面向选择性接触的叠层结构、电池正面结构及制备方法

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种面向选择性接触的叠层结构、电池正面结构及制备方法。


背景技术：

2.2014年，德国fraunhofer研究所首先提出隧穿氧化硅钝化接触结构(topcon)用于改善晶硅太阳能电池背面的钝化，提升电池性能。该结构使用n型硅片，于硅片背面制备纳米sio
x
作为隧穿层，随后在sio
x
上利用pecvd等方法沉积一层重掺杂多晶硅，最后背面制备全面积金属电极。由于多晶硅在短波长范围内会产生较强的寄生光吸收，该结构主要应用于电池背面。利用隧穿氧化层钝化接触结构制备的高效晶硅太阳电池正面设计与传统perc电池类似，于pn结之上采用alo
x
/sin
x
堆栈作为钝化层和减反射层，通过丝网印刷加烧结等方式制备金属电极。太阳能电池正面金属电极在烧结过程中会穿透表面的alo
x
/sin
x
堆栈，与单晶硅衬底形成直接接触。一方面，由于金属中具有大量的自由电子，金属电极接触区域会使得金属中的自由电子与半导体中空穴在衬底表面产生严重复合，导致金属电极接触区域的饱和电流密度高达1000-2000fa/cm2，大大影响电池效率；另一方面，金属原子有可能在高温作用下扩散进入单晶硅衬底内，使得载流子在体内复合严重，电池效率难以提升。
3.选择性发射极是一种在金属电极区域重掺杂，在非金属区域轻掺杂的扩散技术。该技术将发射极与金属电极接触区域——重掺杂，其他区域——轻掺杂，发射极与金属接触的区域进行重掺使得该区域的方块电阻变小，在一定程度上减小了与金属电极的接触电阻，其他区域形成高的方块电阻，使得入射光在轻掺杂区域的复合减小，同时重掺杂的低方阻区域和轻掺杂的高方阻区域形成高低结，起到了场钝化的作用。目前市面上制备选择性发射极结构普遍采用激光推进技术，即利用激光烧蚀磷硅玻璃或硼硅玻璃，在烧蚀过程中形成局部重掺杂。首先在衬底上生长一层磷硅玻璃(psg)或硼硅玻璃(bsg)，随后利用激光器在扩散后的表面扫描推进以形成激光掺杂选择性发射极，最后通过化学清洗去除表面磷硅玻璃。但激光推进过程中高能量的激光会对结构表面造成严重烧蚀损伤，产生很多缺陷和复合中心，导致复合电流依然较大，金属接触区域的饱和电流密度可能在1000fa/cm2左右，大大降低选择性发射极结构的理想效果。
4.迄今为止，尚无合适的技术方案用于太阳电池正面的基于超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构的选择性发射极，其面临的难点如下：由于重掺杂多晶硅寄生吸收严重，如果多晶硅薄膜厚度提高到20nm以上，将产生显著的寄生吸收，然而为了阻挡金属浆料的穿透作用，多晶硅的厚度通常要达到100nm以上；因此，制备全面的多晶硅薄膜不可行，而需要实现图案化的多晶硅薄膜制备，同时通过刻蚀法去除其他区域的多晶硅薄膜；但现有技术又难以实现多晶硅薄膜的选择性刻蚀，这是因为通常采用碱液刻蚀多晶硅薄膜，但是由于多晶硅薄膜厚度、化学品批次间品质等因素存在波动，很难实现每次高度一致的多晶硅薄膜刻蚀，一旦把握不好，很容易造成过刻蚀或刻蚀不足的问题，从而使产品良率降低。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种具有新结构的多晶硅薄膜，以解决刻蚀过程难以控制的问题，从而实现基于超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构的选择性接触结构，以降低金属电极接触区域的复合损失。
6.为实现前述发明目的，本发明第一方面提供一种面向选择性接触的叠层结构，包括依次堆叠设置在衬底正面的介质层、第一重掺杂多晶硅层和抗刻蚀层，所述抗刻蚀层与正面金属电极对应区域上设有第二重掺杂多晶硅层。
7.进一步地，所述抗刻蚀层的材料为耐碱刻蚀的氧化硅或硅化物，所述抗刻蚀层的厚度为1-10nm。
8.进一步地，所述抗刻蚀层内还掺杂有氧、氮、碳中的任意一种或多种。
9.进一步地，所述介质层的材料为氧化硅，所述介质层的厚度小于等于3nm。
10.进一步地，所述第一重掺杂多晶硅层的材料为多晶硅、掺杂多晶硅或多晶硅化物，所述第一重掺杂多晶硅层的厚度为2-20nm。
11.进一步地，所述第二重掺杂多晶硅层的材料为多晶硅、掺杂多晶硅或多晶硅化物，所述第二重掺杂多晶硅层厚度为30-300nm。
12.进一步地，所述衬底为n型晶体硅或p型晶体硅。
13.进一步地，所述第一重掺杂多晶硅层和所述第二重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子包括硼，掺杂原子的浓度为1e18-5e20cm-3
，或者，所述第一重掺杂多晶硅层和所述第二重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子包括硼磷、砷或锑，掺杂原子的浓度为1e19-1e21cm-3
。
14.相对于现有技术，本发明叠层结构具有以下有益效果：
15.介质层及第一重掺杂多晶硅层是超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构必须的，用以实现表面钝化和载流子选择性收集；第一重掺杂多晶硅层厚度较薄，用以提供场钝化效应及载流子收集，同时通过降低厚度减少寄生吸收；抗刻蚀层用于阻挡或减缓碱液刻蚀，实现对第一重掺杂多晶硅层及硅片表面的保护；第二重掺杂多晶硅层的厚度较厚，主要用以阻挡金属浆料的穿透作用，保护下层材料。
16.该叠层结构主要通过增加抗刻蚀层解决刻蚀过程难以控制的问题，其原理如下：碱液对多晶硅薄膜和氧化硅薄膜的刻蚀具有很强的刻蚀选择比，即对多晶硅刻蚀速率很高，而对耐碱刻蚀的氧化硅或硅化物的刻蚀速率极低，这就可以使得刻蚀到抗刻蚀层后，刻蚀过程被大致阻止，从而保护好抗刻蚀层以下区域。当然，由于在热处理过程中，抗刻蚀层的完整性会遭到一定程度的破坏，因此，抗刻蚀层以下区域会存在一定程度的刻蚀；不过由于仍然存在介质层，仍然可以阻挡碱液刻蚀，就能很好地保护pn结区域，从而可以实现全面沉积多晶硅薄膜、形成局部图案化区域保护、刻蚀掉其余非图案区多晶硅薄膜的制备工艺。
17.本发明第二方面提供一种电池正面结构，包括衬底，所述衬底的正面设有上述的面向选择性接触的叠层结构，所述叠层结构的第二重掺杂多晶硅层上结合有正面金属电极。
18.本发明第三方面提供一种电池正面结构的制备方法，包括以下步骤：
19.s1、在衬底正面制备介质层；
20.s2、在介质层上制备第一硅化物层；
21.s3、在第一硅化物层上制备抗刻蚀层；
22.s4、在抗刻蚀层上制备第二硅化物层；
23.s5、高温退火处理，使硅化物层薄膜晶化、激活掺杂原子；
24.s6、在需要制备电极区域涂上耐碱材料，形成保护层；
25.s7、刻蚀，使用强碱性溶液将未保护区域的重掺杂的第二硅化物层刻蚀掉；
26.s8、清洗去除保护层；
27.s9、在刻蚀后的硅片表面沉积减反层；
28.s10、在剩余第二硅化物层上制备正面金属电极，经过烧结退火，正面金属电极与第二硅化物层形成良好接触，并形成选择性发射极。
29.本发明的电池正面结构及制备方法具有以下有益效果：
30.将超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构应用于电池正面，可钝化金属电极与硅衬底的接触，避免了高复合区的存在，减少载流子复合，选择性刻蚀避免了较厚多晶硅寄生光吸收带来的影响；保持载流子的收集效率，进而提高了电池的开路电压、填充因子及转换效率；
31.超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构与金属接触的区域进行重掺，使得该区域的方块电阻变小，在一定程度上减小了与金属电极的接触电阻，其他区域刻蚀掉形成高的方块电阻，使得入射光在轻掺杂区域的复合减小，从而进一步减小正面复合；
32.采用表面耐碱涂层保护结合湿化学法刻蚀后，工艺步骤简单，形成了选择性发射极，刻蚀时双层超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构可有效避免过度刻蚀带来损伤，在降低金属电极接触区的载流子复合损伤的同时保持了较低的接触电阻率；
33.避免了干法刻蚀昂贵设备的使用，也避免采用激光刻蚀等方法，这两种方法都会带来额外的表面损伤，提高产品良率。
附图说明
34.图1为本发明实施方式中电池正面结构的制备工艺流程图；
35.图2为本发明实施方式中太阳能电池的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.1-衬底，2-扩散层，3-介质层，4-第一重掺杂多晶硅层，5-抗刻蚀层，6-第二重掺杂多晶硅层，7-减反层，8-正面金属电极，9-保护层，10-背面氧化硅层，11-背面掺杂多晶硅层，12-背面金属电极。
具体实施方式
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
39.需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
40.本发明的实施例提供一种面向选择性接触的叠层结构，包括依次堆叠设置在衬底
正面的介质层、第一重掺杂多晶硅层和抗刻蚀层，抗刻蚀层与正面金属电极对应区域上设有第二重掺杂多晶硅层。其中介质层及第一重掺杂多晶硅层是超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构必须的，用以实现表面钝化和载流子选择性收集；第一重掺杂多晶硅层用以提供场钝化效应及载流子收集；抗刻蚀层用于阻挡或减缓碱液刻蚀，实现对第一重掺杂多晶硅层及硅片表面的保护；第二重掺杂多晶硅层用于与金属电极形成良好接触。
41.进一步地，限定叠层结构厚度，介质层厚度小于等于3nm，通过降低厚度减少寄生吸收；第一重掺杂多晶硅层的厚度为2-20nm；抗刻蚀层的厚度为1-10nm，可以阻止碱液刻蚀，实现对第一重掺杂多晶硅层及硅片表面的保护；第二重掺杂多晶硅层厚度为30-300nm，可以阻挡金属浆料的穿透作用，保护下层材料。
42.在一些实施方式中，硅衬底为n型晶体硅，掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子包括但不限于硼，掺杂原子的浓度为1e18-5e20cm-3
。
43.在一些实施方式中，硅衬底为p型晶体硅，掺杂多晶硅层所含n型掺杂原子包括但不限于磷、砷、锑，掺杂原子的浓度为1e19-1e21cm-3
。
44.在一些实施方式中，介质层的材料为氧化硅；第一重掺杂多晶硅层和第二重掺杂多晶硅层的材料为多晶硅、掺杂多晶硅或多晶硅化物，如碳掺杂多晶硅、多晶碳化硅、氮掺杂多晶硅、多晶氮化硅、氧掺杂多晶硅、多晶氧化硅等；抗刻蚀层的材料为耐碱刻蚀的氧化硅或硅化物，其微结构可以是非晶态的也可以是微晶态或纳米晶态的。退火过程中，抗刻蚀层也会产生缺陷，从而形成导电通道，不影响载流子的传输。
45.进一步地，抗刻蚀层内还掺杂有氧、氮、碳中的任意一种或多种。抗刻蚀层经过掺杂改性的，具有较优的导电性，并不显著影响载流子传输。
46.本发明的实施例还提供一种电池正面结构及其制备方法，电池正面结构包括衬底，衬底的正面设有上述的面向选择性接触的叠层结构，叠层结构的第二重掺杂多晶硅层上结合有正面金属电极。
47.结合图1所示，电池正面结构的制备方法包括以下步骤：
48.s0、在硅衬底1上进行低浓度扩散，形成扩散层2，制备轻掺杂pn结；
49.s1、在衬底1正面扩散层2上制备厚度小于等于3nm的介质层3；
50.s2、在介质层3上制备厚度为2-20nm的第一硅化物层；
51.s3、在第一硅化物层上制备厚度为1-10nm的抗刻蚀层5；
52.s4、在抗刻蚀层5上制备厚度为30-300nm的第二硅化物层；
53.s5、高温退火处理，处理温度为800-1000℃，时间为10-90min，使硅化物层薄膜晶化、激活掺杂原子；
54.s6、在需要制备电极区域涂上耐碱材料，形成保护层9；
55.s7、刻蚀，使用强碱性溶液将未保护区域的重掺杂的第二硅化物层刻蚀掉，刻蚀能够在抗刻蚀层5停下来，不会进一步伤害硅衬底1；
56.s8、清洗去除保护层9；
57.s9、在刻蚀后的硅片表面沉积减反层7；
58.s10、在剩余第二硅化物层上制备正面金属电极8，经过烧结退火，正面金属电极8与第二硅化物层形成良好接触，并形成选择性发射极。
59.在一些实施方式中，介质层和抗刻蚀层的制备方法可以选自以下任意一种：湿化
学氧化法、高温氧化法、臭氧氧化法、等离子体辅助氧化法、等离子体辅助原子层沉积法、等离子体反应沉积法等。
60.在一些实施方式中，第一重掺杂多晶硅层和第二重掺杂多晶硅层的制备优先采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)结合原位掺杂法，也可以采用低气压化学气相沉积法(lpcvd)结合原位/二次掺杂法、磁控溅射等其它物理气相沉积法(pvd)结合原位/二次掺杂法制备薄膜前驱体。
61.结合图2所示，其为一种具有上述电池正面结构的晶硅电池，包括衬底1，衬底1正面具有扩散层2，其上依次堆叠设置介质层3、第一重掺杂多晶硅层4和抗刻蚀层5，抗刻蚀层5上部分区域设有第二重掺杂多晶硅层6，第二重掺杂多晶硅层6结合有正面金属电极8，其他区域上设有减反层7；衬底1背面依次堆叠设置背面氧化硅层10、背面掺杂多晶硅层11和背面金属电极12。该晶硅电池的正面和背面都具有超薄氧化硅/重掺杂多晶硅结构，消除了金属电极和晶硅衬底1的接触，同时形成了pn结和选择性发射极。
62.以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。
63.实施例1
64.一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，控制方阻为125-135ω/sq；去除bsg，背面抛光处理；采用pecvd原位氧化法在硅片正背面制备第一层厚度为1.5nm的超薄氧化硅层；之后采用pecvd法在正背面制备厚度为15nm掺硼的第一层非晶硅；在正面制备厚度为3nm的第二层氧化硅层，然后在正背面同时制备厚度为70nm的掺硼非晶硅；进行880℃，30min退火，形成多晶硅；利用丝印技术在正面制备比金属电极实际宽度略宽的耐碱腐蚀保护层，把金属电极将要制备区域保护起来，背面全面积耐碱保护层保护；随后使用koh溶液将未保护区域非晶硅进行选择性刻蚀；刻蚀完成后清洗去除保护层；采用pecvd在表面沉积80nm厚sinx层用于再钝化与减反射；随后在正面局部多晶硅及背面印刷金属电极，并进行金属电极的烧结，形成良好接触。
65.对比例1
66.一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，控制方阻为125-135ω/sq；去除bsg，背面抛光处理；背面制备厚度为1.5nm的超薄氧化硅层；之后采用pecvd法在背面制备75nm掺硼非晶硅，采用80nm氮化硅对表面进行钝化和减反处理，在正面多晶硅及背面印刷与实施例1相同图案的金属电极，并进行金属电极的烧结。
67.对实施例1和对比例1制备的两组样品进行性能测试，测试内容包括：整体钝化效果(j
0,total
)、含多晶硅氧选择性发射极的金属接触区域的钝化效果(j
0,met
)及接触电阻率(ρ
c,met
)、金属接触区的方阻(r
sq
)和钝化效果(j
0,pass
)。测试结果如下表1所示。
68.表1实施例1和对比例1样品的性能测试结果
69.70.实施例1与对比例1数据表明，实施例1采用了叠层选择性发射极结构，将电极接触区的方阻降低到了80-90ω/sq，保证了电极与电池的接触，大幅降低金属电极区域的复合电流密度(j0,met)，从而降低整体复合电流密度(j0,total)，减少复合，提升电池效率。
71.实施例2
72.一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，控制方阻为130-140ω/sq；去除bsg，背面抛光处理；采用pecvd原位氧化法在硅片正背面制备第一层厚度为1.6nm的超薄氧化硅层，之后采用pecvd法在正面制备厚度为18nm掺硼的第一层非晶硅，同样的方法再一次在正面制备厚度为8nm第二层氧化硅层，正背面同时制备厚度为100nm的掺硼非晶硅；进行890℃，30min退火，形成多晶硅；利用丝印技术在正面制备比金属电极实际宽度略宽的耐碱腐蚀保护层，把正面金属电极将要制备区域保护起来，背面全面积耐碱保护层保护，随后使用koh溶液将未保护区域非晶硅进行选择性刻蚀；刻蚀完成后清洗去除保护层；下一步采pecvd在正面沉积75nm厚sinx层用于再钝化与减反射，在正面局部多晶硅及背面印刷金属电极，并烧结。
73.对比例2
74.一种制备n型晶硅电池的方法，包括以下步骤：将n型硅片进行常规的制绒，低浓度硼扩散，控制方阻为100-110ω/sq；去除bsg，背面抛光处理；采用pecvd原位氧化法在硅片背面制备超薄氧化硅层，背面沉积115nm掺磷的非晶硅薄膜；进行890℃，30min退火，形成多晶硅；采用75nm氮化硅对电池正表面进行钝化和减反射处理；在正面多晶硅及背面印刷与实施例2相同图案的金属电极，并进行金属电极的烧结。
75.对实施例2和对比例2制备的两组样品进行电性能测试，测试内容包括：开路电压(voc)、短路电流密度(jsc)、填充因子(ff)、电池转换效率(eff)，测试结果如下表2所示。
76.表2实施例2和对比例2样品的电性能测试结果
[0077][0078][0079]
由数据对比可知，实施例2与对比例2的晶硅电池相比，实施例中电池采用选择性发射极结构，即提升了电池的开路电压(voc)，又提升了短路电流密度(jsc)，同时由于电极接触区的良好接触，又保证了电池高的填充因子(ff)，因此电池转换效率(eff)得到明显提升。
[0080]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。