专利名称：一种太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能技术领域，尤其涉及一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
采用P型硅片生产太阳能电池是当今发展的主流。早在20世纪60年代就制备出P型电池片，经过改进生产设计工艺，如金字塔结构，浅结扩散及印制铝背场等旨在减少光损失和增加光生载流子收集效率的措施，从而提高电池片的光电转化效率。单结太阳能电池的理论转换效率为49%，扣除不可避免的复合机制造成的损失及俄歇效应最终所能达到的极限效率约为29%，但受硅片中硼氧复合体的影响目前主流工业 化生产的P型硅太阳电池的实际光电转化效率仍较低，要想在不增加成本的情况下进一步提高已非常困难。于是人们开始把目光投向少数载流子寿命比P型硅高得多的N型硅，并取得了很大的进展。目前N型硅太阳能电池结构比较有代表性主要有Schott Solar公司的N+NP型太阳电池。N型硅太阳电池的平均效率比P型硅的效率要高，但其工艺目前还不成熟；且该N+NP背结电池的光电转化效率仍较低。该N+NP型太阳电池的制备方法复杂，制备成本高。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的N+NP背结电池的光电转化效率低、制备成本高的技术问题。本发明提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括金属铝层、SiO2钝化层、N型单晶硅衬底、本征非晶硅层、N+型非晶硅层、透明导电层和银电极；所述N型单晶硅衬底与N+型非晶硅层形成同型异质结，金属铝层与N型单晶硅衬底通过点接触形成P-N结
本发明还提供了所述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤
A、在N型单晶硅衬底的背面沉积SiO2钝化层；
B、在SiO2钝化层上印刷金属铝层，然后通过激光辐射使金属铝层与N型单晶硅衬底点接触形成P-N结；
C、在N型单晶硅衬底的正面通过等离子增强化学气相沉积法依次形成本征非晶硅层和N+型非晶硅层；
D、在N+型非晶硅层表面通过溅射法形成透明导电层，然后在透明导电层表面印刷银电极。本发明提供的太阳能电池，一方面通过在N型单晶硅衬底正面采用带隙更宽的本征非晶硅，增强了短波效应，提高入射光线的能量利用率，从而提高光电转化效率；另一方面通过在N型单晶硅衬底背面形成SiO2钝化层，降低单晶硅衬底与金属铝层的接触面积，从而降低载流子的复合速率，提高光电转化效率。本发明提供的太阳能电池的制备方法，N+型非晶硅层通过PECVD (等离子增强化学气相沉积)工艺形成，电池背面P-N结通过激光烧结形成，工艺时间大大缩短，正在降低工艺时间的同时降低能耗，制备成本得到大大降低。
图I是本发明提供的太阳能电池的结构示意图。
具体实施例方式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。具体地，本发明提供了一种太阳能电池，如图I所示，所述太阳能电池从下至上依次包括金属铝层8、SiO2钝化层7、N型单晶硅衬底5、本征非晶硅层4、N+型非晶硅层3、透明导电层2和银电极I ;所述N型单晶硅衬底5与N+型非晶硅层3形成同型异质结，金属铝层8与N型单晶硅衬底5之间通过点接触形成有P-N结6。本发明提供的太阳能电池，一方面通过在N型单晶硅衬底正面采用带隙更宽的本征非晶硅，增强了短波效应，提高入射光线的利用率，从而提高光电转化效率；另一方面通过在N型单晶硅衬底背面形成SiO2钝化层，降低单晶硅衬底与金属铝层的接触面积，从而降低载流子的复合速率，提高光电转化效率。本发明中，金属铝层8其厚度为10-20 μ m。SiO2钝化层7位于金属铝层8与N型单晶硅衬底5之间，能有效降低单晶硅衬底5与金属铝层8的接触面积，从而降低载流子的复合速率。所述SiO2钝化层的厚度为100-200nm。N型单晶硅衬底(N-C-Si)为本领域技术人员所公知的各种硅片，本发明中没有特殊性限定。优选情况下，所述N型单晶硅衬底的厚度为200±20μπι。更优选情况下，N型单晶硅衬底电阻率为1-100 Ω · cm，少子的寿命为100 μ s_lms。本征非晶硅层(i-a_Si:H) 4作为N型单晶硅衬底5与N+型非晶硅层3之间的缓冲层，能有效减小异质结界面态密度。所述本征非晶硅层(i_a-Si:H)的光学带隙为
I.70-1. 74eV，能增强短波效应，提高入射光线的利用率，从而提高光电转化效率。本发明中，所述本征非晶娃层的厚度为5-20nm。N+型非晶硅层(N+-a-Si:H)为本领域技术人员所公知，本发明中不再赘述。具体地，所述N+型非晶硅层的厚度为5-20nm。所述透明导电层2位于N+型非晶娃层3表面,其厚度为50_120nm。透明导电层可采用现有技术中常用的各种透明导电薄膜，例如可以采用氧化铟锡薄膜层(SnO2: In，缩写为ΙΤ0)或掺铝的氧化锌薄膜层(Ζη0:Α1，缩写为ΑΖ0)。所述银电极I位于透明导电层2表面，且与透明导电层电连接，用于收集太阳能电池内部电流。所述银电极的厚度为5-10 μ m，线宽为100-15(^111，线间距为2-3111111。本发明中，铝金属层在激光加热下与N型单晶硅衬底发生反应，形成Si-Al合金，构造所述P-N结。所述P-N结的个数根据实际需要进行选择。优选情况下，P-N结的个数为100-200个，但不局限于此。作为本领域技术人员的公知常识，所述太阳能电池的金属铝层的表面也印刷有银电极(附图中未示出)。虽然金属铝层能导电，但铝与焊带焊接过程中会出现虚点，焊接效果比较差，易导致断路现象产生，因此直接采用金属铝层而不印刷银电极后续封装时无法满足焊接要求。本发明还提供了所述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤
A、在N型单晶硅衬底的背面沉积SiO2钝化层；
B、在SiO2钝化层上印刷金属铝层，然后通过激光烧结使金属铝层与N型单晶硅衬底点接触形成P-N结；
C、在N型单晶硅衬底的正面通过等离子增强化学气相沉积法(PECVD)依次形成本征非晶硅层和N+型非晶硅层；
D、在N+型非晶硅层表面通过溅射法形成透明导电层，然后在透明导电层表面印刷银电极。 优选情况下，对N型单晶硅衬底背面进行沉积SiO2钝化层之前，还需对其进行RCA·清洗。所述RCA清洗的目的是为了去除所述N型单晶硅衬底表面的氧化层、油污和各种杂质，其具体步骤为本领域技术人员所公知，本发明中不再赘述。更优选情况下，还包括在RCA清洗之前对N型单晶硅衬底的正面进行蚀刻的步骤，所述蚀刻液为碱性溶液，例如NaOH或Κ0Η。蚀刻完成后，N型单晶硅衬底的表面形成比较有规则的金字塔型结构，增加了表面的陷光效应，降低了入射光的反射，从而有效提高入射光的利用率。根据本发明的方法，在清洗干燥完成的N型单晶硅衬底的背面沉积SiO2钝化层。所述沉积SiO2钝化层为湿氧法，其具体步骤包括将N形单晶硅衬底置于石英管中，通入水蒸气和氧气，加热至900°C在N形单晶硅衬底表面形成SiO2薄膜。根据本发明的方法，形成所述SiO2钝化层后，然后在其表面印刷金属铝层。所述印刷金属铝所采用的印刷方法为本领域技术人员所公知，例如可以采用丝网印刷，本发明中没有特殊限定。所述金属铝层位于SiO2钝化层表面，然后采用激光烧结(LFC)金属铝层表面，使激光烧结区域的金属铝熔融并渗透穿过SiO2钝化层与N型单晶硅衬底接触，即形成所述P-N结。本发明中，激光烧结的条件包括激光波长为380-1200nm，加热温度为800-1400°C，光斑大小为100-200 μ m，烧结时间为l-5s。根据前述步骤形成P-N结后，即完成硅片的背结制作，然后对N型单晶硅衬底的正面进行处理。具体地，先通过化学气相沉积法在N型单晶硅衬底的正面沉积本征非晶硅层，然后沉积N+型非晶硅层。其中，沉积本征非晶硅层的步骤包括将N型单晶硅衬底置于等离子体增强化学气相沉积室中，在N型单晶硅衬底温度为170-200°C下，以硅烷和氢气作为反应气体在N型单晶硅衬底上沉积厚度为5-20nm的本征非晶硅层。形成本征非晶娃层后，无需取出产品，再通入含有娃烧、磷化氢和氢气的反应气体，在本征非晶硅层上沉积厚度为5-20nm的N+型非晶硅层。目前，现有技术中例如N+NP型电池中，N+型单晶硅层通过在高温扩散炉中采用扩散法制备，工艺耗时长达40-45min ;同时扩散过程中高温工艺对娃片表面损伤较大。而本发明中，本征非晶硅层和N+型非晶硅层均通过PECVD工艺在低温下形成，降低了对硅片表面的损伤，工艺时间得到大大缩短。本发明中，沉积本征非晶硅层时，硅烷的流量为2 scc，氢气的气体流量为20-40scco沉积N+型非晶娃层时,娃烧的气体流量为2 see,磷化氢的气体流量为10_15scc,氢气的气体流量为40-100 see.,更优选情况下，所述磷化氢采用lvol%PH3。根据本发明的方法，最后在N+型非晶硅层表面采用溅射法形成透明导电层，并在透明导电层表面印刷银电极。所述溅射法可采用磁控溅射完成，包括将正面形成有本征非晶硅层和N+型非晶硅层的N型单晶硅衬底置于真空溅射室中，以ITO或AZO为靶材，在N+型非晶硅层表面溅射厚度为50-120nm、透过率彡85%、电阻率数量级为10_4Ω -cm的透明导电层。所述银电极的印刷方法可采用现有技术中常用的各种方法，例如可以采用丝网印刷、电阻热蒸发或电子束蒸发，本发明没有特殊限定。本发明提供的太阳能电池的制备方法，工艺简单易于实施，且工艺耗时较短。实施例I· (1)采用厚度为220μ m，电阻率为10 Ω · cm，少子寿命为Ims的N型单晶硅片作为衬底，采用NaOH溶液对衬底的正面进行异性蚀刻，使其表面凹凸化，然后进行RCA清洗，清洗之后甩干。
(2)衬底背面钝化将N形单晶硅衬底置于石英管中，通入水蒸气和氧气，加热至900°C在所述N形单晶硅衬底表面形成厚度为120nm的SiO2薄膜。
(3)LFC :采用丝网印刷工艺在N型衬底背面的SiO2薄膜上印刷金属Al层，形成厚度为15 μ m的金属铝层；然后激光烧结金属铝层，使金属铝层与N型衬底硅片点接触，形成100个P-N结；激光烧结的条件包括激光波长为500nm，加热温度为1000°C，光斑大小为150 μ m，烧结时间为Is。
(4)PECVD :将步骤(3)的硅片放入PECVD室内，加热到170° C，导入氢气，进行等离子放电，清洗硅片表面；然后导入SiH4和4的混合气体(其中SiH4流量为2scc，H2流量为30scc)，硅片温度保持在170°C下在硅片的正面沉积厚度为IOnm的本征非晶硅层(i-a-Si : H);然后导入含有SiH4、lvol%PH3和H2的混合气体(其中，SiH4流量为2scc，lvol%PH3流量为12scc，H2流量为60scc)，硅片温度保持在170° C下在本征非晶硅层沉积厚度为IOnm的N+型非晶硅层(N+-a_Si :H)。
(5)电极制备将步骤(4)的硅片置于真空溅射室中，以氧化铟锡为靶材，在N+型非晶硅层表面磁控溅射厚度为lOOnm、透过率彡85%、电阻率数量级为2Χ10_4Ω · cm的ITO层，然后丝网印刷厚度为8 μ m,线宽为100 μ m，线间距为2mm的银电极，得到本实施例的太阳能电池SI，具有图I所示结构。实施例2
采用与实施例I相同的步骤制备本实施例的太阳能电池S2，不同之处在于
步骤(2)中，将N形单晶硅衬底置于石英管中，通入水蒸气和氧气，加热至900°C在所述N形单晶硅衬底表面形成厚度为150nm的SiO2薄膜。实施例3
采用与实施例I相同的步骤制备本实施例的太阳能电池S3，不同之处在于
步骤(3)中，金属铝层的厚度为20 μ m，P-N的个数为150个。实施例4
采用与实施例I相同的步骤制备本实施例的太阳能电池S4，不同之处在于步骤(4)中，沉积本征非晶硅时，硅片温度为200°C，本征非晶硅层的厚度为20nm ;沉积N+型非晶硅时，硅片温度为200°C，N+型非晶硅层的厚度为20nm。实施例5
采用与实施例I相同的步骤制备本实施例的太阳能电池S5，不同之处在于
步骤(4)中，透明导电层为AZO层，厚度为120nm;银电极的厚度为10μ m，线宽为150 μ m,线间距为3mm。对比例I
将进行清洗制绒后的的N型单晶硅片载入扩散炉中通过扩散法制备N+顶电场，温度为8500C，扩散后方阻为40 Ω / 口。将扩散后的片子载入PECVD中，然后通入硅烷和氨气，450°C
下在电池片的正面镀一层厚度为IOOnm的SiNx减反膜，然后在电池片的背面丝网印刷Al金属层，正面和背面均印刷Ag电极，850°C下烧结，得到本实施例的N+NP太阳能电池样品DS1。性能测试
将太阳能电池样品S1-S5和DSl采用Endeas公司的QC120CA的I-V测试仪进行测试。测试结果如表I所示。
表I
权利要求
1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池从下至上依次包括金属铝层、SiO2钝化层、N型单晶硅衬底、本征非晶硅层、N+型非晶硅层、透明导电层和银电极；所述的N型单晶硅衬底与N+型非晶硅层形成同型异质结，所述金属铝层与N型单晶硅衬底通过点接触形成P-N结。
2.根据权利要求I所述的太阳能电池，其特征在于，金属铝层的厚度为10-20ym，Si02钝化层的厚度为100-200nm，N型单晶硅衬底的厚度为200 ±20 μ m，本征非晶硅层的厚度为5-20nm, N+型非晶硅层的厚度为5_20nm，透明导电层的厚度为50_120nm。
3.根据权利要求I或2所述的太阳能电池，其特征在于，N型单晶硅衬底电阻率为1-100 Ω · cm,少子的寿命为100 μ s-lms ;银电极的厚度为5-10 μ m,线宽为100-150 μ m，线间距为2_3謹。
4.根据权利要求I或2所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层为氧化铟锡薄膜层或掺铝的氧化锌薄膜层。
5.根据权利要求I或2所述的太阳能电池，其特征在于，P-N结的个数为100-200个。
6.权利要求I所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 A、在N型单晶硅衬底的背面沉积SiO2钝化层； B、在SiO2钝化层上印刷金属铝层，然后通过激光烧结使金属铝层与N型单晶硅衬底点接触形成P-N结； C、在N型单晶硅衬底的正面通过等离子增强化学气相沉积法依次形成本征非晶硅层和N+型非晶硅层； D、在K型非晶硅层表面通过溉射法形成透明导电层，然后在透明导电层表面印刷银电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在对N型单晶硅衬底背面沉积SiO2钝化层之前还包括对N型单晶硅衬底进行RCA清洗的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤A中，沉积SiO2钝化层的步骤为将N形单晶硅衬底置于石英管中，通入水蒸气和氧气，加热至900°C在所述N形单晶硅衬底表面形成SiO2薄膜。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤B中，激光烧结的条件包括激光波长为380-1200nm，加热温度为800-1400°C，光斑大小为100-200 μ m，烧结时间为l_5s。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤C中，形成本征非晶硅层的步骤包括将经过步骤B的N型单晶硅衬底置于等离子体增强化学气相沉积室中，在N型单晶硅衬底温度为170-200°C下，以硅烷和氢气作为反应气体在N型单晶硅衬底上沉积厚度为5-20nm的本征非晶硅层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤C中，形成N+型非晶硅层的步骤包括将表面形成有本征非晶硅层的N型单晶硅衬底置于等离子体增强化学气相沉积室中，在N型单晶硅衬底温度为170-200°C下，以硅烷、磷化氢和氢气作为反应气体在本征非晶硅层上沉积厚度为5-20nm的N+型非晶硅层。
12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤D中，溅射法形成透明导电层的步骤包括将经过步骤C的N型单晶硅衬底置于真空溅射腔中，在N+型非晶硅层表面溅射厚度为50-120nm、透过率> 85%、电阻率数量级为10_4Ω · cm的氧化铟锡薄膜层或掺铝的氧化锌薄膜层。
全文摘要
本发明提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括金属铝层、SiO2钝化层、N型单晶硅衬底、本征非晶硅层、N+型非晶硅层、透明导电层和银电极；所述N型单晶硅衬底与N+型非晶硅层形成同型异质结，金属铝层与N型单晶硅衬底通过点接触形成P-N结。本发明还提供了所述太阳能电池的制备方法。本发明的太阳能电池，其光电转化效率高达16.87%以上，制备工艺时间较短。
文档编号H01L31/18GK102956723SQ20111023980
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月21日 优先权日2011年8月21日
发明者陈启燊, 张淑静, 周勇 申请人:比亚迪股份有限公司