用于生产lfc-perc硅太阳能电池的方法
【专利摘要】一种用于生产具有铝背面电极的LFC-PERC硅太阳能电池的方法，其中使用了铝浆，所述铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力，并且包括粒状铝、玻璃料、有机载体和基于总铝浆组合物计0.01至<0.05重量％的至少一种锑氧化物，并且其中所述至少一种锑氧化物作为一种或多种独立粒状组分和/或作为一种或多种玻璃料组分存在于铝浆中。
【专利说明】用于生产LFC-PERC硅太阳能电池的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用铝浆(铝厚膜组合物)来形成所谓的LFC-PERC (激光焙烧触点PERC ；PERC =钝化发射器和背面触点)硅太阳能电池的铝背面电极的方法。本发明因此涉及一种用于生产相应的LFC-PERC硅太阳能电池的方法。
【背景技术】
[0002]通常，硅太阳能电池兼具正面和背面金属喷镀(正面电极和背面电极)。常规的具有P型基板的硅太阳能电池结构使用负极来接触电池正面或光照面、以及位于背面上的正极。众所周知，在半导体主体的p-n结上入射的适当波长的辐射充当在该主体中产生电子-空穴对的外部能量来源。存在于P-n结处的电势差会导致空穴和电子以相反的方向跨过该结移动，从而产生能够向外部电路传送电力的电流。大部分太阳能电池为金属化的硅圆片形式，即，具有导电的金属触点。
[0003]当前生产的大部分太阳能电池均基于结晶硅。一种流行的用于电极沉积的方法是丝网印刷金属浆料。
[0004]US2011/120535A1公开了不具有或仅具有较差的烧透能力的铝厚膜组合物。这些铝厚膜组合物包含粒状铝、有机载体和至少一种玻璃料，该玻璃料选自(i)无铅玻璃料，其具有在550至611°C范围内的软化点温度，并包含11至33重量％的SiO2、>0至7重量％的Al2O3和2至10重量％的B2O3 ;和(ii)含铅玻璃料，其具有在571至636°C范围内的软化点温度，并包含53至57重量％的Pb0、25至29重量％的Si02、2至6重量％的Al2O3和6至9重量％的B203。这些铝厚膜组合物能够用于形成PERC硅太阳能电池的铝背面电极。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种利用铝浆来形成LFC-PERC硅太阳能电池的铝背面电极的方法。
[0006]本发明涉及一种形成LFC-PERC硅太阳能电池的方法和利用了硅圆片的LFC-PERC硅太阳能电池自身，所述硅圆片具有P型和η型区域、p-n结、正面ARC(抗反射涂层)层和背面非穿孔的介电钝化层。该方法包括在背面非穿孔的介电钝化层上施加(例如印刷，具体地丝网印刷)铝浆；焙烧如此施加的铝浆以形成焙烧的铝层，从而使晶片达到在700至900°C范围内的峰值温度；随后激光焙烧所焙烧的铝层以在介电钝化层中产生穿孔并形成局部BSF触点，其中铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力并包括粒状铝、玻璃料、有机载体和基于总铝浆组合物计0.01至〈0.05重量％的至少一种锑氧化物，其中所述至少一种锑氧化物可作为一种或多种独立粒状组分和/或作为一种或多种玻璃料组分存在于铝浆中。
【具体实施方式】
[0007]已发现与用不包括所述0.01至〈0.05重量％的至少一种锑氧化物的铝浆制成的LFC-PERC硅太阳能电池相比，在本发明的方法中使用所述铝浆允许生产如下LFC-PERC硅太阳能电池，它们在焙烧的铝表面上不具有或只具有基本上减少数目的表面缺陷诸如球、珠和钉。
[0008]在说明书和权利要求书中使用术语“烧透能力”。它是指焙烧过程中金属浆料蚀刻并穿透(烧透)钝化层或ARC层的能力。换句话讲，具有烧透能力的金属浆料为如下金属浆料，其烧透钝化层或ARC层从而与下面硅基板的表面建立电接触。相应地，具有较差的烧透能力或甚至无烧透能力的金属浆料在焙烧时与硅基板无电接触。为了避免误解，在此背景下术语“无电接触”不应理解为绝对的；而是应指焙烧的金属浆料和硅表面之间的接触电阻率超过I Ω 而就电接触而言，焙烧的金属浆料和硅表面之间的接触电阻率在I至IOm Ω.cm2的范围内。
[0009]接触电阻率可通过TLM(传输长度法)测量。为此，可使用以下样本制备和测量程序:在具有要测试的铝浆的钝化层上丝网印刷具有非穿孔的背面钝化层的硅圆片，印刷图案为平行的100 μ m宽且20 μ m厚的线，这些线之间的间距为2.05mm，然后焙烧晶片，使其达到730°C的峰值温度。样本制备优选地使用如下硅圆片，所述硅圆片具有与本发明的方法中所用的相同类型的背面钝化层。将焙烧后的晶片用激光切割成8mmX42mm长的条，其中平行的线不相互接触，并包含至少6条线。然后在20°C下在暗处对这些条进行常规TLM测量。可使用得自GP Solar的装置GP4-Test Pro进行TLM测量。
[0010]PERC硅太阳能电池对技术人员而言是已知的；见例如P.Choulat等人的<<:Abovel7% industrial type PERC Solar Cell on thin Mult1-Crystalline SiliconSubstrate，，, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2007年 9 月 3 日 _7日，Milan，Italy。PERC硅太阳能电池代表常规硅太阳能电池的特殊类型；它们以在它们的正面和它们的背面上具有介电钝化层为特征。正面上的钝化层用作ARC层，如常规的硅太阳能电池那样。背面上的介电钝化层是穿孔的；其用于延长电荷载体寿命并因此改善光转换效率。
[0011]与生产常规的硅太阳能电池相似，生产PERC硅太阳能电池通常以硅圆片形式的P型硅基板开始，在其上通过磷(P)等的热扩散形成逆向导通式η型扩散层(η型发射器)。通常将三氯氧化磷(P0C13)用作气态磷扩散源，其它液体源为磷酸等。在不进行任何特定改性的情况下，在硅基板的整个表面上形成η型扩散层。在P型掺杂剂的浓度等于η型掺杂剂的浓度的部位形成p-n结。具有靠近光照面的p-n结的电池具有介于0.05 μ m和0.5 μ m之间的结深度。
[0012]在形成了该扩散层之后，通过用某种酸诸如氢氟酸进行蚀刻而将多余的表面玻璃从表面的其余部分上除去。
[0013]接着，在正面η型扩散层上形成例如TiOx，SiOx, Ti0x/Si0x, SiNx的介电层，或具体地为SiNx/SiOx的介电堆叠。作为PERC硅太阳能电池的一个特征，也在硅圆片的背面上沉积介电层，得到例如介于0.05 μ m和0.1 μ m之间的厚度。例如，可使用如氢存在下的等离子CVD(化学气相沉积)或溅射等方法进行介电层的沉积。这样的层既用作正面的ARC层和钝化层，也用作PERC硅太阳能电池背面的介电钝化层。然后对PERC硅太阳能电池背面上的钝化层进行穿孔。通常通过酸蚀刻或激光钻孔形成穿孔，如此形成的孔的直径为例如50μπι-300μπι。它们的深度与钝化层的厚度一致，或者甚至可以比其略深。穿孔的数量在例如每平方厘米100个至500个的范围内。
[0014]正如具有P型基板和正面η型发射器的常规太阳能电池结构一样，PERC硅太阳能电池通常在其正面上具有负极，并且在其背面上具有正极。通常通过在电池正面的ARC层上丝网印刷正面银浆(正面电极形成银浆)并进行干燥来施加作为栅极的负极。通常以所谓的H图案对正面栅电极进行丝网印刷，所述H图案包括细的平行指状线(收集器线)和以直角与指状线相交的两条母线。此外，在P型硅基板背面的穿孔钝化层上，通常通过丝网印刷来施加背面银或银/铝浆和铝浆，并依次干燥。一般地，首先将背面银或银/铝浆施加到背面穿孔钝化层上，形成阳极背面触点，例如以两条平行母线的形式或以矩形或条的形式，从而为焊接互连带(预焊接的铜带)做准备。然后将铝浆施加到裸露区域中，其与背面银或银/铝略微重叠。在一些情况下，在施加了铝浆之后施加银或银/铝浆。然后通常在带式炉中进行焙烧，持续I至5分钟的时间，使晶片达到在700至900°C范围内的峰值温度。正面电极和背面电极可依次焙烧或共同焙烧。
[0015]通常在硅圆片背面的穿孔的介电钝化层上丝网印刷并干燥铝浆。在铝熔点以上的温度下焙烧晶片以在铝和硅之间的局部触点形成铝-硅熔体，即在硅圆片背面未被介电钝化层覆盖的那些部分，或换句话讲，在穿孔的位置。如此形成的局部P+触点通常称为局部BSF(背表面场)触点。通过从干燥状态焙烧成铝背面电极进行铝浆的转化，而背面银或银/铝浆则在焙烧时变成银或银/铝背面电极。通常，对铝浆和背面银或银/铝浆共同焙烧，但也可依次焙烧。在焙烧期间，背侧面铝与背侧面银或银/铝之间的边界呈现合金状态，并且实现电连接。铝电极占据背面电极的大部分区域。在背面的各部分上形成银或银/铝背面电极以作为用于通过预焊接的铜带等来互连太阳能电池的阳极。此外，在焙烧过程中，作为正面阴极而印刷的正面银浆会蚀刻并穿透ARC层，从而能够与η型层进行电接触。该类方法通常称为“烧透”。
[0016]一种用于制造PERC硅太阳能电池的背面电极的略微偏离的方法也是已知的。此处，铝电极计入背面电极的整个区域，并且银或银/铝背面电极采用连接所述局部BSF触点的银背面电极图案的形式。这意味着铝浆是全平面地施加并焙烧的以形成局部BSF触点，并且银或银/铝背面电极是采用连接所述局部BSF触点的银或银/铝背面电极图案的形式施加的。“银或银/铝背面电极图案”是指将银或银/铝背面阳极排列为连接所有局部BSF触点的细纹图案。例子包括连接所有局部BSF触点的平行但连接的细纹布置，或连接所有局部BSF触点的细纹的格栅。在此类格栅的情况下，其通常但不必需为方格格栅。要点为所述银背面电极图案为连接所有局部BSF触点并因此还确保后者的电连接的图案。所述银背面电极图案与一个或多个阳极背面触点电接触，所述阳极背面触点为焊接互连带做准备，例如预焊接的铜带。所述一个或多个阳极背面触点可采取例如一种或多种母线、矩形或插片的形式。一个或多个阳极背面触点自身可形成银背面电极图案的一部分，并且可同时地连同所述细纹一起施加。还可能单独地施加阳极背面触点，即在施加连接所有局部BSF触点的细纹之前或之后施加。
[0017]LFC-PERC硅太阳能电池代表PERC硅太阳能电池的特殊实施例。所述局部BSF触点在此处通过激光焙烧制成；因此我们称此类PERC硅太阳能电池为LFC-PERC (激光焙烧触APERC)硅太阳能电池。此处，设有前ARC层和背面钝化层的硅圆片不经受前述酸蚀刻或激光钻孔步骤。相反，将铝浆施加在非穿孔的背面钝化层上并焙烧，而不与背面钝化层下面的硅表面接触。仅在其后进行激光焙烧步骤，在所述步骤期间不仅产生穿孔，而且也产生所述局部BSF触点。该原理公开于例如DE102006046726A1和US2004/097062A1中。[0018]本发明涉及一种用于生产LFC-PERC硅太阳能电池的铝背面电极的方法，相应地还涉及一种用于生产LFC-PERC硅太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤:
[0019](I)提供硅圆片，所述硅圆片在其正面上具有ARC层并且在其背面上具有非穿孔的介电钝化层，
[0020](2)在硅圆片背面上的非穿孔的介电钝化层上施加并干燥铝浆，
[0021](3)焙烧干燥的铝浆，从而使晶片达到700至900°C的峰值温度，以及
[0022](4)激光焙烧在步骤(3)中获得的焙烧的铝层和焙烧的铝层下面的介电钝化层以在钝化层中产生穿孔并形成局部BSF触点，其中铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力并包括粒状铝、玻璃料、有机载体和基于总铝浆组合物计0.01至〈0.05重量％的至少一种锑氧化物，其中所述至少一种锑氧化物可作为一种或多种独立粒状组分和/或作为一种或多种玻璃料组分存在于铝浆中。
[0023]在本发明的方法的步骤(I)中提供硅圆片，所述硅圆片在其正面上具有ARC层并且在其背面上具有非穿孔的介电钝化层。硅圆片为如常规用于生产硅太阳能电池的单晶或多晶硅圆片；它具有P-型区域、η-型区域和P-n结。硅圆片在其正面上具有ARC层并且在其背面上具有非穿孔的介电钝化层，这两种层为例如TiOx、SiOx, TiOx/SiOx, SiNx，或具体地SiNx/SiOx介电堆叠。此类硅圆片是技术人员所熟知的；为简明起见，明确地参照以上公开内容。硅圆片可已经设有常规的正面金属化物，即设有如上所述的正面银浆。正面金属化物的施加可在完成铝背面电极之前或之后进行。
[0024]在本发明的方法的步骤(2)中将铝浆施加在硅圆片背面上的非穿孔的介电钝化层上。
[0025]铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力并包括粒状铝、玻璃料、有机载体和基于总铝浆组合物计0.01至〈0.05重量％的至少一种锑氧化物，其中所述至少一种锑氧化物可作为一种或多种独立粒状组分和/或作为一种或多种玻璃料组分存在于铝浆中。
[0026]粒状铝可为铝或铝合金，所述铝合金具有一种或多种其它金属，例如锌、锡、银和镁。就铝合金而言，铝含量为例如99.7重量％至小于100重量％。粒状铝可包括各种形状的铝颗粒，例如，铝薄片、球形铝粉、结节形(不规则形)铝粉或它们的任何组合。在一个实施例中，粒状铝为铝粉。铝粉表现出例如4-12 μ m的平均粒度。粒状铝可按如下比例存在于铝浆中:基于总铝浆组合物计50至80重量％，或在一个实施例中70至75重量％。
[0027]本文使用了术语“平均粒度”。其应指借助激光散射测定的平均粒度(平均粒径，d50)。激光散射测量可使用粒度分析仪，例如MiCrotraCS3500机来进行。
[0028]本文关于平均粒度所作的所有陈述均涉及如存在于铝浆组合物中的相关材料的平均粒度。
[0029]存在于铝浆中的粒状铝可伴随有一种或多种其它粒状金属，例如银或银合金粉。基于粒状铝加上一种或多种其它粒状金属的总量计，此类一种或多种其它粒状金属的比例为例如0-10重量％。
[0030]铝浆包括有机载体。可将很多种惰性的粘稠材料用作有机载体。有机载体可为粒状成分(粒状铝、任选存在的其它粒状金属、玻璃料、进一步任选存在的无机粒状成分)能够以足够的稳定度分散于其中的载体。有机载体的特性(具体地讲流变特性)可使得它们向铝浆组合物提供良好的应用特性，包括:不溶性固体的稳定分散、便于应用(具体地讲便于丝网印刷)的适当粘度和触变性、硅圆片的背面钝化层和浆料固体的适当的可润湿性、良好的干燥速率、和良好的焙烧特性。用于铝浆中的有机载体可为非水惰性液体。有机载体可为有机溶剂或有机溶剂混合物；在一个实施例中，有机载体可为一种或多种有机聚合物溶于一种或多种有机溶剂中所形成的溶液。在一个实施例中，用于该目的的聚合物可为乙基纤维素。可单独使用或以组合方式使用的聚合物的其他例子包括乙基羟乙基纤维素、木松香、酚醛树脂和低级醇的聚(甲基)丙烯酸酯。合适的有机溶剂的例子包括酯醇和萜烯例如α-或β_萜品醇或它们与其它溶剂例如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、二甘醇丁基醚、二甘醇丁醚乙酸酯、己二醇和高沸点醇的混合物。此外，在有机载体中还可包含挥发性有机溶剂以用于促进在将铝浆施加到背面钝化层上后的快速硬化。可配制这些溶剂和其他溶剂的各种组合以达到所期望的粘度和挥发性要求。
[0031]铝浆中的有机载体含量可取决于施加浆料的方法和所用的有机载体的种类，并且其可以变化。在一个实施例中，其基于总铝浆组合物计可为20-45重量％，或者在一个实施例中，其可在22-35重量％的范围内。该数目20-45重量％包括一种或多种有机溶剂、一种或多种可能的有机聚合物和一种或多种可能的有机添加剂。
[0032]铝浆中的有机溶剂含量基于总铝浆组合物计可在5-25重量％，或者在一个实施例中10-20重量％的范围内。
[0033]有机聚合物可按如下比例存在于有机载体中:所述比例基于总铝浆组合物计在O至20重量％ ,或在一个实施例中5至10重量％的范围内。
[0034]铝浆包括作为无机基料的玻璃料(一种玻璃料或多于一种玻璃料的组合)。铝浆中玻璃料的总含量为例如0.25至8重量％，或在一个实施例中0.8至3.5重量％。
[0035]玻璃料的平均粒度可在例如0.5至4μπι范围内。
[0036]玻璃料具有在例如350至600°C范围内的软化点温度。
[0037]本文使用了术语“软化点温度”。其是指在ΙΟΚ/min的加热速率下通过差热分析(DTA)测得的玻璃化转变温度。
[0038]选择玻璃料和其在铝浆内的比例使得铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力。
[0039]能够用于铝浆中的玻璃料的一个例子为含铅玻璃料，其具有在571至636°C范围内的软化点温度，并包含53至57重量％的Pb0、25至29重量％的Si02、2至6重量％的Al2O3和6至9重量％的B2O30 Pb。、Si02、Al2O3和B2O3的重量百分比的总和可或可不为100重量％。在总计不为100重量％的情况下，其余的重量％具体地可由一种或多种其它氧化物构成，例如碱金属氧化物如Na20、碱土金属金属氧化物如MgO以及金属氧化物如TiO2和ZnO。
[0040]能够用于铝浆中的无铅玻璃料的一个例子为如下玻璃料，其具有在550至611°C范围内的软化点温度，并包含11至33重量％的SiO2、>0至7重量％，具体地5至6重量％的Al2O3和2至10重量％的B2O30 SiO2^Al2O3和B2O3的重量百分比总共不到100重量％，剩下的重量百分比具体地由一种或多种其它氧化物构成，例如碱金属氧化物如Na20、碱土金属金属氧化物如MgO以及金属氧化物如Bi203、TiO2和ZnO。无铅玻璃料可包含40至73重量％，具体地48至73重量％的Bi2O30 Bi2O3' Si02、Al2O3和B2O3的重量百分比总和可为或可不为100重量％。在总计不为100重量％的情况下，其余的重量％具体地可由一种或多种其它氧化物构成，例如碱金属氧化物如Na20、碱土金属金属氧化物如MgO以及金属氧化物如 TiO2 和 ZnO0
[0041]能够用于铝浆中的无铅玻璃料的另一个例子为如下玻璃料，其包含0.5至15重fi% SiO2,0.3 至 10 重量％ Al2O3 和 67 至 75 重量％ Bi2O30 SiO2^Al2O3 和 Bi2O3 的重量百分比的总和可或可不为100重量％。在总计不为100重量％的情况下，其余的重量％具体地可由一种或多种其它组分构成，例如B203、ZnO、BaO, Zr02、P205、SnO2和/或BiF3。在一个实施例中，无铅玻璃料包括0.5至15重量％ Si02、0.3至10重量％ Al203、67至75重量％ Bi2O3和以下至少之一:>0至12重量％ B203、>0至16重量％ ZnO,>0至6重量％ BaO0能够用于招衆中的无铅玻璃料的具体组合物示出于表1中。该表示出了基于玻璃料的总重量计的玻璃料A-N中所述各种成分的重量％。
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种用于生产LFC-PERC硅太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤: (1)提供硅圆片，所述硅圆片在其正面上具有ARC层并且在其背面上具有非穿孔的介电钝化层， (2)在所述硅圆片的背面上的非穿孔的介电钝化层上施加并干燥铝浆， (3)焙烧所述干燥的铝浆，从而使所述晶片达到700至900°C的峰值温度，以及 (4)激光焙烧在步骤(3)中获得的所述焙烧的铝层和所述焙烧的铝层下面的介电钝化层以在所述钝化层中产生穿孔并形成局部BSF触点，其中所述铝浆不具有或仅具有较差的烧透能力并且包括粒状铝、玻璃料、有机载体和基于总铝浆组合物计0.01至〈0.05重量％的至少一种锑氧化物，其中所述至少一种锑氧化物作为一种或多种独立粒状组分和/或作为一种或多种玻璃料组分存在于所述铝浆中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于总铝浆组合物计，所述粒状铝以50至80重量％的比例存在。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于总铝浆组合物计，所述有机载体的含量为20至45重量％。
4.根据权利要求1，2或3所述的方法，其中所述铝浆中的玻璃料的总含量为0.25至8重量％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述玻璃料选自:含铅玻璃料，其具有在571至636°C范围内的软化点温度，并包含53至57重量％的PbO、25至29重量％的SiO2,2至6重量％的Al2O3和6至9重量％的B2O3 ;无铅玻璃料，其具有在550至611°C范围内的软化点温度，并包含11至33重量％的3102、>0至7重量％的Al2O3和2至10重量％的B2O3，无铅玻璃料包含0.5至15重量％ Si02、0.3至10重量％ Al2O3和67至75重量％Bi2O3 ;以及所述玻璃料的任何组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种锑氧化物为Sb203。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铝浆通过印刷施加。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中焙烧被执行为连同已被施加到所述LFC-PERC太阳能电池硅圆片的其它金属浆料共焙烧。
9.一种LFC-PERC硅太阳能电池，所述LFC-PERC硅太阳能电池通过根据前述权利要求中任一项所述的方法制备。
【文档编号】H01L31/0224GK103918089SQ201280054039
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2011年9月7日
【发明者】G·M·富吉, 村上守, A·G·普林斯, P·J·威尔莫特 申请人:E.I.内穆尔杜邦公司