一种N型晶体硅电池的制备方法及其电池、组件和系统与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种N型晶体硅电池的制备方法及其电池、组件和系统。

背景技术：

太阳能电池是一种能将太阳能转化为电能的半导体器件。目前，业界的主流产品为P型晶硅太阳能电池。该电池工艺简单，但是具有光致衰减效应，即电池的效率会随着时间的增加而逐渐衰减，这主要是由于掺入P型硅衬底中的硼原子与衬底中的氧原子相结合产生硼氧对的结果。研究表明，硼氧对起着载流子陷阱作用，使少数载流子寿命降低，从而导致了电池光电转换效率的衰减。相对于P型晶硅电池，N型晶硅电池具有光致衰减小、耐金属杂质污染性能好、少数载流子扩散长度长等优点，并且由于N型晶体硅太阳能电池的正负电极都可以制作成常规的H型栅线电极结构，因此该电池不仅正面可以吸收光，其背表面也能吸收反射和散射光从而产生额外的电力。

制备N型晶体硅电池中较为关键的步骤是形成正面的pn结以及背面的n+场。正面p+层的形成有硼扩散、硼源旋涂或印刷等方法，背面n+层的形成有磷扩散、磷源旋涂/印刷、磷离子注入等方法，结合p+层和n+层形成的先后顺序，可衍生出多种工艺方案。

专利CN105047766A公开的方案为：在硼扩散过程中，首先对硼扩散面上形成的硼硅玻璃层进行氧化处理，再在硼硅玻璃层上沉积形成氮化硅层；利用硼硅玻璃和氮化硅层作为磷扩散的掩膜，用于防止两次扩散之间的相互掺杂。专利CN 102544236B公开的方案为：在完成单面B掺杂形成P+硼发射极层后，去除硼硅玻璃层，然后利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在硅片两面沉积SiN_x膜，再在B扩面的SiN_x上沉积SiO₂，利用磷酸去除未被SiO₂保护的SiN_x面，然后在此面上进行磷扩散。以上两种方案中磷扩散阻挡层的形成涉及镀膜和清洗过程，工艺比较复杂，不利于提高生产效率和降低生产成本。

专利CN103337558A公开的方案为：利用离子注入工艺或扩散工艺来形成P+层和N+层。离子注入技术可有效解决常规的气态源或液态源扩散易出现的绕扩现象，从而不需要专门制备扩散阻挡层。该方案的不足在于，离子注入机的价格较为昂贵，同时注入后一般都需要进行清洗及退火，故而单面掺杂层的制备需要经历三道工序，设备投资和工艺成本都会相应增加。

专利CN105355711A公开的方案为：正面进行硼源旋转涂覆，烘干，高温掺杂，正面形成B扩散发射极层，同时在正面及背面形成氧化层；经过酸溶液清洗机，去除背面氧化层；对基片进行背面POCl₃扩散。该方案的不足在于：1)需要增加旋涂和烘干设备；2)为满足旋涂要求，硼源里必须添加一定的有机溶剂或表面活性剂，这些物质在烘干后无法完全去除干净，同时在旋涂操作中也不可避免地引入一些污染，这些都会对后续高温掺杂形成的PN结的质量有影响；3)旋涂法形成的正面BSG层相对疏松，难以保证完全阻挡磷扩散。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种N型晶体硅电池的制备方法及其电池、组件和系统。本发明提供的N型晶体硅电池的制备方法，利用硼扩散形成的硼硅玻璃层作为磷扩散的阻挡层，工艺简单可控，设备投资低，得到的N型晶体硅电池具有较高的开路电压和转换效率，适合进行规模化生产。

本发明提供的一种N型晶体硅电池的制备方法，其技术方案是：

一种N型晶体硅电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、选择N型晶体硅基体，并对N型晶体硅基体的正表面作制绒处理；

(2)、将步骤(1)处理后的N型晶体硅基体的制绒面进行硼扩散处理，扩散温度为900-1000℃，时间为60-240分钟，扩散过程中引入硼硅玻璃生长促进剂以提高硼硅玻璃层的形成速度和厚度，扩散完成后，在正表面形成p+掺杂区域和硼硅玻璃层；

(3)、将硼扩散后的N型晶体硅基体进行清洗处理，去除硼扩散过程中在背表面形成的p+掺杂区域和氧化层；

(4)、将步骤(3)处理后的N型晶体硅基体进行磷扩散处理；

(5)、对步骤(4)处理后的N型晶体硅基体进行边缘隔离处理，从而实现正表面p+掺杂区域和背表面n+掺杂区域之间的电绝缘；

(6)、将步骤(5)处理后的N型晶体硅基体进行清洗处理，去除正表面的硼硅玻璃层和背表面的磷硅玻璃层。

(7)、在步骤(6)处理后的N型晶体硅基体的正表面设置钝化减反膜，在背表面设置钝化膜；

(8)、在步骤(7)处理后的N型晶体硅基体的背表面和正表面分别印刷金属浆料形成电极；

(9)、将步骤(8)处理后的N型晶体硅基体进行烧结处理，得到N型晶体硅电池。

其中，步骤(2)中，硼硅玻璃生长促进剂是水蒸气，硼硅玻璃层的厚度大于50nm。

其中，水蒸气通过氮气或者氧气鼓泡的方式携带进入扩散装置，或者通过氮气或氧气直接携带饱和水蒸气的方式进入扩散装置。

其中，携带水蒸气的氮气或者氧气的流量为500-5000sccm。

其中，硼扩散处理的硼源采用三溴化硼，扩散温度为940-1000℃，时间为150-240分钟，硼扩散后的方阻值为40-100Ω/sqr。

其中，步骤(4)中，磷扩散处理的磷源采用三氯氧磷，扩散温度为750-900℃，时间为60-180分钟，磷扩散后的方阻值为40-100Ω/sqr。

其中，步骤(5)中，进行边缘隔离处理的方法是等离子刻蚀法或激光法；

步骤(7)中，N型晶体硅基体的正表面的钝化减反膜是SiO₂、SiN_x和Al₂O₃介质膜中一种或多种，背表面的钝化膜是SiO₂和SiN_x介质膜组成的复合介质膜；正表面钝化减反膜的厚度为70～110nm；背表面钝化膜的厚度为大于或等于20nm；

步骤(8)中，N型晶体硅基体的背表面印刷的是银浆，印刷的电极图案为H型栅线，其中背面主栅线宽0.5-3mm，等间距设置3-6根，背面副栅线宽40-100um；N型晶体硅基体的正表面印刷的是掺铝银浆；其中正面主栅线宽0.5-3mm，正面副栅线宽40-100um；

步骤(9)中，烧结的峰值温度为不高于900℃。

上述的制备方法得到的一种N型晶体硅电池，包括N型晶体硅基体，N型晶体硅基体的正表面包括依次从内到外的p+掺杂区域和正表面钝化减反膜；N型晶体硅基体的背表面包括依次从内到外的n+掺杂区域和背表面钝化膜；N型晶体硅基体还包括设置在正表面的正面电极和设置在背表面的背面电极，正面电极包括正面主栅和正面副栅，背面电极包括背面主栅和背面副栅。

本发明还提供了一种N型晶体硅电池组件，包括由上至下依次设置的前层材料、封装材料、N型晶体硅电池、封装材料、背层材料，N型晶体硅电池是上述的一种N型晶体硅电池。

本发明还提供了一种N型晶体硅电池系统，包括一个以上串联的N型晶体硅电池组件，N型晶体硅电池组件是上述的一种N型晶体硅电池组件。

本发明的实施包括以下技术效果：

1)本发明的N型晶体硅电池的制备方法，制备N型晶体硅电池过程中，正面掺杂和背面掺杂均使用扩散的方法，本发明通过调整硼扩散的工艺参数以及在扩散过程中加入水蒸气，既提高了硼硅玻璃层的形成速度和厚度，又使得硼扩散形成的硼硅玻璃层非常致密且厚度较大，具备阻挡磷扩散的能力，在进行磷扩散的时候，有效地保护了下方的p+掺杂区域，故而正表面的p+掺杂区域不会受到磷掺杂的影响。从而开发出简单的N型晶体硅电池制作工艺，包括制绒、正表面硼扩散及形成硼硅玻璃层、背表面刻蚀、背表面磷扩散、边缘隔离、清洗、镀膜、印刷及烧结。

2)工艺过程简单可控，不使用昂贵的离子注入机等设备，设备投资低。

3)通过扩散方法形成的pn结相对硼源旋涂或丝印法污染更少、质量更好。

4)由于硼在二氧化硅中的扩散系数高于硅，所以厚的硼硅玻璃层有利于降低p+掺杂区域的表面硼浓度从而减少表面复合提高开路电压。按照本发明方法制备的N型晶体硅电池具有较高的开路电压和光电转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤一后的电池结构截面示意图。

图2为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤二后的电池结构截面示意图。

图3为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤三后的电池结构截面示意图。

图4为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤四后的电池结构截面示意图。

图5为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤五后的电池结构截面示意图。

图6为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤六后的电池结构截面示意图。

图7为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤七后的电池结构截面示意图。

图8为本发明实施例的一种N型晶体硅电池的制备方法步骤八后的电池结构截面示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参见图1至图7所示，本实施例提供的一种N型晶体硅电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、选择156.75mm×156.75mm的N型晶体硅基体10，并对N型晶体硅基体10的正表面作制绒处理；N型晶体硅基体10的电阻率为0.2～15Ω·cm，优选0.5～5Ω·cm；N型晶体硅基体10的厚度为50～300μm，优选80～200μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示。

(2)、将步骤(1)处理后的N型晶体硅基体10放入工业用扩散炉中对制绒面进行硼扩散。硼源采用三溴化硼，扩散温度为900-1000℃，时间为60-240分钟，优选扩散温度为940-1000℃，时间为150-240分钟，优选扩散温度为940-1000℃，时间为180-240分钟，通过增加扩散温度和扩散时间，提高了硼硅玻璃层的形成速度和厚度。硼扩散后的方阻值为40-100Ω/sqr，优选60-80Ω/sqr。扩散完成后，在正表面形成p+掺杂区域12及硼硅玻璃层13，同时不可避免地在背表面形成一部分p+掺杂区域14及氧化层15。经过大量试验验证，硼硅玻璃层13的厚度大于50nm时，硼硅玻璃层具备阻挡磷扩散的能力。特别的是，在增加扩散温度和扩散时间的基础上，引入硼硅玻璃生长促进剂以提高硼硅玻璃层的形成速度和厚度，本实施例的硼硅玻璃生长促进剂优选水蒸气，水蒸气可通过氮气或者氧气鼓泡的方式携带进炉管，也可通过氮气或氧气直接携带饱和水蒸气的方式进入炉管，携带水蒸气的氮气或者氧气的流量为500-5000sccm。水蒸气可以在同等的工艺条件下显著提高硼硅玻璃层的生长速度(硼硅玻璃即为含有硼的二氧化硅)。水蒸气与硅的反应方程式为：Si+H₂O→SiO₂+H₂，氧气与硅的反应方程式为：Si+O₂＝SiO₂。正常氧化过程中，氧气与硅表面反应生成二氧化硅，后续的氧气需要穿过二氧化硅层才能继续与硅反应，而水蒸气在二氧化硅中的扩散速度和溶解度比氧气大，故而有水蒸气存在时硼扩玻璃层的形成速度和厚度均较氧气有明显提升。

本步骤中，通过水蒸气参与形成的硼硅玻璃层13，非常致密且厚度较大，使得硼扩散形成的硼硅玻璃层具备阻挡磷扩散的能力，在进行磷扩散的时候，有效地保护了下方的p+掺杂区域12，故而正表面的p+掺杂区域12不会受到磷掺杂的影响；同时由于磷掺杂温度低于硼掺杂温度，p+掺杂区域12的掺杂曲线也不会受磷扩散影响，完成本步骤后的电池结构如图2所示。基于本步骤中形成的硼硅玻璃层，后续的磷扩散过程中，无需再沉积掩膜，简化了步骤，且工艺过程简单可控，不需使用昂贵的离子注入机等设备，设备投资低；通过扩散方法形成的pn结相对硼源旋涂或丝印法污染更少、质量更好，由于硼在二氧化硅中的扩散系数高于硅，所以厚的硼硅玻璃层有利于降低p+掺杂区域的表面硼浓度从而减少表面复合提高开路电压。使得制备得到的N型晶体硅电池具有较高的开路电压和光电转换效率。

(3)、将硼扩散后的N型晶体硅基体10放入湿法刻蚀清洗机中，去除背表面的p+掺杂区域14及氧化层15，同时保证正表面的p+掺杂区域12及硼硅玻璃层13不受破坏。完成本步骤后的电池结构如图3所示。

(4)、将步骤(3)处理后的N型晶体硅基体10放入扩散炉中进行磷扩散，磷源采用三氯氧磷，扩散温度为750-900℃，时间为60-180分钟。磷扩散后的方阻值为40-100Ω/sqr，优选50-80Ω/sqr。扩散完成后，在背表面形成n+掺杂区域16及磷硅玻璃层17。完成本步骤后的电池结构如图4所示。

(5)、对步骤(4)后的N型晶体硅基体10进行边缘隔离处理，可选用等离子刻蚀法或激光法进行边缘隔离，从而实现正面和背面扩散层之间的电绝缘。完成本步骤后的电池结构如图5所示。

(6)、将步骤(5)处理后的N型晶体硅基体10放入清洗机中，去除正表面的硼硅玻璃层13及背表面的磷硅玻璃层17，并对硅片表面进行清洗和烘干。完成本步骤后的电池结构如图6所示。

(7)、在步骤(6)处理后的N型晶体硅基体10的正表面设置钝化减反膜14并在背表面设置钝化膜18，其中正表面的钝化减反膜14是SiO₂、SiN_x和Al₂O₃介质膜中一种或多种，背表面的钝化膜18是SiO₂和SiN_x介质膜组成的复合介质膜。正表面钝化减反膜14的厚度为70～110nm；背表面钝化膜18的厚度为不低于20nm。完成本步骤后的电池结构如图7所示。

(8)、在N型晶体硅基体10的背表面使用银浆印刷电极并进行烘干，其电极图案为H型栅线，其中背面主栅22线宽0.5-3mm，长155mm，等间距设置3-6根，背面副栅26线宽40-100um，长155mm，互相平行，间距为1.55mm，共设置100根。在N型晶体硅基体10的正表面使用掺铝银浆印刷正面主栅20和正面副栅24并进行烘干。其中正面主栅20线宽0.5-3mm，长155mm，等间距设置3-6根。正面副栅24线宽40-100um，长155mm，互相平行，间距为1.95mm，共设置80根。完成本步骤后的电池结构如图8所示。

(9)、将步骤(8)处理后的N型晶体硅基体10传送入带式烧结炉进行烧结，烧结峰值温度为不高于900℃，即完成N型晶体硅电池的制作。

本实施例还提供了根据上述方法制备得到的一种N型晶体硅电池，包括N型晶体硅基体10，N型晶体硅基体10的正表面包括依次从内到外的p+掺杂区域12和正表面钝化减反膜14；N型晶体硅基体10的背表面包括依次从内到外的n+掺杂区域16和背表面钝化膜18；N型晶体硅基体10还包括设置在正表面的正面电极和设置在背表面的背面电极，正面电极包括正面主栅20和正面副栅24，背面电极包括背面主栅22和背面副栅26。

本实施例还提供了一种N型晶体硅电池组件，包括由上至下连接的前层材料、封装材料、N型晶体硅电池、封装材料、背层材料，N型晶体硅电池是上述的一种N型晶体硅电池。本实施例的N型晶体硅电池组件的结构及工作原理使用本领域公知的技术，且本发明提供的N型晶体硅电池组件的改进仅涉及上述的N型晶体硅电池，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对N型晶体硅电池及其制备方法进行详述，对N型晶体硅电池组件的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明的N型晶体硅电池组件的制作。

本发明还提供了一种N型晶体硅电池系统，包括一个以上串联的N型晶体硅电池组件，N型晶体硅电池组件是上述的一种N型晶体硅电池组件。本实施例的N型晶体硅电池系统的结构及工作原理使用本领域公知的技术，且本发明提供的N型晶体硅电池系统的改进仅涉及上述的N型晶体硅电池，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对N型晶体硅电池及其制备方法进行详述，对N型晶体硅电池系统的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明的N型晶体硅电池系统的制作。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。