化进行模拟。其结果如图7所示。此外,图6及图7中的转换效率的大小用颜色的浓淡表示。另外,以曲线将形成特定转换效率(基板的电阻率、背面电极间距)的组合的点连结,以等高线的形式表示。

图6是表示改变充分地照射光后的掺镓基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的转换效率的平均值的图。如图6所示,当掺镓基板的电阻率为2.5Ω·cm以下,背面电极间距与掺镓基板的电阻率满足由上述式(1)表示的关系时,结果转换效率优异。另一方面,如图6所示,当电阻率超过2.5Ω·cm时,或不满足上述式(1)时,转换效率急剧变差。

图7是表示改变充分地照射光后的掺硼基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的转换效率的平均值的图。如图7所示,当使用掺硼基板时,与使用掺镓基板时相比,结果转换效率变差。其表示光劣化带来的影响。另外,此时,有时即使背面电极间距与掺硼基板的电阻率满足由上述式(1)表示的关系,转换效率也会急剧下降。

另外,对在图1所示的太阳能电池中分别改变背面电极间距与掺镓基板的电阻率时的太阳能电池的短路电流密度进行模拟。其结果如图8所示。图8是表示改变掺镓基板的基板电阻率及背面电极间距时的太阳能电池的短路电流密度的平均值的图。此外,图8中的短路电流密度的大小用颜色的浓淡表示。另外,以曲线将形成特定短路电流密度(基板的电阻率、背面电极间距)的组合的点连结,以等高线的形式表示。如图8所示,掺镓基板的电阻率为2.5Ω·cm以下,当背面电极间距与掺镓基板的电阻率满足由上述式(1)表示的关系时,短路电流密度的变化相对基板电阻率的变化减小。

进一步,当掺镓基板的电阻率为0.2Ω·cm以上时,短路电流密度的变化相对于基板电阻率的变化减小。由该结果可知,如果为电阻率为0.2Ω·cm以上且2.5Ω·cm以下,满足由上述式(1)表示的关系的太阳能电池单元,即使太阳能电池单元间的电阻率不均匀,也能够获得相对同水平的电流。因此可知,将这些太阳能电池单元制成模组时能够减轻额外的损失。如此一来,优选为,P型硅基板(掺镓基板)13的电阻率为0.2Ω·cm以上。

P型硅基板13的厚度没有特别限定,例如,能够设成100~200μm的厚度。P型硅基板13的主面的形状及面积没有特别限定。

另外,优选为多个背面电极的背面电极间距20为10mm以下。如果为这种太阳能电池,如图6所示,转换效率会更加优异。背面电极间距20的下限没有特别限定,例如能够设为1mm。

另外,优选为,接触区域17中的P型掺杂剂的浓度高于接触区域17以外的区域中的P型掺杂剂。作为这种PERL结构的太阳能电池的一个例子,能够列举如图3及图4所示的太阳能电池。图3是表示本发明的太阳能电池的一个例子的剖面图。图4是在图3所示的太阳能电池中透过P型硅基板13进行表示的示意图。在如图3及图4所示的太阳能电池中,与图1所示的太阳能电池相同的构成元素标注相同的参考编号,并省略说明。如图3及图4所示,相对于上述太阳能电池10,太阳能电池10′还在受光面电极11的正下方具备N+层18,在背面电极14的正下方(接触区域17的附近)具备P+层19。如果是这种PERL结构的太阳能电池,就能够制成转换效率更加优异的太阳能电池。

另外,优选为接触区域17的面积的总和为整个背面的20%以下。如果是这种太阳能电池,就能够使基板与电极充分接触,能够进一步减少由基板与电极的接触引起的载流子的再结合。接触区域17的面积的总和的下限没有特别限定,但能够设为例如5%。受光面电极11及背面电极14的电极宽度没有特别限定,但能够设为例如15~100μm。

如图1所示,本发明的太阳能电池10通常在背面上具备背面钝化膜16。在受光面上能够具备受光面钝化膜15。受光面钝化膜15也能作为抗反射膜等发挥作用。作为这些钝化膜,能够使用能够利用等离子化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition,CVD)装置形成的SiNx膜(硅氮化膜)、SiO2膜等,也能使用热氧化膜。抗反射膜的膜厚在85~105nm其反射率降低效果最大,从而优选。

此外,通过在背面钝化膜16的上部的整个面具备铝等金属,也能够形成多个背面电极14彼此互相连接而成的结构(即背面电极14一体化而成的结构)。

作为N型层12及N+层18中所包含的N型掺杂剂,能够列举P(磷)、Sb(锑)、As(砷)、Bi(铋)等。作为P+层19中所包含的P型掺杂剂,能够列举B(硼)、Ga(镓)、Al(铝)、In(铟)等。

[太阳能电池模组]

接下来,对本发明的太阳能电池模组进行说明。本发明的太阳能电池模组具备上述本发明的太阳能电池。作为具体例,能够列举例如使用内部连线将排列的多个本发明的太阳能电池串联连接构成的太阳能电池模组,但不限于此,可应用于各种模组结构。这种太阳能电池模组会抑制住光劣化及电阻损失,且转换效率优异。

[太阳能电池的制造方法]

接下来,参照图5对制造本发明的太阳能电池的方法进行说明。图5是表示制造本发明的太阳能电池的方法的一个例子的流程图。以下所说明的方法为典型例,制造本发明的太阳能电池的方法不限定于此。首先,如图5(a)所示,准备电阻率为2.5Ω·cm以下的掺镓基板作为以一个主表面为受光面并以另一个主表面为背面的P型硅基板。

优选为,步骤(a)中准备的掺镓基板的电阻率为0.2Ω·cm以上。当准备掺镓基板时,镓的偏析系数高,因此利用CZ法提拉而成的晶棒的电阻率在头部和尾部产生6倍左右的差。在以低成本制造太阳能电池中,期待对这些晶棒整根使用,因此,最好从设计阶段考虑基板的电阻率差。根据将步骤(a)中准备的掺镓基板的电阻率设为0.2Ω·cm以上,当制造多个PERC结构或PERL结构的太阳能电池单元时,即使这些太阳能电池单元间的电阻率差在6倍左右,也能够获得相对同水平的电流,将这些太阳能电池单元制成模组时能够降低额外的损失。由此,能够以更低成本制造太阳能电池模组。测量掺镓基板的电阻率的方法没有特别限定,能够列举例如四探针法。

切出掺镓基板的单晶硅能够例如如上所述使用CZ法进行制造。此时,只要将镓和多晶原料一起放入坩埚中,形成原料熔液即可。特别是在大规模生产时需要进行精细的浓度调整,因此,理想的是,先制造高浓度的掺镓单晶硅,并将其粉碎制作掺杂剂,且以使其与成为CZ原料的多晶硅熔融后成为所需浓度的方式来进行调整并投入。根据将这样获得的镓掺杂单晶硅切成薄片能够获得掺镓基板。

接下来,如图5(b)所示,能够使用浓度5~60%的氢氧化钠或氢氧化钾这种高浓度的碱、或氢氟酸和硝酸的混酸等进行蚀刻来去除基板表面的切片损伤。

接着,如图5(c)所示,能够在基板表面形成被称为纹理的微小凹凸。纹理是用于降低太阳能电池的反射率的有效方法。利用浸渍在加热的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠等碱溶液(浓度1~10%、温度60~100℃)中10分钟至30分钟左右而制成纹理。在大多数情况下,在上述溶液中溶解特定量的2-丙醇(IPA:异丙醇),来促进反应。

优选为,在蚀刻除去损伤及蚀刻形成纹理后,如图5(d)所示,清洗基板。能够在例如盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸等或者这些混合液的酸性水溶液中进行或者使用纯水进行清洗。

接下来,如图5(e)所示,在掺镓基板的受光面形成N型层。

在步骤(e)中形成N型层的方法没有特别限定。能够列举例如使掺杂剂热扩散的方法。此时,能够使用气相扩散法和涂布扩散法等,所述气相扩散法将POCl3(三氯氧磷)等与载气一起导入热处理炉内使其扩散,所述涂布扩散法将包含磷等的材料涂布在基板上后进行热处理。作为涂布扩散法中的涂布方法能够列举旋涂法、喷涂法、喷墨法、丝网印刷法等。

当使用涂布扩散法时,能够根据在受光面上涂布包含N型掺杂剂的材料并热处理来形成N型层。此处,作为包含N型掺杂剂的材料,能够使用根据热处理而玻璃化的磷扩散剂。该磷扩散剂能够使用公知的磷扩散剂,也能够通过例如混合P2O5、纯水、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)、原硅酸四乙酯(Tetraethyl Orthosilicate,TEOS)获得。

作为制造一种在受光面侧具备N+层、在背面侧具备P+层的PERL结构的太阳能电池的方法,能够列举如下方法,先对受光面侧局部涂布包含上述N型掺杂剂的材料,并对背面侧局部涂布包含P型掺杂剂的材料,然后对基板进行热处理的方法。此时,为了防止自动掺杂,能够在受光面上或背面上形成扩散掩膜,或者实施多次热处理。

作为上述包含P型掺杂剂的材料,能够使用通过热处理而玻璃化的硼扩散剂。该硼扩散剂能够使用公知的硼扩散剂,也能够通过混合例如B2O3、纯水、PVA来获得。

接下来,如图5(f)所示,使用等离子蚀刻机进行PN接合的分离。在此工序中,对样品进行堆叠,以便等离子或自由基不会侵入受光面或背面,在此状态下,对端面切削几微米。根据等离子蚀刻进行的PN分离可以在去除硼玻璃及磷玻璃之前进行,也可以在去除后进行。作为PN分离的代替方法,也可以根据激光来形成槽。

如果进行上述步骤(e),则在基板的表面形成了不少玻璃层。因此,如图5(g)所示,利用氢氟酸等来去除表面的玻璃。

接下来,如图5(h)所示,能够在掺镓基板的受光面上形成受光面钝化膜。作为受光面钝化膜,能够使用与上述太阳能电池项中所述的相同的受光面钝化膜。

接下来,如图5(i)所示,能够在掺镓基板的背面上形成背面钝化膜。作为背面钝化膜,能够使用与上述太阳能电池的项目中所述的相同的背面钝化膜。

接下来,如图5(j)所示,能够仅对要形成背面电极的部分去除背面钝化膜。能够使用例如光刻法或蚀刻浆料等去除背面钝化膜。此种蚀刻浆料包含例如选自由磷酸、氟化氢、氟化铵及氟化氢铵组成的组中的至少一种作为蚀刻成分,并包含水、有机溶剂及增稠剂。

此时,能够根据步骤(a)中准备的掺镓基板的电阻率和由上述式(1)表示的关系,决定步骤(j)中去除背面钝化膜的间隔(相当于接触区域的间隔。)。由此,能够可靠地制造转换效率优异的太阳能电池。另外,也能够正确地决定能够获得该太阳能电池的背面电极间距Prm[mm]与电阻率Rsub[Ω·cm]的上限和下限。

接下来,如图5(k)所示,在掺镓基板的背面上印刷背面电极用浆料,并进行干燥。例如,在上述基板的背面上丝网印刷浆料,所述浆料是用有机粘结剂将铝(Al)粉末混合而成。背面电极材料也能够使用银(Ag)等。只要至少在接触区域上形成背面电极即可。其中,也可以在整个背面上一体地形成背面电极。此时,实际上基板与背面电极相连的区域还是接触区域。

接下来,如图5(l)所示,在掺镓基板的受光面上印刷受光面电极用浆料,并进行干燥。例如,在上述基板的受光面丝网印刷Ag浆料,所述Ag浆料是将Ag粉末和玻璃料与有机粘结剂混合而成。也可以颠倒步骤(k)与步骤(l)的顺序。

进行过以上的电极印刷后,如图5(m)所示,对受光面电极用浆料和背面电极用浆料进行烧制。如此一来,利用印刷浆料后进行烧制,来形成受光面电极和背面电极。烧制通常根据在700~800℃的温度条件下进行5~30分钟的热处理来进行。根据此种热处理,使Ag粉末贯穿(烧穿)受光面侧的钝化膜,使受光面电极与掺镓基板导通。背面电极和受光面电极的烧制也能分别进行。

如此一来,能够制造图1及图3所示的太阳能电池。另外,根据将如此一来获得的太阳能电池制成模组,能够获得本发明的太阳能电池模组。

另外,本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式为例示,具有与本发明的权利要求书所述的技术思想实质上相同的构成、并发挥相同作用效果的技术方案均包含在本发明的技术范围内。

再多了解一些
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