一种晶硅太阳能电池电场辅助烧结的方法与流程

本发明涉及太阳能电池，具体涉及一种晶硅太阳能电池电场辅助烧结的方法。

背景技术：

1、当前，商业化的晶硅太阳能电池的主要金属化方式为：先丝网印刷金属栅线，再进行高温烧结；高温烧结后，金属栅线与硅形成接触，实现光生载流子的收集与输出。然而，采用烧结炉进行高温烧结(如cn112670370a提供的一种太阳能电池片的烧结方法所示)存在诸多的不足：1)能耗高；烧结炉需要持续的热能将峰值烧结温度维持在800～950℃；而峰值烧结温度越高，能耗越高。2)导致非金属接触区域的性能降低；例如，电池片通过金属履带传输进入烧结炉后，电池片的金属接触区域和非金属接触区域都会经过高温，而非金属接触区域的钝化膜(如氧化铝、氮化硅等)在经过高温时会有部分的氢流失，甚至出现钝化膜结晶现象，导致非金属接触区域的钝化性能降低；因而，峰值烧结温度越高，氢的流失越多，钝化膜的结晶现象越严重。3)导致氢致衰减；一部分钝化膜中的氢会被高温趋入到硅片中，氢在硅中的扩散系数随着温度呈现指数增长的趋势，这部分的氢与硅中的硼或磷掺杂原子形成能导致氢致衰减的前驱体，在光热过程中这些前驱体会转化成诱发衰减的缺陷，进而导致电池片性能衰减；因而，峰值烧结温度越高，氢往硅中扩散的越多且越深入衬底内部，氢致衰减的现象越严重。4)需要平衡电池片前后表面的最佳烧结温度；电池片前后表面的掺杂类型及曲线均不一样，导致电池片这两面对应的最佳烧结温度也不一样，然而电池片在烧结炉中是通过一次烧结来同时完成这两面的金属化，故而烧结温度需要权衡考虑前后表面，进而无法使这两面分别达到最佳的烧结温度；因而，如果电池片一侧的峰值烧结温度越高，从平衡角度考虑，另一侧的烧结需要做出的牺牲就越大。

2、当前，最常见的晶硅太阳能电池为p型perc电池，其前表面发射极丝网印刷银栅线后，高温烧结过程中银栅线与硅形成欧姆接触大体可以分为三个阶段：1.银浆料中的银粉与空气中的氧反应，失去电子变成银离子；2.银离子在银浆料熔融的玻璃材料中流动到达硅的接触界面；3.银离子与硅发生反应，“夺取”硅中的电子，还原成银颗粒并附着在硅的表面，而硅失去电子被氧化形成氧化硅玻璃。而得益于高效率、零光致衰减、低letid衰减、低温度系数及良好的弱光响应等优点，n型电池(如pert、topcon、ibc、hjt等)市场规模逐渐增加，预计将在5年内超过p型电池。

3、n型电池由于电池结构及掺杂曲线均与p型电池存在显著的不同，以n型电池中市场占比最高的n型双面topcon电池为例来做进一步的说明。n型双面topcon电池的前表面为硼掺杂发射极，其多数载流子为空穴而非电子，故而，在相同的烧结温度和烧结时间下，在上述步骤3中银离子难以在前表面获取足够的电子发生还原反应形成银颗粒，导致接触电阻过大，因而需要更高的烧结温度和更长的烧结时间来形成良好的欧姆接触；而n型双面topcon电池的后表面为磷重掺杂多晶硅层和隧穿氧化层，磷重掺杂多晶硅层中富含电子，在上述步骤3中银离子很容易在后表面快速获取大量的电子形成银颗粒，烧结的温度和时间相比于前表面大幅度缩短，后表面峰值烧结温度可比前表面低至少100℃。如果按照后表面最佳烧结的温度和时间条件进行烧结，前表面由于温度不够和时间过短无法形成良好的接触；而如果按照前表面最佳烧结的温度和时间条件进行烧结，后表面由于温度过高和时间过长，银颗粒会持续的形成从而“腐蚀”硅片，导致金属接触区域的复合显著增加。因此，对于n型电池(如n型双面topcon电池)而言，在相同的烧结温度和烧结时间下，前后表面的金属栅线(如银栅线)难以同时达到最佳烧结条件的弊端会更加显著。

4、现有技术中，如公开的一种常用的解决硼掺杂发射极烧结的方法是：往银浆中添加1～5％的铝粉合成银铝浆，利用铝-硅会形成固溶体的特点来提高接触性能，同时降低烧结温度。然而，银铝浆中的铝与硅在烧结中形成固溶体的过程中，铝会在硅中形成或大或小的“穿刺”，这些铝金属“穿刺”又会引发其他一系列的新问题；而且，如cn114639754a所示，即便n-topcon电池采用银铝浆来形成前表面的金属栅线，其前后表面的金属栅线的烧结条件仍然存在不匹配的问题，故而在相同的烧结温度和烧结时间下，其前后表面的金属栅线也仍然难以同时达到最佳烧结条件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种晶硅太阳能电池电场辅助烧结的方法。

2、基于此，本发明公开了一种晶硅太阳能电池电场辅助烧结的方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、预先准备n型晶硅太阳能电池；

4、其中，所述n型晶硅太阳能电池的前表面和后表面均设有图案化的金属栅线；

5、步骤s2、对n型晶硅太阳能电池的前表面和后表面均进行加热处理，并在n型晶硅太阳能电池上施加外部电场，以进行电场辅助烧结；

6、其中，所述外部电场的电场方向与n型晶硅太阳能电池的内建电场的电场方向相反；所述外部电场的峰值强度为0.15～50kv/cm；

7、其中，在所述加热处理过程中，当n型晶硅太阳能电池的自身温度达到阈值温度t2时，施加所述外部电场；阈值温度t2为450～600℃。

8、优选地，步骤s2中，所述电场辅助烧结，包括依次进行的如下步骤：

9、步骤s21、先升温，对n型晶硅太阳能电池进行烘干处理，以使制备前表面和后表面的金属栅线所用的材料中的有机物挥发；

10、步骤s22、继续升温，以在n型晶硅太阳能电池的自身温度达到阈值温度t2时，施加所述外部电场；

11、步骤s23、再升温至峰值烧结温度t3，对前表面和后表面的金属栅线进行烧结，以使前表面和后表面的金属栅线分别与n型晶硅太阳能电池的硅片的前表面和后表面形成欧姆接触。

12、其中，外部电场需要在n型晶硅太阳能电池的自身温度达到阈值温度t2时方能施加，这是因为：若过早施加外部电场，此时，由于温度没有达到阈值温度t2，所以制备金属栅线所用的浆料(如银浆料)中的玻璃粉体尚未开始熔融，故而，在温度没有达到阈值温度t2之前，即便施加外部电场，也不会起到加速银离子从玻璃体系中流动至硅片表面的作用，反而会造成浪费；而若过晚施加外部电场，则尤其是降低前表面的烧结温度和烧结时间的效果不明显，且接触电阻率的降低效果也不明显。

13、进一步优选地，所述阈值温度t2为500～550℃。

14、进一步优选地，步骤s21中，烘干温度t1为300～400℃；步骤s23中，峰值烧结温度t3为700～800℃。

15、更进一步优选地，步骤s23中，所述峰值烧结温度t3为740～780℃。

16、优选地，所述n型晶硅太阳能电池的内建电场的电场方向为从n指向p；所述外部电场的电场方向为从p指向n。

17、优选地，步骤s2中，采用电场发生器来施加所述外部电场，采用加热装置进行所述加热处理，且所述n型晶硅太阳能电池的前表面和后表面均设有所述电场发生器及加热装置。

18、进一步优选地，位于所述n型晶硅太阳能电池同一表面的电场发生器与加热装置左右交替排布；

19、或者，位于n型晶硅太阳能电池同一表面的电场发生器与加热装置上下排布，且电场发生器与加热装置均覆盖整个n型晶硅太阳能电池的前表面或后表面。

20、优选地，步骤s2中，所述外部电场为非接触式的电场，外部电场的类型为匀强电场、交变电场或脉冲电场；

21、步骤s2中，在烧结炉内设置电热丝、红外灯管或氙灯进行所述加热处理。

22、进一步优选地，步骤s2中，采用红外灯管进行所述加热处理。

23、优选地，步骤s1中，所述金属栅线的制备方法为丝网印刷、喷涂打印、旋转印刷、激光转印、带掩膜的物理气相沉积沉积中的至少一种。

24、优选地，步骤s1中，制备所述金属栅线所用的材料为如银浆、铝浆、银铝浆或铜浆的金属浆料，或者为如银、铝、铜、钛、钯的纯金属材料；更优选为金属浆料。

25、通常，高温烧结过程中金属栅线与硅片表面形成欧姆接触大体可以分为三个阶段：1.金属栅线所用的浆料(如银浆料)中的银粉与空气中的氧反应，失去电子变成银离子；2.银离子在该浆料熔融的玻璃体系中流动到达硅片表面；3.银离子与硅片表面发生反应，“夺取”硅中的电子还原成银颗粒附着在硅片表面来形成欧姆接触，硅失去电子被氧化形成氧化硅玻璃。

26、银离子在硅片表面的还原反应需要“夺取”大量的电子。对于n型电池的前表面的硼掺杂发射极而言，由于电子的缺乏导致烧结过程需要更高的烧结温度和更长的烧结时间；而对于n型电池后表面而言，由于后表面为磷掺杂背场层(n-pert)或者磷掺杂多晶硅层(n-topcon)，以n型n-topcon电池的磷掺杂多晶硅层为例，其多数载流子为电子且为重掺杂，相对需要较低的温度和较短的时间就能形成良好的接触；故而导致前后表面最佳烧结温度相差达100℃。

27、基于此，本发明上述提供的一种晶硅太阳能电池电场辅助烧结的方法，为一种低温烧结的方法，其在加热处理前表面金属栅线和后表面金属栅线进行烧结的同时，还对n型晶硅太阳能电池施加一个电场方向与n型晶硅太阳能电池的内建电场方向相反的外部电场，以削弱内建电场的强度，让n型晶体硅衬底中的电子注入至硼掺杂发射极中，解决硼掺杂发射极中电子缺乏的问题；并且，在该外部电场的作用下，前表面的金属离子(如银离子)会受到库仑力的作用而沿着该外部电场的方向加速移动至硼掺杂发射极表面。故而，该方法可以显著降低前表面金属栅线所需的峰值烧结温度和烧结时间，有利于降低能耗、减少对非金属接触区域钝化性能的损伤和降低氢致衰减，并能降低金属栅线-硼掺杂发射极表面的接触电阻率。而对于n型晶硅太阳能电池的后表面而言，在烧结的同时，施加外部电场，会在一定程度上抑制后表面的银离子朝向硅片表面移动，且会促使磷掺杂多晶硅层中的电子注入到n型衬底中，降低磷掺杂多晶硅层中的电子浓度，在一定程度上减缓银颗粒在硅片表面的形成。

28、因此，本发明的方法降低n型晶硅太阳能电池(尤其是n型晶硅太阳能电池的前表面)烧结所需的峰值烧结温度，有利于降低能耗、减少对非金属接触区域钝化性能的损伤和降低氢致衰减；而且，该方法还能让n型晶硅太阳能电池的前后表面的峰值烧结温度和烧结时间趋向一致，能有效解决现有n型晶硅太阳能电池前后表面烧结条件不匹配的问题，使n型晶硅太阳能电池即便在相同的烧结温度和烧结时间下，前后表面的金属栅线均能基本达到最佳烧结条件，进而能降低金属栅线-硅片表面的接触电阻率。

29、与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

30、本发明的电场辅助烧结的方法的技术优点为：1)在加热烧结的同时，还对n型晶硅太阳能电池施加一个电场方向与n型晶硅太阳能电池的内建电场方向相反的外部电场，使前表面的金属离子(如银离子)受到库仑力的作用而沿着该外部电场的方向加速移动至硅片表面(如硼掺杂发射极表面)，故而能缩短工艺时间；2)对于n型晶硅太阳能电池而言，外部电场还削弱了该电池的内建电场强度，促使n型晶体硅衬底中的大量电子注入硼掺杂发射极，有利于降低烧结的温度和时间，扩宽工艺的窗口；3)n型晶体硅衬底中的大量电子的注入，有利于更多的银颗粒在硅片表面形成，有利于金属栅线-硅片表面(如硼掺杂发射极表面)的接触电阻率的降低；4)有利于降低能耗、减少对非金属接触区域钝化性能的损伤和降低氢致衰减；5)能让n型晶硅太阳能电池的前后表面的峰值烧结温度和烧结时间趋向一致，能有效解决现有n型晶硅太阳能电池前后表面烧结条件不匹配的问题，使n型晶硅太阳能电池即便在相同的烧结温度和烧结时间下，前后表面的金属栅线均能基本达到最佳烧结条件，进而能降低金属栅线-硅片表面的接触电阻率，进一步促进了n型晶硅太阳能电池的产业化进程；6)有利于降低处理所需要的时间，提高产能。