一种PERC电池的制备方法与流程

一种perc电池的制备方法
技术领域
1.本发明属于光伏技术领域，涉及一种perc电池的制备方法。


背景技术：

2.perc电池是目前市场上的主流太阳能电池，其中量产的perc电池效率水平可以达到23.0～23.5％，但再往上提升电池效率难度较大，主要受限于界面以及金属下的钝化。目前，在perc电池中，采用选择性发射极技术，在金属下实现重磷掺杂，可以改善电池效率，但是金属下的复合仍比较高，成为限制电池效率提升的主要因素。另外，通过在perc电池正面制作隧穿接触结构(poly-finger结构)，也可以改善电池效率，但是现有制备perc电池的方法中主要采用以下方式制备poly-finger结构，如采用先正面poly-si、掩膜、湿法刻蚀、磷扩散和退火的方式制备poly-finger结构，该工艺仍然存在以下缺陷：工艺复杂，增加清洗工序多，良率难以保证，印刷掩膜，增加污染风险，量产可行性小；湿法刻蚀精度差，图案化掩膜下poly-si宽度会受到刻蚀影响，无法做到很细，且工艺窗口小；由于并非采用单纯的原位掺杂方式，通过退火和磷扩散的方式同时形成轻重掺杂比较难控制，结果是不利于降低金属下的复合，使得电池效率难以有效提升。又如，采用直接激光开窗和二次扩散的方式制备poly-finger结构，同样存在工艺流程复杂且工艺窗口较小而导致的不易控制等缺陷，而且直接激光开窗容易对底层发射极造成损伤，也使得电池效率难以有效提升。因此，获得一种工艺简单、易于操作、图形尺寸精确可控、效率高的perc电池的制备方法，对于perc电池的推广和应用具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是，提供一种工艺简单、易于操作、图形尺寸精确可控、效率高的perc电池的制备方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
5.一种perc电池的制备方法，包括以下步骤：
6.s1、对p型硅片正面进行制绒；
7.s2、在p型硅片正面生长磷掺杂氧化层，作为掩膜；
8.s3、采用激光对金属化区域进行开窗处理；
9.s4、依次对激光开窗区域进行制绒和化学氧化处理，形成隧穿氧化层；
10.s5、在p型硅片正面生长磷掺杂非晶硅薄膜；
11.s6、对正面生长有磷掺杂非晶硅薄膜的p型硅片进行退火处理，在硅片正面同时形成poly-finger结构和轻掺杂磷扩区；
12.s7、采用激光对非金属化区域进行开窗处理，直至露出非金属化区域的掩膜；
13.s8、去除非金属化区域的掩膜，完成对perc电池的制备。
14.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，采用pecvd法或pvd法在p型硅片正面生长磷掺杂氧化层；所述磷掺杂氧化层的厚度为20nm～300nm；所述磷掺杂氧化层的磷掺杂
浓度为1e19 cm-3
～1e21 cm-3
；所述磷掺杂氧化层为磷掺杂氧化硅层。
15.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述磷掺杂氧化层的厚度为50nm～150nm；所述磷掺杂氧化层的磷掺杂浓度为5e19 cm-3
～6e20 cm-3
。
16.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，采用碱性溶液对p型硅片正面进行制绒，形成金字塔绒面；所述金字塔绒面的尺寸为0.5μm～3μm；所述碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、tmah溶液中的至少一种；所述p型硅片的电阻率为0.3ω
·
cm～7ω
·
cm。
17.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s3中，所述金属化区域的开窗宽度为20μm～150μm。
18.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s4中，采用碱性溶液对激光开窗区域进行制绒，去除激光损伤并形成金字塔绒面；所述金字塔绒面的尺寸为0.5μm～3μm；所述碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、tmah溶液中的至少一种。
19.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s4中，采用臭氧、浓硝酸、浓盐酸与双氧水的混合溶液、浓硫酸与双氧水的混合溶液中的其中一种对制绒区域进行化学氧化处理，在制绒区域上形成隧穿氧化层；所述隧穿氧化层的厚度为0.5nm～2.5nm；所述隧穿氧化层为氧化硅层。
20.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s5中，采用pecvd法或pvd法在p型硅片正面原位生长磷掺杂非晶硅薄膜；所述磷掺杂非晶硅薄膜的厚度为20nm～300nm；所述磷掺杂氧化层的磷掺杂浓度为5e19 cm-3
～1e21 cm-3
。
21.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s6中，所述退火处理的温度为800℃～950℃；所述poly-finger结构的方阻为10ω/sq～80ω/sq；所述轻掺杂磷扩区的方阻为120ω/sq～250ω/sq。
22.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s8中，采用氢氟酸溶液清洗非金属化区域的掩膜，完成对掩膜的去除。
23.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s8中，在去除非金属化区域的掩膜之前，还包括：采用刻蚀方法对p型硅片背面进行抛光处理。
24.上述的制备方法，进一步改进的，步骤s8中，在去除非金属化区域的掩膜之后，还包括：在p型硅片正面和背面生长钝化层、在p型硅片正面和背面生长减反射层、背面开窗、金属化、烧结和后处理。
25.上述的制备方法，进一步改进的，采用热氧的方式在p型硅片正面生长钝化层；所述钝化层为氧化硅层和/或氮化硅层；所述钝化层的厚度为1nm～5nm。
26.上述的制备方法，进一步改进的，采用ald法或peald法在p型硅片背面生长钝化层；所述钝化层为氧化铝层；所述钝化层的厚度为3nm～20nm。
27.上述的制备方法，进一步改进的，采用pecvd法在p型硅片正面和背面分别生长减反射层；所述减反射层为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅中的一种膜层或多种叠层膜；所述减反射层的厚度为60nm～150nm。
28.上述的制备方法，进一步改进的，采用激光对p型硅片背面进行开窗。
29.上述的制备方法，进一步改进的，采用丝网印刷或激光转印的方式在p型硅片正面制备正面副栅线和正面主栅电极，以及在p型硅片背面制备背面副栅线和背面主栅电极，完成对硅片的金属化处理；所述正面副栅线和正面主栅电极为银电极；所述背面副栅线为铝
电极；所述背面主栅电极为银电极。
30.上述的制备方法，进一步改进的，所述后处理包括利用光注入方式或电注入方式对电池片进行处理。
31.与现有技术相比，本发明的优点在于：
32.针对perc电池的制备方法中存在的工艺复杂、不易操作、难以精确控制图形尺寸、对底层发射极损伤大以及由它们导致的效率低等缺陷，本发明中创造性的提出了一种perc电池的制备方法，先在制绒后的硅片正面生长磷掺杂氧化层，作为掩膜；继而采用激光对硅片正面金属化区域进行开窗处理、制绒和化学氧化，其中通过制绒可以去除第一次激光开窗所带来的损伤层并在硅片金属化区域表面重新形成金字塔绒面，而化学氧化可以在硅片正面金属化区域的绒面表面形成隧穿氧化层；然后在硅片正面原位生长磷掺杂非晶硅薄膜并进行退火处理，通过退火处理，非晶硅转变为poly-si，即金属化区域的磷掺杂非晶硅转化成磷掺杂多晶硅，其与隧穿氧化层形成接触钝化结构(n+poly-finger结构)，同时，在掺杂氧化硅下方的硅片表面形成低浓度n+发射极，即为底层发射极；进一步的，采用激光对硅片正面非金属化区域进行开窗，在磷掺杂氧化层(掩膜)的保护下去除轻磷扩区域(非金属化区域)上面的磷掺杂多晶硅，直至露出底层的掺杂氧化层(掩膜)，因而在利用激光开窗时不会对底层发射极造成损伤，最后通过清洗去除掩膜，完成对perc电池的制备。与常规制备方法相比，本发明制备方法中，采用激光开窗方式在硅片正面引入poly-finger结构，图形尺寸精度可控，极大降低工艺复杂性以及成本投入，同时由此制备的poly-finger结构，既可以保证金属下的复合极大降低，又可以极大的减少正面对光的吸收，因而可以有效降低正面金属下的复合，大幅提高电池的开路电压和填充因子，从而能够显著提高电池效率。本发明perc电池的制备方法具有工艺简单、易于操作、图形尺寸精确可控、对底层发射极损伤小等优点，且由此制得的perc电池具有更好的效率，同时本发明制备方法与常规perc电池制备路线高度重合，只需要增加cvd的设备用来制备poly-finger结构，因而可以有效利用现有产线完成生产，有利于进一步降低制备成本，更适合于推广应用。
附图说明
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
34.图1为本发明实施例1中perc电池的制备工艺流程示意图。
35.图2为本发明实施例1中perc电池的结构示意图。
36.图例说明：
37.1、p型硅片；2、n+发射极；3、正面钝化层；4、正面减反射层；5、隧穿氧化层；6、磷掺杂多晶硅层；7、银电极；8、背面钝化层；9、背面减反射层；10、铝电极。
具体实施方式
38.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
39.以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
40.实施例：
41.一种perc电池的制备方法，包括以下步骤：
42.s1、采用碱性溶液对p型硅片正面进行制绒，形成尺寸为0.5μm～3μm的金字塔绒面，其中碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、tmah溶液中的至少一种，p型硅片的电阻率为0.3ω
·
cm～7ω
·
cm。优选的，金字塔绒面的尺寸为1.0μm～2.5μm；p型硅片的电阻率为1ω
·
cm～3ω
·
cm。
43.s2、采用pecvd法或pvd法在p型硅片正面生长磷掺杂氧化层，作为掩膜，其中磷掺杂氧化层为磷掺杂氧化硅层(n+siox层)，厚度为20nm～300nm，磷掺杂浓度为1e19 cm-3
～1e21 cm-3
；进一步优选的，磷掺杂氧化层的厚度为50nm～150nm，磷掺杂浓度为5e19 cm-3
～6e20 cm-3
；更进一步优选的，磷掺杂氧化层的厚度为50nm～80nm，磷掺杂浓度为5e19 cm-3
～5e20 cm-3
。本发明中，通过控制磷掺杂氧化硅层的掺杂浓度，有利于实现对掺杂曲线的精准控制。同时，与其他掩膜(如磷掺杂氮化硅层、磷掺杂氮氧化硅膜层)相比，本发明中以磷掺杂氧化硅层(n+siox层)为掩膜，更容易被去除。
44.s3、采用激光对金属化区域进行开窗处理，其中金属化区域的开窗宽度为20μm～150μm(优选的，宽度为30μm～80μm)。与常规开窗方法(如湿法、丝网印刷)相比，本发明中，通过激光开窗的方式，金库更高，其中精度可以控制在
±
10μm以内，而常规的丝网印刷方式(印刷精度
±
25μm，网版精度
±
20μm，再加上湿法刻蚀影响)，图案化精度＞
±
50μm。同时，本发明中，通过激光开窗，可控获得更高的开窗精度，这意味着后续的提效空间更大、工艺窗口和稳定性更好。另外，本发明中采用的激光工艺，可以省掉很多清洗环节，工艺更加简单。
45.s4、采用碱性溶液对激光开窗区域进行制绒，去除激光损伤并形成尺寸为0.5μm～3μm(优选的，尺寸为1.0μm～1.5μm)的金字塔绒面，碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、tmah溶液中的至少一种；然后，采用臭氧、浓硝酸、浓盐酸与双氧水的混合溶液、浓硫酸与双氧水的混合溶液中的其中一种对制绒区域进行化学氧化处理，形成隧穿氧化层，其中隧穿氧化层为氧化硅层，厚度为0.5nm～2.5nm，进一步优选的，厚度为1nm～2nm。
46.s5、采用pecvd法或pvd法在p型硅片正面生长磷掺杂非晶硅薄膜，其中磷掺杂氧化层的厚度为20nm～300nm，磷掺杂浓度为5e19 cm-3
～1e21 cm-3
；进一步优选的，磷掺杂非晶硅薄膜的厚度为50nm～150nm，磷掺杂浓度为1e20 cm-3
～7e20 cm-3
。本发明中，通过控制磷掺杂非晶硅薄膜的掺杂浓度，有利于实现对掺杂曲线的精准控制。
47.s6、在温度为800℃～950℃(优选的，温度为880℃～930℃)的条件下对正面生长有磷掺杂非晶硅薄膜的p型硅片进行退火处理，在硅片正面同时形成poly-finger结构和轻掺杂磷扩区。本发明中，在激光开窗的区域，只有掺杂非晶硅，没有激光开窗的区域是掺杂氧化硅+掺杂非晶硅，可以通过控制两种源量实现轻重掺杂，即同时形成轻掺杂和重掺杂，其中重磷掺杂区域(poly-finger结构所在的金属化图案区域)的方阻为10～80ω/sq，优选的，方阻为40～60ω/sq；轻掺杂磷扩区(非金属化图案区域)的方阻为120～250ω/sq，优选的，方阻为180～200ω/sq。
48.s7、采用激光对非金属化区域进行开窗处理，直至露出非金属化区域的掩膜。本发明中，在磷掺杂氧化层(掩膜)的保护下去除轻磷扩区域(非金属化区域)上面的磷掺杂多晶硅，直至露出底层的掺杂氧化层(掩膜)，因而在利用激光开窗时不会对底层发射极造成损伤，有利于提高电池的效率。
49.s8、采用氢氟酸溶液清洗非金属化区域的掩膜，去除非金属化区域的掩膜。
50.本发明中，在去除非金属化区域的掩膜之前，还包括：采用刻蚀方法对p型硅片背面进行抛光处理。
51.同时，在去除非金属化区域的掩膜之后，还包括：在p型硅片正面和背面生长钝化层、在p型硅片正面和背面生长减反射层、背面开窗、金属化、烧结和后处理，具体如下：
52.采用热氧的方式在p型硅片正面生长钝化层，其中钝化层为氧化硅层和/或氮化硅层，钝化层的厚度为1nm～5nm，优选的，厚度为2nm～3nm。本发明中，氮化硅既是减反射层，又是钝化层，因而以氧化硅层作为底层并在氧化硅层上沉积氮化硅层，能够获得更好的截面钝化效果，因为氧化硅钝化效果很好，和氮化硅一起起到双重钝化的作用，氮化硅氢钝化、氧化硅界面态密度很低，对界面钝化效果好。若单独以氮化硅层作为钝化层和减反射层时，可采用化学气相沉积法(如pecvd法)制备，此时氮化硅层的厚度为60nm～100nm，优选的，厚度为70nm～80nm。
53.采用ald法或peald法在p型硅片背面生长钝化层，其中钝化层为氧化铝层，厚度为3nm～20nm，优选的，厚度为8nm～15nm。
54.采用pecvd法在p型硅片正面和背面分别生长减反射层，其中减反射层为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅中的一种膜层或多种叠层膜，减反射层的厚度为60nm～150nm，优选的，厚度为60nm～130nm，进一步优选的，厚度为60nm～100nm，更进一步优选的，厚度为80nm～100nm。
55.采用激光对p型硅片背面进行开窗，形成图案化区域，用于后续铝浆印刷与硅基体形成欧姆接触。
56.采用丝网印刷的方式在p型硅片正面形成图案化的正面副栅线和正面主栅电极，用于电流收集，副删与n+poly-si需要进行套印，以及背面印刷铝浆与背面激光开窗区域需要进行套印(也可以采用烧穿型铝浆，无需套印)，在p型硅片背面制备背面副栅线和背面主栅电极。该步骤中，正面金属电极(主栅和副栅)为银电极，且银电极需要烧穿减反层，但不能烧穿掺杂poly-si。背面副栅为铝电浆，铝电极需要烧穿氧化铝与硅形成欧姆接触。背面主栅为银电极，主要用于电池后续的焊接，一般背面先印主栅后副栅，正面无要求。
57.后处理包括利用光注入方式或电注入方式对电池片进行处理。
58.实施例1：
59.一种perc电池的制备方法，其制备工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
60.s1、对p型硅片正面进行制绒，具体为：采用质量分数为1.5％的koh溶液对p型硅片正面进行制绒(第一次)，形成尺寸为1.5μm的金字塔绒面；该步骤中，采用的p型硅片的电阻率为1.5ω
·
cm。
61.s2、在p型硅片正面生长磷掺杂氧化层，作为掩膜，具体为：采用pecvd法在p型硅片正面生长磷掺杂氧化硅层(n+siox层)，其中磷掺杂氧化硅层的厚度为70nm，磷掺杂浓度为2e20 cm-3
。
62.s3、采用激光对金属化区域进行开窗处理(第一次激光开窗)，具体为：利用激光对磷掺杂氧化硅层进行图案化的激光开窗处理(开窗区域对应后续金属化区域)，激光开窗区域宽度为50μm。
63.s4、依次对激光开窗区域进行制绒和化学氧化处理，形成隧穿氧化层，具体为：采用质量分数为1.5％的koh溶液对正面激光开窗区域进行制绒(第二次)，去除激光损伤层并
并形成尺寸为1.5μm的金字塔绒面，然后利用浓硫酸与双氧水的混合溶液(该混合溶液由质量分数为98％的浓硫酸和质量分数为30％的双氧水制得，且二者的体积比为7:3)进行化学氧化处理，在开窗后的二次制绒区域形成隧穿氧化层，其中隧穿氧化层为氧化硅层，厚度为1.5nm。
64.s5、在p型硅片正面生长磷掺杂非晶硅薄膜，具体为：采用pecvd法在正面生长一层磷掺杂非晶硅薄膜，厚度100nm，磷掺杂浓度为5e20cm-3
。
65.s6、对正面生长有磷掺杂非晶硅薄膜的p型硅片进行退火处理，在硅片正面同时形成poly-finger结构和轻掺杂磷扩区，具体为：在退火温度为920℃下对硅片进行退火处理，在硅片正面同时形成n+poly-si隧穿钝化结构(后续金属化图案区域，该位置方阻50ω/sq)和轻掺杂磷扩区(后续非金属化图案区域，轻扩散方阻180ω/sq)。
66.s7、采用激光对非金属化区域进行开窗处理(第二次激光开窗)，直至露出非金属化区域的掩膜，具体为：硅片正面，采用激光进行图案化开窗处理，去除轻磷扩区域上面的磷掺杂poly-si(多晶硅)，露出底层的掩膜层(n+siox层)，正面同时保留n+poly-si隧穿钝化结构上的磷掺杂poly-si，而且由于下层有氧化硅掩膜，激光开窗的时不会破坏底下的轻掺杂磷扩硅发射极。
67.s8、去除非金属化区域的掩膜，具体为：利用氢氟酸溶液清洗刻蚀去除激光开窗后露出的磷掺杂氧化硅，为保证硅片清洗效果，也可以进行rca清洗。
68.本实施例中，在去除非金属化区域的掩膜之前，还包括：采用刻蚀方法对p型硅片背面进行抛光处理。
69.本实施例中，在去除非金属化区域的掩膜之后，还包括：在p型硅片正面和背面生长钝化层、在p型硅片正面和背面生长减反射层、背面开窗、金属化、烧结和后处理，具体为：
70.(1)采用热氧的方式在p型硅片正面生长钝化层，其中钝化层为氧化硅层，厚度为3nm。
71.(2)采用ald法在p型硅片背面生长钝化层，其中钝化层为氧化铝层，厚度为10nm。
72.(3)采用pecvd法在p型硅片正面和背面分别生长减反射层，具体为分别在正面和背面依次沉积氮化硅层和氧化硅层，其中氮化硅层的厚度为60nm，氧化硅层的厚度为30nm，总厚度为90nm。
73.(4)采用激光对p型硅片背面进行开窗，形成图案化区域，用于后续铝浆印刷与硅基体形成欧姆接触。
74.(5)采用丝网印刷的方式在p型硅片正面形成图案化的正面副栅线和正面主栅电极，用于电流收集，副删与n+poly-si需要进行套印，以及背面印刷铝浆与背面激光开窗区域需要进行套印(也可以采用烧穿型铝浆，无需套印)，在p型硅片背面制备背面副栅线和背面主栅电极。该步骤中，正面金属电极(主栅和副栅)为银电极，且银电极需要烧穿减反层，但不能烧穿掺杂poly-si。背面副栅为铝电浆，铝电极需要烧穿氧化铝与硅形成欧姆接触。背面主栅为银电极，主要用于电池后续的焊接，一般背面先印主栅后副栅，正面无要求。
75.(6)对丝网印刷后的电池片进行烧结，使金属电极与硅片形成欧姆接触，然后利用电注入方式对电池片进行后处理，得到perc电池。
76.如图2所示，本实施例中，制备的perc电池包括：p型硅片1，作为衬底，其中p型硅片1的正面由内向外依次设有n+发射极2、正面钝化层3和正面减反射层4，且p型硅片1的正面
还设有贯穿n+发射极2、正面钝化层3和正面减反射层4的银电极7，该p型硅片1的正面且位于银电极7下方由内而外依次设有隧穿氧化层5和磷掺杂多晶硅层6；p型硅片1的背面由内而外依次设有背面钝化层8和背面减反射层9，且p型硅片1的背面还设有贯穿背面钝化层8和背面减反射层9的铝电极10。
77.本实施例中，p型硅片1，电阻率为1.5ω
·
cm；n+发射极2的表面磷掺杂浓度为2e20cm-3
，扩散方阻为180ω/sq；正面钝化层3为氧化硅层，厚度为3nm；正面减反射层4为氮化硅和氧化硅的叠层膜，其中氮化硅层的厚度为60nm，氧化硅层的厚度为30nm，总厚度为90nm；隧穿氧化层5为隧穿氧化硅层，厚度为1.5nm；磷掺杂多晶硅层6的厚度为100nm，磷掺杂浓度为5e20cm-3
，宽度为50μm；银电极7需要烧穿减反层，但不能烧穿掺杂poly-si；背面钝化层8为氧化铝层，厚度为10nm；背面减反射层9为氮化硅和氧化硅的叠层膜，其中氮化硅层的厚度为60nm，氧化硅层的厚度为30nm，总厚度为90nm；铝电极10，需要烧穿氧化铝与硅形成欧姆接触。
78.对本发明实施例1中制备的perc电池进行电性能测试，结果如表1所示。
79.表1本发明实施例1中制备的perc电池的电性能数据
[0080][0081]
由表1可知，相比常规方法制备的perc电池(正面无poly-finger结构)，本发明制备方法制得的perc电池(正面有poly-finger结构)的效率大幅提高，提高幅度高达0.57％；与此同时，相比常规工艺，本发明制备工艺在提升perc电池(正面有poly-finger结构)的效率方面具有突出的优势，能够更加显著的提高电池的效率。
[0082]
综上可知，本发明perc电池的制备方法具有工艺简单、易于操作、图形尺寸精确可控、对底层发射极损伤小等优点，且由此制得的perc电池具有更好的效率，同时本发明制备方法与常规perc电池制备路线高度重合，只需要增加cvd的设备用来制备poly-finger结
构，因而可以有效利用现有产线完成生产，有利于进一步降低制备成本，更适合于推广应用。
[0083]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。