一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法及其制得的电池与流程

本发明属于太阳能电池领域，涉及一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法及其制得的电池，尤其涉及一种通过对导电层浆料进行低温固化制备局部掺杂晶体硅太阳能电池的方法及所述方法制备得到局部掺杂晶体硅太阳能电池。

背景技术：

随着科技的发展，出现了局部背接触背钝化(PERC)太阳能电池，这是新开发出来的一种高效太阳能电池，得到了业界的广泛关注。其核心是在硅片的背光面用氧化铝或者氧化硅薄膜(5～100纳米)覆盖，以起到钝化表面，提高长波响应的作用，从而提升电池的转换效率。

现有的PERC太阳能电池结构主要包括具有PN结的硅片层，以及依次设于硅片层背面的钝化层、氮化硅薄膜层和铝金属层，如CN 104882498A、CN 106057920A和CN 105470349A中均公开了一种PERC太阳能电池。所述PERC太阳能电池的制备方法主要包括如下步骤：制绒、扩散、背抛光、刻蚀和去杂质玻璃、背面沉积钝化层(如氧化铝、氧化硅薄膜或氮化硅)、正面沉积氮化硅减反射层、背面局部开口、丝网印刷背面银浆料、丝网印刷背面铝浆料、丝网印刷正面银浆料和烧结，通过所述方法制得的太阳能电池。

通过铝原子在硅中的替位掺杂，在硅片背部局部形成了P/P⁺的结构，但由于铝原子在硅中固溶度限制，P⁺浓度峰值仅能达到3×10¹⁸cm^-3，其限制了太阳能电池的电池转换效率。

为了得到更高的电池转换效率，新南威尔士州立大学提出了PERL结构，其特点是用在硅中有高固溶度的硼原子替代铝形成掺杂，其掺杂浓度可以达到1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3。由于P⁺浓度提高，局部有更强的背表面场钝化，可得到更高的开路电压和填充因子。

CN 103996746A和CN 104638033A均公开了一种PERL太阳能电池及其制备方法，在高温或激光处理过程中硼向硅片内部扩散，在钝化膜的开口处形成P⁺区，由于P⁺区硼浓度远高于P型硅片的硼浓度，产生化学位差，形成局部硼背场，进而提升太阳能电池的电池转换效率。

现有制备PERL的工艺流程是：制绒、扩散、背刻蚀、背部掩膜、局部开口、硼扩散、去掩膜、背面沉积钝化层、正面沉积氮化硅减反射层、丝网印刷硼浆、背面激光同时完成开膜与掺硼、丝网印刷背面银浆料、丝网印刷背面铝浆料、丝网印刷正面银浆料和烧结。

然而，现有制备PERL的方法存在如下缺点：现有制备PERL的工艺中激光开口并完成掺杂硼，其深度只有6μm～8μm；而铝浆烧结时，由于硅和铝的剧烈反应，铝进入硅的深度多达20μm，远远深于硼掺杂的深度。因此，大部分硼被稀释留在了硅铝合金中，少量留在硅中，硼含量只有10¹⁸cm^-3，形成的硼铝背场强度只比PERC略有增加，效率提升一般在0.1％以内，其同样无法有效提高太阳能电池的电池转换效率。

技术实现要素：

针对现有PERC太阳能电池存在的掺杂浓度低导致的太阳能电池的电池性能无法进一步提升的问题，以及现有PERL太阳能电池的制备工艺繁琐，成本高，不利于工业化生产等问题，本发明提供了一种通过对导电层浆料进行低温固化制备局部掺杂晶体硅太阳能电池的方法及所述方法制备得到局部掺杂晶体硅太阳能电池。本发明通过对导电层浆料进行低温固化制备局部掺杂晶体硅太阳能电池，可有效避免高温下经过掺杂的硅和背面金属电极浆料的剧烈反应，进而使大部分第三主族元素或第五主族元素留在硅中，显著增加电池背表面场强度，减少局部区域复合速率，进而大幅度提高开路电压和填充因子，最终大幅度提升电池的转换效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在晶体硅片背面沉积钝化层、背面开口、背面沉积掺杂浆料、背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

或，在晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面开口、背面沉积掺杂浆料、背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料固化的固化温度为100℃～400℃，例如100℃、130℃、150℃、170℃、200℃、230℃、250℃、270℃、300℃、330℃、350℃、370℃或400℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

第二方面，本发明提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在晶体硅片背面沉积钝化层、背面沉积掺杂浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

或，

在晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面沉积掺杂浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料固化的固化温度为100℃～400℃，例如100℃、130℃、150℃、170℃、200℃、230℃、250℃、270℃、300℃、330℃、350℃、370℃或400℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明所述方法先完成与硅片掺杂同导电类型掺杂浆料的掺杂和烧结电极浆料，最后进行导电层浆料低温固化，以固化后的导电层浆料作为与局部高掺杂元素实现金属接触的金属浆料，这样避免了高温下经过掺杂的硅和导电层浆料的剧烈反应，导电层浆料进入硅的深度不超过2μm，远远低于掺杂的深度，可使大部分掺杂元素留在硅中。

本发明中，导电层浆料固化的温度需在低温条件下进行，若温度过高，会使硅和电极浆料在高温下剧烈反应，使铝进入硅的深度多达20μm，远远深于掺杂元素掺杂的深度，进而影响太阳能电池的电池转换效率。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述背面开口的方式为激光开口或腐蚀开口。

优选地，所述腐蚀开口为溶液和/或浆料腐蚀开口。

优选地，所述背面掺杂的掺杂方法为激光诱导、热推进或离子注入中任意一种或至少两种的组合。

作为本发明优选的技术方案，所述背面开口的同时进行背面掺杂的方法为：使用激光在钝化层上形成开口，同时进行激光掺杂。

作为本发明优选的技术方案，所述晶体硅片在背面沉积钝化层前进行预处理。

优选地，所述预处理依次包括制绒、扩散、背刻蚀、去杂质玻璃处理和正面沉积减反射层。

优选地，所述晶体硅片为P型硅片或N型硅片。

优选地，所述正面沉积减反射层中的沉积方法为丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积或喷墨印刷中任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述减反射层为氮化硅减反射层。

本发明所述预处理为制备晶体硅太阳能电池中的常规操作，典型但非限制性的，制绒的操作可采用干法刻蚀或者湿法刻蚀，以在硅片表面形成纳米级绒面，减少光反射；扩散操作可采用旋涂法，在晶体硅片的正面进行扩散形成磷硅玻璃或硼硅玻璃，以形成PN结；背刻蚀处理可采用硝酸、氢氟酸混合溶液，去除晶体硅片背面和边缘的寄生PN结；去除杂质玻璃可采用湿法刻蚀去除表面磷硅玻璃或硼硅玻璃。由于，上述预处理过程均为本领域的常规操作，故具体操作步骤以及参数此处不再赘述。

优选地，所述背面沉积钝化层中的沉积方法为丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积或喷墨印刷中任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述背面沉积钝化层中的钝化层为氧化铝、氮化硅或氧化硅薄膜中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氧化铝和氮化硅的组合，氮化硅和氧化硅薄膜的组合，氧化铝和氧化硅薄膜的组合，氧化铝、氮化硅和氧化硅薄膜的组合等。

作为本发明优选的技术方案，所述沉积掺杂浆料中的沉积方法为丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积或喷墨印刷中任意一种或至少两种的组合，优选为丝网印刷。

优选地，所述背面沉积掺杂浆料中掺杂浆料为与硅片掺杂同导电类型掺杂浆料。

优选地，当所述晶体硅片为N型硅片时，沉积掺杂浆料为第五主族任一元素或至少两种元素，所述元素组合典型但非限制性实例有：氮元素和磷元素的组合，磷元素和砷元素的组合，氮元素和砷元素的组合，磷元素和碲元素的组合等，优选为磷浆料。

优选地，当所述晶体硅片为P型硅片时，沉积掺杂浆料为第三主族任一元素或者至少两种元素，所述元素组合典型但限制性实例有：硼元素和铝元素的组合，铝元素和镓元素的组合，硼元素和铟元素的组合等，优选为硼浆料。

作为本发明优选的技术方案，所述沉积电极浆料包括正面沉积金属浆料和背面沉积金属浆料，

或，

所述沉积电极浆料包括背面沉积金属浆料和正面沉积金属浆料。

优选地，所述沉积电极电极浆料中的沉积方法为丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积或喷墨印刷中任意一种或至少两种的组合，优选为丝网印刷。

优选地，所述沉积电极电极浆料中的金属电极浆料为银浆料。

作为本发明优选的技术方案，所述背面沉积导电层浆料的沉积方法为丝网印刷、化学气相沉积、物理气相沉积或喷墨印刷中任意一种或至少两种的组合，优选为丝网印刷。

优选地，所述背面沉积导电层浆料所用的浆料为铝浆料。

作为本发明优选的技术方案，所述导电层浆料固化的固化方式为热烘干或红外线烤干。

优选地，所述红外线烤干的红外辐射波长范围为950nm～4500nm，例如950nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm或4500nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1000nm～3000nm。

优选地，所述红外线烤干的辐射功率为3000W/m²～9000W/m²，例如3000W/m²、3500W/m²、4000W/m²、4500W/m²、5000W/m²、5500W/m²、6000W/m²、6500W/m²、7000W/m²、7500W/m²、8000W/m²、8500W/m²或9000W/m²等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为4000W/m²～9000W/m²。

优选地，所述红外线烤干的的处理时间为5min～20min，例如5min、7min、9min、10min、13min、15min、17min、19min或20min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，红外线烤干的辐射波长范围和辐射功率也是影响电池效率的关键因素之一，所述红外辐射波长过低，会使导电层浆料的固化不彻底，降低电池转换效率；波长过高，会使导电层浆料固化后与硅片的粘附力降低，减少电池的使用寿命。同时，若红外辐射的功率过低，会使导电层浆料的固化不彻底，降低电池转换效率；功率过高，会使导电层浆料固化后与硅片的粘附力降低，减少电池的使用寿命。

优选地，所述热烘干的温度范围为100℃～400℃，例如100℃、130℃、150℃、170℃、200℃、230℃、250℃、270℃、300℃、330℃、350℃、370℃或400℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为200℃～300℃。

优选地，所述热烘干的处理时间为5min～20min，例如5min、7min、9min、10min、13min、15min、17min、19min或20min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

第三方面，本发明提供了上述任意一种方法制备方法制备得到的局部掺杂晶体硅太阳能电池，所述电池包括晶体硅片层以及依次设于晶体硅片层背面的钝化层和导电层，所述钝化层上具有多个开口，所述开口内部填充导电层，所述晶体硅片层中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成合金层和第一掺杂背场。

作为本发明优选的技术方案，所述晶体硅片层为P型硅片层或N型硅片层。

优选地，当晶体硅片层为P型硅片层时，所述电池在合金层和第一掺杂背场之间还包括形成的第二掺杂背场。

优选地，所述第二掺杂背场为铝元素掺杂形成的背场。

优选地，所述第一掺杂背场为与硅片掺杂同导电类型的掺杂浆料掺杂形成的背场，优选为磷背场或硼背场。

优选地，所述第一掺杂背场中与硅片掺杂同导电类型的掺杂浆料中掺杂元素的掺杂浓度为6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，例如6×10¹⁹cm^-3、8×10¹⁹cm^-3、1×10²⁰cm^-3、1.5×10²⁰cm^-3、2×10²⁰cm^-3、2.5×10²⁰cm^-3、3×10²⁰cm^-3、3.5×10²⁰cm^-3、4×10²⁰cm^-3、4.5×10²⁰cm^-3、5×10²⁰cm^-3、5.5×10²⁰cm^-3、6×10²⁰cm^-3、6.5×10²⁰cm^-3、7×10²⁰cm^-3、8×10²⁰cm^-3或9×10²⁰cm^-3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对导电层浆料进行低温固化背制备局部掺杂晶体硅太阳能电池，可有效避高温下经过掺杂的硅和背面导电层浆料的剧烈反应，进而使大部分第三主族或第五主族元素留在硅中，使背场中第三主族或第五主族元素的局部掺杂浓度峰值由现有PERC太阳能电池中的3×10¹⁸cm^-3提高至6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，可显著增加电池背表面场强度，减少局部区域复合速率，进而大幅度提高开路电压和填充因子，最终大幅度提升电池的转换效率。

同时，本发明所述的局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法较现有PERL太阳能电池更为简单，成本更低，与产业现有设备兼容性更高，有利于工业化生产。

附图说明

图1本发明实施例1中所述局部掺杂晶体硅太阳能电池结构的背面俯视图；

图2是本发明实施例1中所述局部掺杂晶体硅太阳能电池结构的背面俯视图中A部分的局部放大俯视图；

图3是本发明实施例1中所述局部掺杂晶体硅太阳能电池结构的背面俯视图中A部分的局部放大俯视图中沿a-a’截面的侧视图；

其中，1-晶体硅片层，2-钝化层，3-导电层，4-硅铝合金，5-铝背场，6-硼背场，7-制绒面扩散层，8-制绒面减反射层，9-制绒面银电极，10-背银电极。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

本发明具体实施例部分提供了两种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，

其一，所述方法包括以下步骤：

在晶体硅片背面沉积钝化层、背面开口、背面沉积掺杂浆料、背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

或，在晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面开口、背面沉积掺杂浆料、背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料固化的固化温度为100℃～400℃。

其二，所述方法包括以下步骤：

在晶体硅片背面沉积钝化层、背面沉积掺杂浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

或，

在晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面沉积掺杂浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料固化的固化温度为100℃～400℃。

本发明具体实施例还提供了上述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法制备得到的局部掺杂晶体硅太阳能电池，所述电池包括晶体硅片层1以及依次设于晶体硅片层1背面的钝化层2和导电层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充导电层，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成合金层4和第一掺杂背场6。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在P型晶体硅片背面沉积钝化层、背面开口、背面沉积硼浆料、背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料为铝浆料，导电层浆料固化的温度为200℃，电极浆料为银浆料；

所述导电层浆料固化采用红外线烤干，其红外辐射固化的红外辐射波长为1450nm，辐射功率为4000W/m²，处理时间为5min。

所述方法制得的局部掺杂晶体硅太阳能电池，如图1-3所示，包括P型晶体硅片层1以及依次设于晶体硅片层1背面的钝化层2和导电层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充导电层，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里依次掺杂形成硅铝合金4、铝背场5和硼背场6。

所述晶体硅片层1正面依次设有制绒面扩散层7、制绒面减反射层8和制绒面银电极9；所述晶体硅片层1背面分布设置背银电极10。

实施例2：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在P型晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面开口、背面沉积硼浆料、背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料为铝浆料，电极浆料为银浆料，导电层浆料固化的温度为300℃，所述导电层浆料固化采用红外线烤干，其红外辐射固化的红外辐射波长为1450nm，辐射功率为6000W/m²，处理时间为8min。

所述方法制得的局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构与实施例1中相同。

实施例3：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在P型晶体硅片背面沉积钝化层、背面沉积硼浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、沉积电极浆料、烧结、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料为铝浆料，导电层浆料固化的温度为400℃，电极浆料为银浆料；

所述导电层浆料固化采用红外线烤干，其红外辐射固化的红外辐射波长范围为3000nm，辐射功率为6000W/m²，处理时间为10min。

所述方法制得的局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构与实施例1中相同。

实施例4

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在N型晶体硅片背面沉积钝化层、沉积电极浆料、烧结、背面沉积磷浆料、背面开口的同时进行背面掺杂、背面沉积导电层浆料和导电层浆料固化，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池；

其中，导电层浆料为铝浆料，电极浆料为银浆料，导电层浆料固化的温度为200℃；

所述导电层浆料固化的固化方式为热烘干，所述热烘干的处理时间为5min。

所述方法制得的局部掺杂晶体硅太阳能电池，包括N型晶体硅片层1以及依次设于晶体硅片层1背面的钝化层2和导电层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充导电层，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里依次掺杂形成硅铝合金4和磷背场6。

所述晶体硅片层1正面依次设有制绒面扩散层7、制绒面减反射层8和制绒面银电极9；所述晶体硅片层1背面分布设置背银电极10。

对比例1：

本对比例提供了一种PERC太阳能电池的制备方法，其制备方法为：将晶体硅片依次进行制绒、扩散、背刻蚀、去杂质玻璃处理、正面化学气相沉积减反射层、背面化学气相沉积钝化层、背面局部开口、背面沉积银浆料、背面沉积铝浆料、正面沉积银浆料和烧结处理，得到PERC太阳能电池。对比例2：

本对比例提供了一种PERL太阳能电池的制备方法，所述制备方法为：制绒、扩散、背刻蚀、背面沉积钝化层(如氧化铝、氧化硅薄膜或氮化硅)、正面沉积氮化硅减反射层、背面局部开口、丝网印刷正面金属浆料、烧结、背面物理气相沉积生长铝金属和退火。

性能测试：将实施例1-4和对比例1-2中所述的太阳能电池进行性能测试，25℃下测定V_oc(开路电压)、I_sc(短路电流)、FF(填充因子)、Efficiency(光电转化效率)和背表面场P+峰值掺杂浓度测试结果如表1所示。

表1：实施例1-5和对比例1-4中太阳能电池的性能测试表

综合实施例1-4和对比例1-2的结果可以看出，本发明通过对导电层浆料进行低温固化制备局部掺杂晶体硅太阳能电池，可有效避免高温下经过掺杂的硅和背面金属导电层浆料的剧烈反应，进而使大部分第三主族元素或第五主族元素留在硅中，使背场P⁺浓度峰值由现有PERC太阳能电池中的3×10¹⁸cm^-3提高至6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，可显著增加电池背表面场强度，减少局部区域复合速率，进而大幅度提高开路电压和填充因子，最终大幅度提升电池的转换效率。

同时，本发明所述的局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法较现有PERL太阳能电池更为简单，成本更低，与产业现有设备兼容性更高，有利于工业化生产。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。