一种具有二维电极结构的n型晶体硅双面电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均以规则图案方式排布在对应的正面减反射膜和背面钝化膜的表面，且正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均穿透对应的减反射膜与硅片的正、背面形成局部欧姆接触；正面透明导电膜将正面局部接触金属电极与正面金属电极连接成为正面电极的导电组合体，背面透明导电膜将背面局部接触金属电极与背面金属电极连接成为背面电极的导电组合体。本实用新型的电极显著减少了金属电极的遮光面积与浆料的使用量，同时保证电极良好的导电性，很好的平衡了电极光遮挡与导电性之间的两难问题。
【专利说明】
一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池
技术领域
[0001]本实用新型属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池。
【背景技术】
[0002]自1954年第一块太阳能电池在贝尔实验室诞生以来，晶体硅太阳能电池得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前，晶体硅太阳能电池占太阳能电池全球市场总额的80%以上，晶体硅电池片的产线转换效率目前已突破20%，全球年新增装机容量约50GW且增速明显，与火力发电的度电成本不断缩小，在未来几年有望与之持平。晶体硅太阳能电池作为一种清洁能源在改变能源结构、缓解环境压力等方面的重要作用日益凸显。
[0003]按基材的掺杂类型，晶体硅太阳能电池分为P型晶体硅太阳能电池和N型晶体硅太阳能电池。与P型晶体硅太阳能电池相比，N型晶体硅太阳能电池具有更高的转换效率和杂质容忍度，且基本上无光致衰减。目前制约N型晶体硅太阳能电池大规模应用的主要原因是成本问题未能很好的解决。
[0004]N型晶体硅太阳能电池要想获得竞争力、获得更大的发展与应用，必须进一步提高转换效率，同时降低生产成本。由于N型晶体硅比P型晶体硅具有更长的少子寿命，所以N型晶硅电池通常可以做成双面受光型电池以增加电池的输出功率，增加值一般在20%以上。
[0005]目前N型晶体硅双面太阳能电池的电极多采用银铝浆丝网印刷的方式形成近百条细栅和若干条主栅，此工序使用的物料成本昂贵，且电极会造成电池片表面5%—7%的面积形成对光的遮挡，使双面电池在效率优势上未能充分体现。
[0006]如何在减少遮光面积与保持良好的导电性之间进行平衡，是近目前N型晶硅双面电池研究的一个热点。由于浆料技术与印刷技术的进步，受光面电极细栅宽度不断减小，根据SEMI预测，到2020年细栅的宽度将减小至35微米以下，同时主栅采用多主栅及无主栅。在这个栅线细化技术过程中，电极的遮光面积有所下降，导电性有所提升，同时获得了效率的提升与成本的下降。但随着栅线宽度的不断减小，电极制备的工艺难度不断加大，进一步提高效率、降低生产成本的空间缩小。
[0007]为了彻底解决金属电极的光遮挡及成本问题，透明导电膜在晶体硅电池中的应用日益受到重视。有人提出采用透明导电膜取代金属细栅，但该方法由于仍保留了主栅，电极的光遮面积减少幅度有限，且细栅的取消会造成导电性变差，影响转换效率。还有人采用不同导电率的透明导电膜完全替代受光面金属电极与减反射膜，但该方法自提出至今十余年无法实现量产。还有人将透明导电膜应用于MWT技术，但实现工艺复杂，不易于控制与降低成本。
【实用新型内容】
[0008]本实用新型的目的是提供了一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，本实用新型的电池组合电极显著减少了金属电极的遮光面积与浆料的使用量，同时保证电极良好的导电性，很好的平衡了电极光遮挡与导电性之间的两难问题。本实用新型提升了 N型晶体硅双面太阳能电池的转换效率、同时降低了生产成本。
[0009]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术手段:
[0010]一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，包括:自上而下依次设置的正面金属电极、正面透明导电膜、正面局部接触金属电极、正面减反射膜/钝化膜、P型层、N型硅基体、局部或全部背场、背面钝化膜、背面局部接触金属电极、背面透明导电膜和背面金属电极;正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均以规则图案方式排布在对应的正面减反射膜/钝化膜和背面钝化膜之上，且正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均穿透对应的正面减反射膜/钝化膜和背面钝化膜分别与硅片的正面和背面形成局部欧姆接触；正面透明导电膜将正面局部接触金属电极与正面金属电极连接成为正面电极的导电组合体，背面透明导电膜将背面局部接触金属电极与背面金属电极连接成为背面电极的导电组合体。
[0011]所述的正面透明导电膜和背面透明导电膜均为ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨稀薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜的厚度为50?500nm。
[0012]正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均采用阵列图案排布，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合;一维几何图形选自:线段、虚线段或弧线;二维几何图形选自:圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
[0013]所述一维几何图形的线宽为30?lOOum，长度为0.05?1.5mm;同一行中相邻两个线形的间距为0.5?2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5?2mm。
[0014]正面金属电极与背面金属电极的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20?2000um，数量为5?100根，线长为2?156mm，相邻线段之间的距离为
0.5?50mmo
[0015]N型硅基体是N型单晶硅基体或N型多晶硅基体;导电组合体形成于N型硅基体的表面或发射极表面。
[0016]正面局部接触金属电极、背面局部接触金属电极、正面金属电极和背面金属电极均为银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极和金属复合电极;N型硅基体正面和背面均为金字塔、倒金字塔、纳米/微米多孔结构。
[0017]正面钝化膜为氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为5?50nm ；正面减反射膜为氮化娃薄膜、氧化娃薄膜、氮氧化娃薄膜、氧化钛薄膜、碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成，减反射膜整体厚度为50?10nm;背面的钝化膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜的中的一种或多种叠层构成，钝化膜整体厚度为5?50nm。
[0018]阵列分布的正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极下方的局部硅基体为重掺杂区或一般掺杂区，重掺杂区的方阻为5?50 Ω/□，一般掺杂区的方阻为50?150Ω /□。
[0019]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果:
[0020]本实用新型采用透明导电膜将其上下设置的金属电极结合为一个可作为N型晶硅双面电池正面和背面电极的导电整体，使电池片的受光面积增加了3%?5%，同时保持了电极良好的导电性，提升了 N型晶体硅双面太阳能电池的转换效率，大幅减少了金属浆料的使用量，降低了生产成本。
[0021]进一步，阵列图形为点状阵列或线状阵列，接触点多，局部欧姆接触良好。
【附图说明】
[0022]图1是具有二维电极结构的N型双面电池结构示意图；
[0023]图2是点状局部接触金属电极图案示意图；
[0024]图3是线段状局部接触金属电极图案示意图。
[0025]其中，1、正面透明导电膜，2、正面局部接触金属电极，3、正面减反射膜/钝化膜，4、P型层，5、N型硅基体，6、局部或全部背场，7、背面钝化膜，8、背面局部接触金属电极，9、背面透明导电膜，10、正面金属电极，11、背面金属电极。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0027]如图1所示，本实用新型提供的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，N型晶硅电池的正、背面电极均采用局部接触金属电极、透明导电膜与金属电极协同作用的形式，局部接触金属电极以特定阵列图形(可以是点状阵列、线状阵列及其他形状，见示意图
2、3)穿透减反射膜/钝化膜与硅基体形成良好的局部欧姆接触，透明导电膜设置于局部接触金属电极之上，金属电极设置于透明导电膜之上。透明导电膜将其上下的金属电极连接成为一个可作为晶体硅双面太阳能电池电极的导电组合体。
[0028]本实用新型的电池结构自上而下依次设置的正面金属电极、正面透明导电膜、正面局部接触金属电极、正面减反射膜、正面钝化膜、N型硅基体、背面钝化膜、背面局部接触金属电极、背面透明导电膜和背面金属电极;正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均以规则图案方式排布在对应的正面减反射膜和背面减反射膜的表面，且正面局部接触金属电极和背面局部接触金属电极均穿透对应的减反射膜或钝化膜与硅片的正面和背面形成欧姆接触;透明导电膜设置于局部接触金属电极之上，金属电极设置于透明导电膜之上。透明导电膜将其上下的金属电极连接成为一个可作为晶体硅双面太阳能电池电极的导电组合体。
[0029]N型硅基体的正面和背面分别设置P型层和局部或全部背场。金属电极图案可以是为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合;一维几何图形选自:线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自:圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。所述一维几何图形的线宽为30?lOOum，长度为0.05?1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5?2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5?2mm。二维几何图形的尺寸为30?200um，相邻两个图形中心距为0.8?2_。具体的，如图2和图3所示。
[0030 ]上述具有二维电极结构的N型晶体硅双面太阳能电池的制备方法，包括下述步骤:
[0031](I)将N型硅基体进行表面织构化处理，N型硅基体可以是N型单晶硅基体、N型多晶硅基体，表面织构化处理可以采用化学药液腐蚀、等离子刻蚀、金属催化、激光刻蚀等方法；
[0032](2)在N型硅基体的正面与背面分别进行掺杂处理，正面的杂质源可以是BBr3、BF3、B2H6或其他含硼浆料等，背面的杂质源可以是P0C13、PH3或其他含磷浆料等，掺杂的方法可以采用低压扩散、常压扩散、离子注入、杂质浆料涂敷加热处理等方式；
[0033](3)刻蚀去掉N型硅基体正面的硼硅玻璃与正面的磷硅玻璃，刻蚀的方法可采用湿法刻蚀、干法刻蚀；
[0034](4)在N型硅基体的正、背面沉积或生长5?50nm钝化膜，钝化膜可采用氧化硅、氧化招、氮化娃、氮氧化娃、非晶娃、碳化娃等；
[0035](5)在硅基体正、背面的钝化膜上分别沉积50?90nm左右的减反射膜，减反射膜可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化钛等；
[0036](6)按特定的图形在娃基体的正面和背面上制作与娃基体直接接触的阵列分布金属电极，制作可以采用丝网印刷的方法，及激光或化学腐蚀协同气相沉积、光诱导镀、电镀等的方法。金属电极图案可以是点、线段及其他形状的阵列，点状图案的直径在50?200um之间，点与点之间的间距在0.8?2mm之间；线段状图案的线宽在40?10um之间，长度在
0.05?1.5mm之间，同一行中相邻两个线段电极的间距为0.5?2mm，同一列中相邻两个线段电极的间距为0.5?2mm。
[0037](7)进行烧结，特定图形的阵列分布金属电极材料穿透减反射膜与钝化膜，并形成良好的欧姆接触；
[0038](8)在正面与背面阵列分布的局部接触金属电极上制作透明导电膜，透明导电膜可以是ITO (铟锡氧化物)、AZO (掺铝氧化锌)、GZO (掺镓氧化锌)、FTO (掺氟氧化锡)、IWO (掺钨氧化铟)、石墨烯等，制作的方法可以采用溅射、印刷、喷涂等，透明导电膜的厚度控制在100?500nm。
[0039](9)在正面和背面的透明导电膜上制作金属电极，金属电极的图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20?2000um，数量为5?100根，线长为2?156mm，相邻线段之间的距离为0.5?50mm。随后进行热处理。
[0040]下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，本实用新型不限于以下实施例。
[0041 ] 实施例1:
[0042](I)将N型单晶硅基体于80 °C左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构；
[0043](2)在硅基体的正面与背面采用离子注入的方法分别掺入硼原子与磷原子，硼源采用BF3,磷源采用PH3,之后进行退火处理；
[0044](3)清洗硅基体的正面与背面；
[0045](4)在正面与背面分别沉积50nm的氧化铝和50nm的氧化硅；
[0046](5)在正面与背面的钝化膜上分别沉积90nm左右的氮化硅；
[0047](6)采用激光按特定图形对正面和背面的减反射膜进行开孔，特定图案采用点状阵列，点的直径为200um，点与点之间的间距为2mm。然后采用PVD喷墨的方法在正面和背面的开孔处制备银电极。
[0048](7)在200?500 V下进行退火处理，使阵列分布的点状银电极与硅基体形成良好的欧姆接触；
[0049](8)在正面与背面的点状阵列电极上采用溅射的方法制备10nm的FTO透明导电膜；
[0050](9)在正面与背面的FTO透明导电膜上采用喷墨的方法制备银栅线电极，电极图案由I组等距平行的栅线构成，栅线数量正面为20根，背面为12根，栅线宽度为20um。之后进行热处理。
[0051 ] 实施例2:
[0052](I)将N型单晶硅基体于80 °C左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构；
[0053](2)在硅基体的正面印刷含硼浆料，并烘干；
[0054](3)将正面印刷有硼浆的硅基体置于扩散炉中加热至950 0C持续20分钟，使浆料中的硼原子扩散到硅基体的正面表层，之后降温至800°C，通入含POCl3的载气10分钟，保温30分钟后降温出炉；
[0055](4)采用湿法刻蚀去掉正面的硼硅玻璃与背面的磷硅玻璃；
[0056](5)在硅基体的正、背面分别沉积5nm的氧化铝和5nm的氧化硅；
[0057](6)在硅基体正、背面的钝化膜上分别沉积50nm左右的氮化硅；
[0058](7)在硅基体的正面和背面采用丝网印刷的方法制作点状阵列银电极，点的直径为50um，点与点之间的间距为0.8mm ；
[0059](8)在炉体中进行300?900°C下烧结，正面与背面的点状阵列银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
[0060](9)在正面与背面的点状阵列电极上采用溅射的方法制备10nm的AZO透明导电膜；
[0061](10)在正面与背面的AZO透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银电极，电极图案为一组等距平行的细栅线与一组等距平行的主栅线构成，细栅线与主栅线垂直相交。正面细栅线为30根，背面细栅线为20根，栅线的截面宽度为30um;正面主栅为4根，背面主栅为3根，主栅的截面宽度为1mm。随后在炉体中进行300?900°C热处理。
[0062]实施例3:
[0063](I)采用纳米金属颗粒催化化学刻蚀在N型单晶硅基体的表面上形成倒金字塔结构；
[0064](2)采用低压扩散，在硅基体的正面与背面分别掺杂硼原子与磷原子，杂质源分别为BBr和POCl3;
[0065](3)采用湿法刻蚀去掉正面的硼硅玻璃与背面的磷硅玻璃；
[0066](4)在正面与背面分别沉积SOnm左右的氮氧化硅；
[0067](5)在硅基体的正面和背面采用丝网印刷的方法制作点状阵列银电极，点的直径为10um，点与点之间的间距为I.5mm;
[0068](6)在炉体中进行300?900°C下烧结，正面与背面的点状阵列银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
[0069](7)在正面与背面的点状阵列电极上采用化学气相沉积的方法制备SOnm的石墨烯透明导电膜；
[0070](8)在正面与背面的石墨烯透明导电膜上采用丝网印刷的方法制备银栅线电极。正面电极图案由10组相互平行的等距平行栅线构成，每组栅线为30根，截面宽度为20um，相邻两组平行栅线之间的间距为2mm;背面电极图案由6组相互平行的等距平行栅线构成，每组栅线为20根，截面宽度为20um，相邻两组平行栅线之间的间距为5mm。之后进行热处理。
[0071]实施例4:
[0072](I)将N型多晶硅基体于HF/HN03的溶液体系中进行腐蚀，获得表面织构；
[0073](2)采用旋涂的方法在正面与背面分别涂敷含硼浆料与含磷浆料，并烘干；
[0074](3)在700?100tC下进行热处理，使硼原子与磷原子向硅基体扩散一定深度；
[0075](4)清洗硅基体的正面与背面；
[0076](5)在正面与背面分别沉积25nm的氧化铝和25nm的氧化硅；
[0077](6)在正面与背面的钝化膜上分别沉积75nm左右的氮化硅；
[0078](7)采用丝网印刷的方法在正面和背面分别制作阵列线段状银电极，线段的长度为5011111，宽度为4011111，线段与线段之间的间距为0.5臟；
[0079](8)在炉体中进行300?900°C下烧结，正面与背面的线段状阵列银浆穿透减反射膜和钝化膜，与硅基体形成良好的欧姆接触；
[0080](9)在正面与背面的线段状阵列电极上采用溅射的方法制备400nm的IWO透明导电膜，该透明导电膜与线段状银共同形成双面电池的正面与背面电极。
[0081 ] 实施例5:
[0082](I)将N型多晶硅基体于HF/HN03的溶液体系中进行腐蚀，去掉损伤层，再采用等离子刻蚀的方法在硅基体的表面获得表面织构；
[0083](2)采用低压扩散，在硅基体的正面与背面分别掺杂硼原子与磷原子，杂质源分别为BBr和POCl3;
[0084](3)采用湿法刻蚀去掉正面的硼硅玻璃与背面的磷硅玻璃；
[0085](4)在正面与背面分别沉积25nm氮氧化硅钝化膜；
[0086](5)在正面与背面的钝化膜上分别沉积75nm左右的氮化硅；
[0087](6)采用激光在硅基体的正面与背面按特定图形对减反射膜及钝化膜进行开孔，特定图案采用线段状阵列，线段的长度为1.5mm，宽度为lOOum，线段与线段之间的间距为2_。然后采用喷墨方法在开孔处制备银电极；
[0088](7)在200?500°C下进行退火处理，使阵列分布的线段状银电极与硅基体形成良好的欧姆接触；
[0089](8)在正面与背面的线段状阵列电极上采用溅射的方法制备150nm的ITO透明导电膜；
[0090](9)在正面与背面的ITO透明导电膜上采用喷墨的方法制备栅线状银电极。正面电极图案由I组等距平行的栅线构成，栅线数量为40根，栅线宽度为30um;背面电极图案由I组等距平行的栅线构成，栅线数量为20根，栅线宽度为30um。随后进行热处理。
[0091]以上所述仅为本实用新型的几种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，包括:自上而下依次设置的正面金属电极(10)、正面透明导电膜(1)、正面局部接触金属电极(2)、正面减反射膜/钝化膜(3)、P型层(4)、N型硅基体(5)、局部或全部背场(6)、背面钝化膜(7)、背面局部接触金属电极(8)、背面透明导电膜(9)和背面金属电极(11);正面局部接触金属电极(2)和背面局部接触金属电极(8)均以规则图案方式排布在对应的正面减反射膜/钝化膜(3)和背面钝化膜(7)之上，且正面局部接触金属电极(2)和背面局部接触金属电极(8)均穿透对应的正面减反射膜/钝化膜(3)和背面钝化膜(7)分别与硅片的正面和背面形成局部欧姆接触；正面透明导电膜(I)将正面局部接触金属电极(2)与正面金属电极(10)连接成为正面电极的导电组合体，背面透明导电膜(9)将背面局部接触金属电极(8)与背面金属电极(11)连接成为背面电极的导电组合体。2.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，所述的正面透明导电膜(I)和背面透明导电膜(9)均为ITO薄膜、AZO薄膜、GZO薄膜、FTO薄膜、IWO薄膜和石墨稀薄膜中的一种或多种叠层构成，透明导电膜的厚度为50?500nm。3.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，正面局部接触金属电极(2)和背面局部接触金属电极(8)均采用阵列图案排布，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合;一维几何图形选自:线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自:圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。4.根据权利要求3所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，所述一维几何图形的线宽为30?lOOum，长度为0.05?1.5mm;同一行中相邻两个线形的间距为0.5?2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5?2mm。5.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，正面金属电极(10)与背面金属电极(11)的排布图案为一组平行线段或多组平行线段的组合，线段的宽度为20?2000um，数量为5?100根，线长为2?156mm，相邻线段之间的距离为0.5?50mmo6.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，N型硅基体(5)是N型单晶硅基体或N型多晶硅基体;导电组合体形成于N型硅基体的表面或发射极表面。7.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，正面局部接触金属电极(2)、背面局部接触金属电极(8)、正面金属电极(10)和背面金属电极(11)均为银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极和金属复合电极;N型硅基体(5)正面和背面均为金字塔、倒金字塔、纳米/微米多孔结构。8.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，正面钝化膜为氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜中的一种或多种叠层构成，厚度为5?50nm;正面减反射膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化钛薄膜、碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成，减反射膜整体厚度为50?10nm;背面的钝化膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜的中的一种或多种叠层构成，钝化膜整体厚度为5?50nmo9.根据权利要求1所述的一种具有二维电极结构的N型晶体硅双面电池，其特征在于，阵列分布的正面局部接触金属电极(2)和背面局部接触金属电极(8)下方的局部硅基体为重掺杂区或一般掺杂区，重掺杂区的方阻为5?50 Ω /□，一般掺杂区的方阻为50?150 Ω /□。
【文档编号】H01L31/0224GK205657062SQ201620280894
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年4月6日 公开号201620280894.9, CN 201620280894, CN 205657062 U, CN 205657062U, CN-U-205657062, CN201620280894, CN201620280894.9, CN205657062 U, CN205657062U
【发明人】钟宝申, 李华, 赵科雄
【申请人】乐叶光伏科技有限公司