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，尤其涉及一种通过在晶体硅片的背面局部开口处沉积掺杂介质形成掺杂背场而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cn104882498a、cn106057920a和cn105470349a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的结构如图1～3所示。

从图3中可以看出，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1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-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。

cn103996746a和cn104638033a均公开了一种perl太阳能电池及其制备方法，perl结构如图4～6所示，可以看出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。

所述perl太阳能电池的制备工艺流程是：制绒、扩散、背抛光、背部掩膜、局部开口、硼扩散、去掩膜、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。但是perl太阳能电池的制备工艺繁琐，成本高，不利于工业化生产。

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，本发明提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法及其制备得到的晶体硅太阳能电池。本发明通过将至少两种第三主族元素以掺杂介质的形式与硅进行掺杂，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。

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，所述制备方法为：

(1)将晶体硅片依次进行预处理、背面沉积钝化层和背面局部开口；

(2)在经步骤(1)处理后的晶体硅片的背面局部开口处沉积掺杂介质，所述掺杂介质中包括铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素；

(3)将步骤(2)中沉积掺杂介质后的晶体硅片依次经背面沉积第一电极浆料、正面沉积第二电极浆料和烧结处理，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池。

其中，步骤(2)所述在“背面局部开口处沉积掺杂介质”是指将待沉积的掺杂介质对准局部开口位置，进行沉积；其中，所述掺杂介质为高掺杂介质，所谓“高掺杂”是指在晶体硅中形成的局部背场中的掺杂浓度为6×10²⁰cm^-3～6×10²¹cm^-3。

步骤(2)所述“在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素”，例如硼、镓、铟或铊中任意一种或至少两种元素的组合，所述组合典型但非限制性实例有：硼和镓元素的组合、镓和铟元素的组合，铟和铊元素的组合，硼、镓和铟元素的组合，镓、铟和铊元素的组合等。

本发明所述方法中将至少包括铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素的掺杂介质与硅进行掺杂，相对于现有技术中通过硼离子注入和硅铝合金相结合的方法进行背面场的硼铝共掺的方法，克服了现有技术中存在的设备投资高，工艺复杂，掺杂浓度最高只到5×10²⁰cm^-3问题，具有工艺便捷、设备投资低，掺杂浓度达到6×10²⁰cm^-3～6×10²¹cm^-3的优点。

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，步骤(1)中所述预处理依次包括制绒、扩散、背抛光、去杂质玻璃处理和正面沉积减反射层。

本发明步骤(1)中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，以形成pn结；背抛光处理可采用无机碱液进行，对晶体硅片背面进行抛光；去除杂质玻璃可采用湿法刻蚀去除表面磷硅玻璃。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，步骤(1)中所述晶体硅片为p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。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)中所述钝化层为氧化铝、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。

优选地，步骤(1)中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。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述背面局部开口为在背面沉积的钝化层上进行局部开口。

优选地，步骤(1)所述背面局部开口采用激光开槽、化学湿法刻蚀或光刻中任意一种或至少两种的组合。

优选地，步骤(1)所述背部局部开口后还包括背面沉积银浆料处理。

优选地，述背面沉积银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。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中所述掺杂介质中铝元素与在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素的摩尔比为(0.1～30):100，例如0.1:100、3:100、5:100、7:100、10:100、15:100、20:100、25:100或30:100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。

优选地，步骤(2)中所述掺杂介质中包括硅元素、铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素。

优选地，所述硅元素、铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素元素的摩尔比为(0.1～30):(0.1～30):100，例如0.1:(0.1～30):100、1:(0.1～30):100、3:(0.1～30):100、5:(0.1～30):100、7:(0.1～30):100、10:(0.1～30):100、15:(0.1～30):100、20:(0.1～30):100、25:(0.1～30):100或30:(0.1～30):100等，又如(0.1～30):0.1:100、(0.1～30):1:100、(0.1～30):3:100、(0.1～30):5:100、(0.1～30):7:100、(0.1～30):10:100、(0.1～30):15:100、(0.1～30):20:100、(0.1～30):25:100或(0.1～30):30:100等，还可如0.1:0.1:100、3:5:100、5:7:100、10:9:100、15:13:100、20:20:100、25:23:100或30:30:100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。

优选地，步骤(2)中所述掺杂介质中包括硅、铝和硼三种元素。

优选地，步骤(2)中所述掺杂介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为(1～15):(1～10):100，例如1:(1～10):100、2:(1～10):100、3:(1～10):100、4:(1～10):100、5:(1～10):100、6:(1～10):100、7:(1～10):100、8:(1～10):100、9:(1～10):100、10:(1～10):100、11:(1～10):100、12:(1～10):100、13:(1～10):100、14:(1～10):100或15:(1～10):100等，又如(1～15):1:100、(1～15):2:100、(1～15):3:100、(1～15):4:100、(1～15):5:100、(1～15):6:100、(1～15):7:100、(1～15):8:100、(1～15):9:100或(1～15):10:100等，还可为1:1:100、2:3:100、3:5:100、4:5:100、4:8:100、5:6:100、6:5:100、7:6:100、8:7:100、11:9:100、12:10:100、13:10:100、14:9:100或15:10:100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(10～15):(6～10):100，进一步优选为12:10:100。

本发明中，所述掺杂介质中各元素的原子配比是影响局部背场中的掺杂浓度的关键因素之一。例如，若硼、硅和铝元素的摩尔比超出了所述范围，当硼含量过高或者硅含量过低时，硼不会以替位方式掺杂，从而在局部形成硼团簇，成为高复合中心，降低电池开路电压；当硼含量过低或硅含量过高时，掺杂浓度将低于6×10²⁰cm^-3，从而开路电压也会降低。

优选地，所述硼元素来自于单质硼和/或硼化合物。

优选地，所述硼化合物为硼化硅和/或三氧化二硼。

优选地，硅元素来自于纳米单质硅粉。

优选地，铝元素来自于铝粉颗粒。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述掺杂介质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，步骤(2)所沉积的掺杂介质将背面局部开口填满。

优选地，步骤(2)所沉积的掺杂介质将背面局部开口填满并与钝化层齐平。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述背面沉积第一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，步骤(3)中所述第一电极浆料为晶体硅太阳能电池中所用铝浆料。

优选地，步骤(3)中所述正面沉积第二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，步骤(3)中所述第二电极浆料为晶体硅太阳能电池中所用银浆料。

第二方面，本发明提供了上述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第一金属电极层，所述钝化层上具有多个开口，所述开口内部填充第一金属电极，所述晶体硅片层中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成局部硅铝合金和局部背场，所述局部背场是以铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素共同形成。

其中，本发明所述“多个”意为“至少2个”。

作为本发明优选的技术方案，所述钝化层为氧化铝、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。

优选地，所述第一金属电极层为铝电极层。

优选地，所述局部背场的掺杂浓度为6×10²⁰cm^-3～6×10²¹cm^-3，例如6×10²⁰cm^-3、8×10²⁰cm^-3、1×10²¹cm^-3、1.5×10²¹cm^-3、2×10²¹cm^-3、2.5×10²¹cm^-3、3×10²¹cm^-3、3.5×10²¹cm^-3、4×10²¹cm^-3、4.5×10²¹cm^-3、5×10²¹cm^-3、5.5×10²¹cm^-3或6×10²¹cm^-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。

作为本发明优选的技术方案，所述晶体硅片层正面依次设有制绒面扩散层、制绒面减反射层和制绒面银电极。

优选地，所述晶体硅片层背面分布设置背银电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将至少包括铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素的掺杂介质与硅进行掺杂制备局部掺杂晶体硅太阳能电池的方法，可使局部背场p⁺浓度峰值由现有perc太阳能电池中的3×10¹⁸cm^-3提高至6×10²⁰cm^-3～6×10²¹cm^-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是现有技术或对比例1中所述perc太阳能电池结构的背面俯视图；

图2是现有技术或对比例1中所述perc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是是现有技术或对比例1中所述perc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；

图4是现有技术或对比例2中所述perl太阳能电池结构的背面俯视图；

图5是现有技术或对比例2中所述perl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6是是现有技术或对比例2中所述perl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；

图7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；

图8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9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-第一金属电极层，4-硅铝合金，5-局部背场，6-制绒面扩散层，7-制绒面减反射层，8-制绒面银电极，9-背银电极，10-铝硅合金，11-铝背场，12-铝金属，13-硼背场。

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一种局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法，所述制备方法为：

(1)将晶体硅片依次进行预处理、背面沉积钝化层和和背面局部开口；

(2)在经步骤(1)处理后的晶体硅片的背面局部开口处沉积掺杂介质，所述掺杂介质中包括铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素；

(3)将步骤(2)中沉积掺杂介质后的晶体硅片依次经背面沉积第一电极浆料、正面沉积第二电极浆料和烧结处理，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池。

其中，步骤(2)中所述掺杂介质中包括硅元素和至少两种第三主族元素。

本发明具体实施例部分还提供了一种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和第一金属电极层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充第一金属电极，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成局部硅铝合金4和局部背场5，所述局部背场5是以铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素共同形成。

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及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构如图7-9所示，其包括晶体硅片层1以及依次设于晶体硅片层1背面的钝化层2和第一金属电极层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充第一金属电极，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成局部硅铝合金4和局部硼铝背场5。

所述晶体硅片层1正面依次设有制绒面扩散层6、制绒面减反射层7和制绒面银电极8；所述晶体硅片层1背面分布设置背银电极9。

其中，所述钝化层2氧化铝，第一金属电极层3为铝电极层。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法为：

(1)将晶体硅片依次进行制绒、扩散、背抛光、去杂质玻璃处理、正面沉积减反射层(氮化硅减反射层)、背面沉积钝化层(氧化铝)、背面局部开口和背面沉积银浆料处理；

(2)在经步骤(1)处理后的晶体硅片的背面局部开口处沉积掺杂硼硅铝介质，所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为2:3:100，其中硼元素来自于硼化硅，硅元素来自于纳米单质硅粉，铝元素来自于铝粉颗粒；

(3)将步骤(2)中沉积掺杂硼硅铝介质后的晶体硅片依次经背面沉积第一电极浆料(铝浆料)、正面沉积第二电极浆料(银浆料)和烧结处理，得到局部掺杂晶体硅太阳能电池。

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及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氧化铝和氧化硅薄膜的组合外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为4:8:100，其中硼元素来自于三氧化二硼外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

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及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氮化硅和氧化硅薄膜的组合外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为12:10:100外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

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及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氮化硅外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为1:1:100外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

实施例5：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氧化硅薄膜外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为10:10:100外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

实施例6：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氧化硅薄膜外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为15:6:100外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

实施例7：

本实施例提供了一种局部掺杂晶体硅太阳能电池及其制备方法，所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的结构除了钝化层2为氧化硅薄膜外，其他均与实施例1中相同。

所述局部掺杂晶体硅太阳能电池的制备方法中，除了步骤(2)中所述掺杂硼硅铝介质中硼、硅和铝元素的摩尔比为15:10:100外，其他制备过程均与实施例1中制备方法相同。

对比例1：

本实施例提供了一种perc太阳能电池及其制备方法，如图1-3所示，所述perc太阳能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和第一金属电极层3，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充第一金属电极，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成局部铝硅合金10和局部铝背场11。

所述晶体硅片层1正面依次设有制绒面扩散层6、制绒面减反射层7和制绒面银电极8。

所述perc太阳能电池的制备方法为：将晶体硅片依次进行预处理、背面沉积钝化层、正面沉积减反射层、背面局部开口、背面沉积银浆料处理、背面沉积铝浆料、正面沉积浆料和烧结处理，得到perc太阳能电池。

对比例2：

本实施例提供了一种perl太阳能电池及其制备方法，如图4-6所示，所述perl太阳能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和铝金属层12，所述钝化层2上具有多个开口，所述开口内部填充铝金属，所述晶体硅片层1中沿开口向晶体硅片层里掺杂形成局部硼背场13。

所述晶体硅片层1正面依次设有制绒面扩散层6、制绒面减反射层7和制绒面银电极8。

所述perl太阳能电池的制备方法为：制绒、扩散、背抛光、背部掩膜、局部开口、硼扩散、去掩膜、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1-7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voc(开路电压)、isc(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1-7和对比例1-2中太阳能电池的性能测试表

综合实施例1-7和对比例1-2的结果可以看出，本发明通过将至少包括铝元素以及在硅中固溶度大于铝的至少一种第三主族元素的掺杂介质与硅进行掺杂制备局部掺杂晶体硅太阳能电池的方法，可使局部背场p⁺浓度峰值由现有perc太阳能电池中的3×10¹⁸cm^-3提高至6×10²⁰cm^-3～6×10²¹cm^-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。