一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构及其制备方法。

背景技术：

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。

晶体硅太阳能电池要想提升竞争力、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，尤其是要降低占电池生产成本约15％的银电极的成本。目前晶体硅太阳能电池的电极多采用银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，且银电极会造成电池片表面5％～7％的面积形成对光的遮挡，同时导致电阻损耗与复合损耗。

背面接触电池由于将电池的金属电极背绕到电池的背面，很好的解决了金属栅线的光遮挡问题，但是电极中银或其他导电金属的用量并没有减少，反而比常规电池的用量有所增加。此外，P、N区的金属电极接触面积大，增加了少子在该区域复合的概率。为此，有必要针对背面接触电池开发一种新的电极结构，使这种电池的效率获得充分发挥，同时降低电极的物料成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构及其制备方法，采用细金属导线将背面的局部接触金属电极连接起来形成电池的正、负电极。本发明避免了栅线的光遮挡面积，进而提高了电池的转换效率，同时通过减少金属浆料的使用量使生产成本降低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构，自上而下依次包括：正面钝化膜/减反射膜、正面N+掺杂层、N型硅基体、本征非晶硅层、背面掺杂层和电池电极；其中，所述的背面掺杂层由P型非晶或多晶硅层与N型非晶或多晶硅层间隔排列而成；

所述的电池电极包括局部接触金属电极、细金属导线和电极引线，所述局部接触金属电极包括正极局部接触金属电极和负极局部接触金属电极；所述细金属导线包括正极细金属导线和负极细金属导线；所述电极引线包括正电极引线和负电极引线；正极局部接触金属电极分布在P型非晶或多晶硅层之上，并形成欧姆接触；负极局部接触金属电极分布在N型非晶或多晶硅层之上，并形成欧姆接触；正极金属导线通过导电结合材料将正极局部接触金属电极连接为电池正极的局部悬空细栅线电极，并通过正电极引线导出电流；负极金属导线通过导电结合材料将负极局部接触金属电极连接为电池负极的局部悬空细栅线电极，并通过负电极引线导出电流。

作为本发明的进一步改进，所述的细金属导线为铜线、银线、镀银铜线、镀镍铜线、镀锡铜线或合金线，直径为20～100um。

作为本发明的进一步改进，所述的导电结合材料为锡膏、含锡合金、导电胶或导电薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述的正极局部接触金属电极以阵列图案排布在P型非晶或多晶硅层之上；所述的负极局部接触金属电极以阵列图案排布在N型非晶或多晶硅层之上。

作为本发明的进一步改进，阵列图案为一维、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、弧线或栅线状；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；

所述的一维图形的线宽为30～200um，长度为0.05～3mm，电池背面同一个掺杂非晶或多晶硅的区域内相邻两个线形的间距为0.25～2.5mm；所述二维图形的尺寸为30～200um，电池背面同一个掺杂非晶或多晶硅的区域内相邻两个二维图形的间距为0.25～2.5mm。

作为本发明的进一步改进，所述的本征非晶硅层的厚度为5～15nm；背面掺杂层的厚度为8～15nm，P型非晶或多晶硅层与N型非晶或多晶硅层的宽度为0.2～3mm，方阻为20～120Ω/□。

作为本发明的进一步改进，电池的表面采用陷光织构，所述的正面陷光织构为金字塔、倒金字塔、纳米/微米多孔结构；所述N型硅基体的厚度为100～200um；所述的正面N+掺杂层方阻为40～120Ω/□。

作为本发明的进一步改进，所述的正电极引线和负电极引线分别连接所有正极细金属导线、所有负极细金属导线，且正电极引线和负电极引线分别设置在电池的两端。

作为本发明的进一步改进，正面钝化膜为氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氧化钛薄膜、碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成，钝化膜的整体厚度为1～50nm；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50～100nm。

一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)对N型单晶硅片进行表面织构化处理；

(2)在N型单晶硅片的正面进行掺杂处理，形成N+层；

(3)对掺杂后的硅片进行清洗刻蚀；

(4)在硅片的正面依次沉积钝化膜和减反射膜；

(5)在晶体硅片的背面沉积本征非晶硅层或隧穿氧化硅；

(6)在硅片背面的本征非晶硅层上制作P、N型非晶或多晶硅层，P、N型非晶或多晶硅层交替排布；

(7)在硅片背面的P、N型非晶或多晶硅层上制作阵列分布的局部接触金属电极；

(8)进行低温热处理，使局部接触金属电极与掺杂非晶或多晶硅层形成良好的欧姆接触；

(9)在局部接触金属电极上制作导电结合材料；

(10)将细金属导线分别沿P型与N型区的局部接触金属电极的行方向拉拔并紧贴在导电结合材料之上；

(11)进行低温热处理，使细金属导线通过导电结合材料与局部接触金属电极结合在一起，形成电池交替排布的正、负电极。

本发明的有益效果有以下几个方面：第一、采用细金属导线，替代了背面P型与N型区域的电极上的部分银，降低了背面接触晶硅电池的银电极使用量，从而降低了背面接触电池的制造成本；第二、细金属导线具有更高的栅线高宽比，且为局部悬空结构，这可以使金属与硅基体的接触面积减小，复合损耗降低，进而提高了电池的转换效率；第三、本专利所述的电极制作方法简单、可靠，适于工业化生产。本发明避免了栅线的光遮挡面积，进而提高了电池的转换效率，同时通过减少金属浆料的使用量使生产成本降低。

本发明的制备方法，按照电池的结构进行由内向外的方式进行，本部分可以采用多种方式制作，工艺简单，可操作性强。本发明所述的N型晶体硅太阳能电池结构制作方法简单、可靠，适于工业化生产。

附图说明

图1是沿垂直于背面的P、N型掺杂区域长度方向的局部剖面示意图。

图2是沿平行于背面N型区域长度方向的局部剖面示意图。

图3是沿平行于背面P型区域长度方向的局部剖面示意图。

图4是背面接触电池背面的P、N型区域分布局部平面示意图。

图5是背面电极局部平面示意图。

图中，1为正面钝化膜/减反射膜，2为正面N+掺杂层；3为本征非晶硅层；4为背面掺杂层；4-1为P型掺杂非晶或多晶硅层；4-2为N型掺杂非晶或多晶硅层；5为细金属导线；5-1为正极金属导线，5-2负极金属导线，6为导电结合材料；7-1为正极局部接触金属电极；7-2为负极局部接触金属电极；8-1为正电极引线，8-2为负电极引线，9为N型硅基体。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至5所示，本发明一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构，电池的结构自上而下包括：减反射膜/钝化膜1、正面N+掺杂层2、N型硅基体9、本征非晶硅层3、背面P、N交替掺杂非晶或多晶硅层(4)、电池电极。其中，电池的正、负电极交替排列在电池的背面，电极为局部接触金属电极7和细金属导线5形成的局部悬空细栅线电极。局部接触金属电极7以一维图形、二维图形或一维和二维组合图形阵列分布在电池背面的N型非晶或多晶硅层、P型非晶或多晶硅区域，并与掺杂非晶或多晶硅层形成良好的欧姆接触；细金属导线5(铜线、银线、镀银铜线、镀镍铜线、镀锡铜线或合金线)通过导电结合材料6(锡膏、含锡合金、导电胶或导电薄膜)与局部接触金属电极7(银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极或金属复合电极)结合在一起，形成一个可作为电池正、负极的导电组合体。电池背面的正、负电极各设有电极引线8-1和8-2，用于将汇集的电流导出。

所述的导电结合材料6为锡膏、含锡合金、导电胶或导电薄膜，导电结合材料6与局部接触金属电极连接的方法包括丝网印刷协同热处理、喷墨协同热处理、热压焊、超声焊、点焊及粘贴。

本发明提供了一种全背电极接触晶硅太阳能电池结构，其制备方法可按如下步骤进行：

(1)将N型单晶硅片进行表面织构化处理，织构处理可以采用化学药液腐蚀、等离子刻蚀、纳米金属催化、激光刻蚀等方法。

(2)对硅片的正面进行掺杂处理，在硅片的正表层形成均匀的N+层。杂质源可以是POCl₃、PH₃、磷酸、P₂O₅、含磷掺杂剂等，制作的方法有离子注入、低压扩散、常压扩散、杂质浆料涂敷协同热处理、掺杂介质膜协同热处理等，方阻为40～120Ω/□；

(3)对掺杂处理后的硅片进行化学清洗刻蚀。

(4)在硅片的正面先后沉积1～20nm的钝化膜和50～100nm的减反射膜。钝化膜可以是氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氧化钛薄膜、碳化硅薄膜中的一种或多种叠层构成；减反射膜可以是氮化硅薄膜、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。

(5)在硅片的背面沉积5～15nm的本征非晶硅层3。所述的本征非晶硅层3也可以由1～2nm的氧化硅膜代替，电池的其它结构不发生变化。

(6)在本征非晶硅层之上采用掩膜、刻蚀等方法制备交替分布的P型非晶或多晶硅层4-1与N型非晶或多晶硅层4-2。P型非晶或多晶硅层4-1与N型非晶或多晶硅层4-2单个掺杂区域的宽度为0.2～3mm，方阻为20～120Ω/□。

(7)按特定的图形在硅片背面的P型非晶或多晶硅4-1上制作阵列分布的正局部接触金属电极7-1；在硅片背面的N型非晶或多晶硅4-2上制作阵列分布的负局部接触金属电极7-2。局部接触金属电极可以是银电极、铝电极、镍电极、铜电极、合金电极或金属复合电极，制作方法可以采用丝网印刷、钢板印刷、喷墨、3D打印、激光转印、激光或化学腐蚀协同气相沉积、电镀、光诱导镀等方法。正极局部接触金属电极7-1和负极局部接触金属电极7-2的阵列图案为一维、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。所述的一维图形的线宽为30～200um，长度为0.05～3mm，电池背面同一个掺杂的区域内相邻两个线形的间距为0.25～2.5mm；所述二维图形的尺寸为30～200um，电池背面同一个掺杂的区域内相邻两个二维图形的间距为0.25～2.5mm。

(8)在150～300℃下进行低温热处理，使局部接触金属电极7与掺杂非晶或多晶硅层4形成良好的欧姆接触；

(9)在局部接触金属电极7上制作导电结合材料6，导电结合材料6为锡膏、含锡合金、导电胶或导电薄膜等，制作的方法可以采用印刷、喷墨、点焊或粘贴等。

(10)将细金属导线5沿P型非晶或多晶硅与N型非晶或多晶硅区域的局部接触金属电极的行方向拉拔并紧贴在锡膏之上，细金属导线5为铜线、银线、镀银铜线、镀镍铜线、镀锡铜线或合金线，细金属导线5的直径为20～100um。

(11)在100～300℃下使细金属导线5通过导电结合材料6与局部接触金属电极7结合在一起，形成电池的正、负电极。

所述的本征非晶硅层(3)也可以由1～2nm的氧化硅膜代替，电池的其它结构不发生变化。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1：

(1)将N型单晶硅片于80℃左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构。

(2)在硅片的正面，以PClO₃作为杂质，在700～850℃左右进行低压热扩散，形成80Ω/□的均匀N+层。

(3)采用湿法刻蚀的方法去掉正面的磷硅玻璃和背结。

(4)在硅片的正面先沉积20nm的氧化硅，之后再沉积50nm的氮化硅。

(5)在硅片的背面沉积10nm左右的本征非晶硅层。

(6)在硅片背面的本征非晶硅层上采用化学气相沉积协同掩膜、光刻的方法制作10nm左右的P、N型非晶硅层，P、N型非晶硅在背面的本征非晶硅层上交替排列。背面单个P型非晶硅条形区域的宽度为1mm，背面单个N型非晶硅条形区域的宽度为0.3mm，

(7)采用丝网印刷的方法按特定的图形在硅片背面的P型与N型非晶硅区域上制作阵列分布局部接触金属电极，印刷图形采用点状阵列，单个点的直径为60um，电池背面同一个掺杂的条形区域内相邻两个二维图形的间距为250um。

(8)在150℃下进行烘干。

(9)在200～250℃下进行低温烧结，使P型与N型区域阵列分布的局部接触金属电极与非晶硅形成良好的欧姆接触。

(10)采用丝网印刷的方法在P型非晶硅与N型非晶硅区域的局部接触金属电极上制作锡膏。

(11)将细镀银铜线沿P型与N型区域的局部接触金属电极的行方向拉拔并紧贴在锡膏之上，细镀银铜线的直径为40um。P型与N型区域的细镀银铜线的一侧与硅片边缘齐平，另一侧比硅片边缘长出约3mm，分别作为正、负极引线。

(12)在100～250℃下使细镀银铜线通过锡膏与局部接触金属电极结合在一起，形成一个可作为背面接触电池P型与N型区域金属栅线的导电组合体。

实施例2：

(1)将N型单晶硅片于80℃左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构。

(2)以PH₃作为杂质，采用离子注入的方法在硅片的正面形成100Ω/□的均匀N+层。

(3)对离子注入后的硅片进行退火处理。

(4)在硅片的正面先沉积20nm的氧化硅，之后再沉积70nm的氮化硅。

(5)在硅片的背面沉积1.5nm左右的隧穿氧化硅膜。

(6)在硅片背面的隧穿氧化硅膜上采用化学气相沉积协同掩膜、光刻的方法制作12nm交替排布的P、N型非晶硅层。背面单个P型非晶硅条形区域的宽度为1.2mm，背面单个N型非晶硅条形区域的宽度为0.5mm。

(7)采用钢板印刷的方法按特定的图形在硅片背面的P型与N型非晶硅区域上制作阵列分布局部接触金属电极，印刷图形采用线段状阵列。电池背面同一个P型掺杂的条形区域内，阵列线段的宽度为40um、长度为1mm、相邻两个线段的间距为1mm；电池背面同一个N型掺杂的条形区域内，阵列线段的宽度为40um、长度为400um、相邻两个线段的间距为1mm。

(8)在150℃下进行烘干。

(9)在200～250℃下进行低温烧结，使P型与N型区域阵列分布的局部接触金属电极与非晶硅形成良好的欧姆接触。

(10)采用印刷的方法在P型非晶硅与N型非晶硅区域的局部接触金属电极上制作锡膏。

(11)将细镀镍铜线沿P型与N型区域的局部接触金属电极的行方向拉拔并紧贴在锡膏之上，细镀镍铜线的直径为40um，长度为160mm。P型与N型区域的细镀镍铜线的一侧与硅片边缘齐平，另一侧比硅片边缘长出约3mm，分别作为正、负极引线。

(12)在100～250℃下使细镀镍铜线通过锡膏与局部接触金属电极结合在一起，形成一个可作为背面接触电池P型与N型区域金属栅线的导电组合体。

实施例3：

(1)将N型单晶硅片于80℃左右的KOH溶液中异向腐蚀，获得表面金字塔结构。

(2)以PH₃作为杂质，采用离子注入的方法在硅片的正面形成100Ω/□的均匀N+层。

(3)对离子注入后的硅片进行退火处理。

(4)对掺杂后的硅片进行化学清洗。

(5)在硅片的正面沉积80nm的氮化硅。

(6)在硅片的背面沉积13nm左右的本征非晶硅层。

(7)在硅片背面的本征非晶硅层上采用化学气相沉积协同掩膜、光刻的方法制作10nm左右的P、N型非晶硅层，P、N型非晶硅在背面的本征非晶硅层上交替排列。背面单个P型非晶硅条形区域的宽度为3mm，背面单个N型非晶硅条形区域的宽度为2mm。

(8)采用丝网印刷的方法按特定的图形在硅片背面的P型与N型非晶硅区域上制作阵列分布局部接触金属电极，印刷图形采用线段状阵列。电池背面同一个P型掺杂的条形区域内，阵列线段的宽度为60um、长度为2.8mm、相邻两个线段的间距为2mm；电池背面同一个N型掺杂的条形区域内，阵列线段的宽度为60um、长度为1.8mm、相邻两个线段的间距为2mm。

(9)在150℃下进行烘干。

(10)在200～250℃下进行低温烧结，使P型与N型区域阵列分布的局部接触金属电极与掺杂非晶硅形成良好的欧姆接触。

(11)采用丝网印刷的方法在P型非晶硅与N型非晶硅区域的局部接触金属电极上制作锡膏。

(12)将细镀锡铜线沿P型与N型区域的局部接触金属电极的行方向拉拔并紧贴在锡膏之上，细镀锡铜线的直径为60um。P型与N型区域的细镀锡铜线一侧与硅片边缘齐平，另一侧比硅片边缘长出约3mm，分别作为正、负极引线。

(13)在100～250℃下使细镀锡铜线通过锡膏与局部接触金属电极结合在一起，形成一个可作为背面接触电池P型与N型区域金属栅线的导电组合体。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，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发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。