一种背面钝化的晶体硅太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及背面钝化的晶体硅太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在太阳能电池中，光生载流子的分离、输运和收集对电池整体性能的提高很关键。减少光生载流子在晶体硅(c-si)体内和表面的复合对提高载流子的收集效率至关重要，尤其是当硅片的少子扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，硅片表面的复合对电池特性的影响比体内复合大得多，因此，表面钝化是晶体硅太阳能电池设计和优化的关键。目前，采用氮化硅薄膜作为p型晶体硅电池正面的减反层和钝化层，除了可以饱和表面悬挂键、降低界面态外，氮化硅还通过自身的正电荷，减少电池正发射层中的少子浓度，从而降低了表面复合速率。随着晶体硅电池正面的钝化效果和接触性能得到不断的优化和提高，电池的背表面的复合已经引起了光伏产业界的普遍关注。在传统丝网印刷的晶体硅电池中，铝背场效应虽然可以降低少子浓度，减少复合，但仍然无法与采用介质层带来的钝化效果相媲美。

氧化铝拥有与氮化硅相反的负电荷，除了可以钝化背表面缺陷、降低界面态密度、起到化学钝化作用之外，还具有场效应钝化效果，从而大幅降低了p型晶体硅电池背面的复合。钝化发射极背面接触(perc)晶体硅电池拥有相对完善的背面钝化结构，已经开始逐步走向产业化。目前，量产单晶硅和多晶硅perc电池的峰值效率世界记录分别是22.61％和21.25％。相比其他高效电池技术，perc电池具有明显的成本优势，是下一代高效太阳能电池最强有力的竞争者。

相对于常规电池，目前perc技术主要增加了背钝化和激光开孔两个工艺环节。在实际perc电池的生产工艺过程中，首先对电池背面进行激光开孔，然后在孔内区域印刷银浆，在其它区域上印刷铝浆，最后烧结形成背面银电极和铝背场。在烧结过程中，银浆对激光开孔内的硅基体进行烧蚀，增加了复合中心，降低了少子寿命，从而影响电池效率。同时，背面激光消融以及不均匀铝背场导致的应力，使得电池片产生隐裂与裂纹的概率大大增加。另外，由于开孔限制了载流子的传输路径，使之偏离垂直于接触面的最短路径并拥堵在开口处，增大了填充因子的损失。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的不足和问题，本发明提出了一种背面钝化的晶体硅太阳能电池及其制备方法，既能降低背面复合、又不需要激光开孔。

本发明采用的技术方案是这样的：一种背面钝化的晶体硅太阳能电池，其特征在于：以氧化钼作为p型晶体硅钝化层和空穴传输层，具有如下的结构：ag/sinx/n-c-si/p-c-si/sio2/moo3/al/ag，其中x＝0.9～1.2，n-c-si为磷掺杂的n型晶体硅。

本发明的另一技术方案是这样的：一种背面钝化的晶体硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗与制绒：取电阻率为0.5～1.5ω.cm，厚度为180μm，尺寸为4×4cm²的单晶硅片，首先将硅片先后浸入丙酮、无水乙醇溶液中并采用超声清洗10min，去除表面油渍和污物；然后在浓度为30％的氢氧化钠溶液中在80℃温度下水浴处理20min，去除表面损伤层；最后，在硝酸/氢氟酸/冰醋酸溶液(体积比为3:3:1)中溶液中在常温下腐蚀120s，对表面进行化学抛光，获得平整表面，然后用去离子水反复冲洗3次以上，并用氮气吹干；

2)背面生长氮化硅：以电子级氨气和硅烷分别为氮源和硅源，以高纯氮气为载气，利用低压化学气相沉积法在硅片背面生长厚度为80～100nm氮化硅保护层；

3)前表面制绒：利用常规碱体系对硅片前表面进行制绒，采用质量分数1～2％的naoh、质量分数2.5～5.0％的na2sio3.9h2o、体积分数5～10％的异丙醇的溶液体系，在80～85℃下水浴加热并超声处理20～30min，然后用去离子水冲洗，氮气吹干；

4)前表面磷扩散：将扩散炉预先升温至扩散温度850～900℃，通入氮气驱除炉管内的残留气体；把表面制绒后的硅片放进石英舟，推入恒温区，在氮气保护下预热5min；携源氮气流量为80～120sccm，氧气流量为50～90sccm，5～10min后关闭携源氮气和氧气阀门；关闭扩散炉的加热电源，让石英舟自然冷却至室温，取出硅片；扩散结束以后，采用等离子体干法刻蚀去除硅片边缘的n型层，然后放入质量分数5～12％氢氟酸溶液，在室温下浸泡30～90s；最后，用去离子水冲洗，氮气吹干；

5)前表面生长sinx钝化层和抗反层：采用等离子体增强化学气相沉积法，射频为13.56mhz，沉积腔体的本底真空优于1×10^-3pa，射频功率密度为0.5～1.0w/cm²，以电子级氨气和硅烷分别为氮源和硅源，氨气和硅烷的流量比为1:2～6，工作气压为100～200pa，生长温度为200～300℃，在硅片前表面生长厚度为80～100nm的sinx薄膜；

6)背面热氧化生长二氧化硅：利用体积分数1％的氢氟酸去除硅片背表面的自然氧化层，用去离子水冲洗，氮气吹干；然后用高温快速热氧化法，在硅片背表面生长一层厚度为1.2～1.5nm的二氧化硅隧穿层；

7)背面热蒸发法生长氧化钼和金属铝：蒸发镀膜腔体的真空度优于1×10^-4pa，调节加热电流，使得氧化钼蒸发速率为0.05nm/s，待速率稳定后打开挡板，开始蒸镀；当厚度达到3nm时，关闭挡板，关闭加热电流；随后，在不破真空条件下，调节加热电流，使得金属铝蒸发速率为0.1nm/s蒸镀3nm的铝；

8)生长银电极：硅片的前后表面利用磁控溅射法生长厚度为500nm的银电极，前表面利用栅线掩膜板，形成银栅线电极，后表面全部形成银电极；溅射靶材为金属银，溅射腔体的本底真空优于1×10^-3pa，工作气体为氩气，工作气压为1.0pa，溅射温度为室温，溅射功率为1～3w/cm²；

9)退火处理：在750～850℃温度和氮气氛围下进行退火处理，时间为5～10min，从而得到所需的晶体硅太阳能电池。

氧化钼(moo3)与硅异质结界面具有较小的价带带阶，同时氧化钼与氧化钨(wo3)、氧化钒(v2o5)等材料一样具有很高的功函数。另外，氧化钼对晶体硅表面的钝化效果较好，而且氧化钼与硅的接触电阻也比较小，因此氧化钼可以作为晶体硅太阳能电池的空穴传输层。在本发明中，利用氧化钼取代氧化铝作为p型晶体硅电池的背面钝化材料，不仅可以大幅降低了电池背面的复合，同时也可以作为p型晶体硅电池的空穴传输层，因此，在电池的实际生产工艺中不像perc电池那样需要激光开孔来保证载流子的传输，这就达到了既能降低晶体硅的背面复合、又同时避免了激光开孔带来的负面影响。

考虑到在晶体硅电池的热处理和金属化的工艺过程中，氧化钼对硅的钝化效果变差，会导致电池的开路电压(voc)和填充因子(ff)减低，在本发明中，在氧化钼与晶体硅之间插入一层超薄的二氧化硅(sio2)作为空穴隧穿层，这就保证了在晶体硅电池的高温工艺过程中，硅背面的钝化效果不受影响。

晶体硅太阳能电池通常需要对双面未抛光的硅片前表面进行制绒处理，以减少太阳光在硅片表面的反射，同时硅片的背表面通常也有制绒的效果，这对常规晶体硅电池来说影响很小。然而，对于背面钝化的电池来说，制绒显著增加了背表面的比面积，增大了背面的复合速度。因此，背表面抛光不仅可以降低表面复合速度，而且平整表面使得后续生长的薄膜更均匀。氮化硅薄膜的化学稳定性非常好，处理氢氟酸以外，其他的酸和碱与氮化硅几乎不会发生化学反应。为此，本专利在对前表面进行制绒之前，在硅片的背表面生长一层氮化硅保护层，然后再去除。

为了降低氧化钼薄膜的电阻，在不降低氧化钼的钝化效果的前提下，氧化钼薄膜的厚度选为3nm。为了最大幅度地降低氧化钼的电阻，增加了一层超薄的金属铝(al)，铝与氧化钼在后续的电池高温过程中会发生反应，在界面处形成氧化铝，增加了氧化钼中的氧空位浓度，从而增加了氧化钼的导电性能。同时，为了减少金属铝薄膜对硅片背面的光学损失，铝的厚度选为3nm。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的电池结构示意图；

图2为本发明的电池制备流程图。

具体实施方式

本实施例所述的晶体硅太阳能电池，以氧化钼作为p型晶体硅钝化层和空穴传输层，具有如下的结构：正面ag电极1、sinx层(80nm)2、n-c-si层3、p-c-si层4、sio2层(1.2～1.5nm)5、moo3层(3nm)6、al层(3nm)7、背面ag电极8，其中x＝0.9～1.2，n-c-si为磷掺杂的n型晶体硅。

电池的制备过程如下：

1)清洗与制绒

实验用硅片为金刚线切割的单晶硅片，电阻率为0.5～1.5ω.cm，厚度为180μm，尺寸为4×4cm²。首先将硅片先后浸入丙酮、无水乙醇溶液中并采用超声清洗10min，去除表面油渍和污物；其次，在浓度为30％的氢氧化钠溶液中在80℃温度下水浴处理20min，去除表面损伤层；最后，在硝酸/氢氟酸/冰醋酸溶液(体积比为3:3:1)中溶液中在常温下腐蚀120s，对表面进行化学抛光，获得平整表面，然后用去离子水反复冲洗3次以上，并用氮气吹干。

2)背面lpcvd法生长氮化硅

利用低压化学气相沉积(lpcvd)生长的氮化硅(si3n4)薄膜具有结构致密、生长速率快、均匀性好等特点，通常用作钝化层，可以很好地阻挡杂质和湿气的扩散。以电子级氨气和硅烷分别为氮源和硅源，以高纯氮气为载气，在硅片背面生长厚度为80～100nm氮化硅保护层。反应腔的本底真空优于0.1pa，工作气压为100～130pa，生长温度为800～850℃，氨气与硅烷的流量比为4～8:1。

3)前表面制绒

利用常规碱体系对硅片前表面进行制绒，获得金字塔型结构的陷光表面。为了有效地控制反应速度和绒面的大小，添加一定量的ipa(异丙醇)作为缓释剂和络合剂。采用naoh(1～2％，质量分数)、na2sio3.9h2o(2.5～5.0％，质量分数)、ipa(5～10％，体积分数)的溶液体系，在80～85℃下水浴加热并超声处理20～30min，然后用去离子水冲洗，氮气吹干。

4)前表面磷扩散

采用常规的三氯氧磷作为液态源扩散，通过氮气携带法将杂质带入扩散炉内实现扩散。首先，将扩散炉预先升温至扩散温度850～900℃，通入氮气(500～1000sccm)，驱除炉管内的残留气体；其次，把表面制绒后的硅片放进石英舟，推入恒温区，在氮气(500～1000sccm)保护下预热5min；第三，携源氮气流量为80～120sccm，氧气流量为50～90sccm，5～10min后关闭携源氮气和氧气阀门；第四，关闭扩散炉的加热电源，让石英舟自然冷却至室温，取出硅片。当扩散炉温度下降到450℃后，将石英舟拉至炉口位置，让样品在空气中自然冷却。

扩散结束以后，采用等离子体干法刻蚀去除硅片边缘的n型层，防止边缘形成短路。然后，放入氢氟酸溶液(5～12％，质量分数)在室温下浸泡30～90s，去除硅片表面由于扩散工艺造成的含磷二氧化硅(psg)，同时也去除了硅片背面的氮化硅保护层。最后，用去离子水冲洗，氮气吹干。

5)前表面pecvd法生长sinx钝化层和抗反层

利用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)方法沉积sinx薄膜时，等离子体中产生的大量氢原子具有优良的体钝化效果，因此sinx薄膜具有高质量的表面钝化和体钝化效果以及优良的减反射性能。pecvd的射频为13.56mhz，沉积腔体的本底真空优于1×10^-3pa，射频功率密度为0.5～1.0w/cm²，以电子级氨气和硅烷分别为氮源和硅源，氨气和硅烷的流量比为1:2～6，工作气压为100～200pa，生长温度为200～300℃，在硅片前表面生长的sinx薄膜厚度为80～100nm。

6)背面热氧化生长二氧化硅

利用稀释的氢氟酸(1％，体积分数)去除硅片背表面的自然氧化层，用去离子水冲洗，氮气吹干。然后利用高温快速热氧化法，在硅片背表面生长一层厚度为1.2～1.5nm的二氧化硅隧穿层。

把管式真空炉快速升温至700℃，升温速率为20～50℃/min，把硅片装入石英舟，推入恒温区，通入氧气(500～1500sccm)，氧化时间为90s，然后关闭加热电源，同时关闭氧气阀门。当炉温度下降到450℃后，将石英舟拉至炉口位置，让样品在空气中自然冷却。

7)背面热蒸发法生长氧化钼和金属铝

蒸发镀膜腔体的真空度优于1×10^-4pa，调节加热电流，使得氧化钼蒸发速率为0.05nm/s，待速率稳定后打开挡板，开始蒸镀。当厚度达到3nm时，关闭挡板，关闭加热电流。

随后，在不破真空条件下，调节加热电流，使得金属铝蒸发速率为0.1nm/s蒸镀3nm的铝。

8)银电极生长

硅片的前后表面利用磁控溅射法生长厚度为500nm的银电极，前表面利用栅线掩膜板，形成银栅线电极，后表面全部形成银电极。溅射靶材为金属银，溅射腔体的本底真空优于1×10^-3pa，工作气体为氩气，工作气压为1.0pa，溅射温度为室温，溅射功率为1～3w/cm²。

9)退火处理

为了使硅片前表面的金属银与硅片的n型区形成良好的欧姆接触，以及硅片背面的铝与氧化钼在界面处形成氧化铝，增加了氧化钼的导电性能，电池需要在750～850℃温度和氮气氛围下进行退火处理，时间为5～10min。