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CN109802008A - 一种高效低成本n型背结pert双面电池的制造方法 - Google Patents

一种高效低成本n型背结pert双面电池的制造方法 Download PDF

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CN109802008A
CN109802008A CN201910048581.9A CN201910048581A CN109802008A CN 109802008 A CN109802008 A CN 109802008A CN 201910048581 A CN201910048581 A CN 201910048581A CN 109802008 A CN109802008 A CN 109802008A
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丁建宁
李云鹏
袁宁一
程广贵
叶枫
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Jiangsu University
Changzhou University
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Jiangsu University
Changzhou University
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Abstract

本发明属于太阳能电池制造领域，具体涉及一种高效低成本N型背结PERT(Rear junction passivation emitter and rear totally diffused cell)双面电池的制造方法。利用特殊的扩散工艺省去了传统太阳能电池制造中的去PSG和去BSG工序，同时兼有氧化硅钝化的作用。利用特殊的氮化硅工艺和化学刻蚀工艺，可以精确可控的去除边缘绕镀和绕扩，解决边缘漏电问题。利用特殊的可烧穿型铝浆，实现自对准功能，省去了激光开槽工序。本方法全部工序步骤只需7步，极大简化了制造流程，节省制造成本。

Description

一种高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制造领域，具体涉及一种高效低成本N型背结PERT(Rearjunction passivated emitter and rear totally diffused cell)双面太阳能电池的制造方法。
背景技术
太阳能发电技术是新能源发展的一个重要领域，提高太阳电池光电转化效率的同时需要兼顾制造成本和工艺可控性。N型电池由于无B-O复合导致的LeTID(光热诱导衰减)现象、低温度系数、少子寿命高等一系列优点成为新一代太阳能电池技术的重要发展方向。成熟的N型电池有N-PERT、N-PERL、N-Topcon、N-IBC和HIT等。出于效率和成本的综合考虑，目前太阳能行业工业化生产的主流N型电池为N-PERT(Passivated emitter and reartotally diffused cell)电池结构，该结构从上到下依次为：银铝电极、钝化层、P+层、N型基底、N+层、钝化膜、银电极，结构如说明书附图1(a)所示。该结构的制作流程为：抛光、磷扩、去PSG、背镀膜、制绒、硼扩、去BSG、正镀膜、丝网&烧结，共9道工序。然而，由于该结构正面和背面都使用银浆作为电极材料，使得制造成本相比P型PERC高出很多。另外，就金属下的复合来说，银浆接触区的暗电流密度达到1500-2000fA/cm2以上，极大的限制了电池效率的进一步提升，该结构稳定量产效率在21.5％左右。
为了降低成本和进一步提升电池转换效率，背结N-PERT电池是一个很好的选择，该结构从上到下依次为：银电极、钝化层、N+层、N型基底、P+层、钝化膜、Al电极，如说明书附图1(b)。该结构将PN结置于电池背面，正面为N+层，因此该结构可以在背面使用铝浆代替银浆作为电极材料，极大的降低了电极材料成本。另外，铝与硅材料形成的Al-BSF复合速率要比银-硅接触小的多，Al-BSF的J0大约为600fA/cm2左右，相比于银硅接触降低了一半，因此在电池光电转换效率方面有更大的潜力。
常规N-PERT电池或者背结N-PERT电池经过P扩和B扩后都需要进行去磷硅玻璃(PSG remove)和硼硅玻璃(BSG remove)工序，为氮化硅与硅接触提供良好的钝化界面。如不去除，一方面不能形成良好的钝化界面，另一方面PSG或BSG中残留的磷或硼在后道高温时继续扩散进硅表面，使得表面浓度升高，复合变大，如CN105097961A、CN204067396U。另外，背结N-PERT电池与P-PERC电池结构很像，背面为了形成接触需利用激光或化学刻蚀等方法去除局部钝化层，形成Al浆与硅接触的通道。这需要丝网印刷的铝栅与开膜精确对准，因此对丝网设备的要求很高，而且需要一道开膜工序，如CN205385035U、CN108231917A。
发明内容
本发明利用特殊的扩散工艺省去了传统太阳能电池制造中的去PSG和去BSG工序，同时兼有氧化硅钝化的作用。利用特殊的氮化硅工艺和化学刻蚀工艺，可以精确可控的去除边缘绕镀和绕扩，解决边缘漏电问题。利用特殊的可烧穿型铝浆，实现自对准功能，省去了激光开槽工序。本方法全部工序步骤只需7步，极大简化了制造流程，节省制造成本。工艺流程如说明书附图2所示。
本发明N型背结PERT双面太阳能电池的具体制造方法步骤如下：
(1)抛光
采用N型硅片，硅片厚度120-250um，电阻率范围0.5-10ohm.cm；
使用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液对N型硅片进行抛光刻蚀，此步骤可以去除硅表面的机械损伤层及形成平整的表面，有利于钝化。
其中，TMAH溶液的体积浓度15-25％，溶液温度50-80℃，刻蚀时间200-400s，刻蚀重量0.4-1.0g，所形成的硅(100)晶面方块大小20-30um。
采用TMAH溶液抛光的好处在于它是有机碱，无金属残留而且刻蚀速度快，效果比KOH好。
(2)硼扩散
所用硼源为BBr3，通过N2作为载气通入炉中。
扩散时先通入大流量氧气在硅表面形成氧化阻挡层，具体为：扩散时先通入2-5L/min氧气，温度780-850℃，在硅表面形成氧化阻挡层，氧化层厚度8-10nm；
然后通过分段通源+推进的方式进行扩散掺杂，具体的实施方案是沉积过程分为3次通源推进，首先810-820℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；然后升高到830-840℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；再升高到850-860℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；高温推进为：温度升到920℃，N2气氛下保温推进15min。BSG中的硼原子残留少到与硅表面的含量相当，通过分步扩散的方式BSG中的B源被最大限度的扩散到了硅片，同时减小通源流量，最大限度的减少BSG中残留的B源，在没有浓度梯度的情况下，后面P扩高温过程将不会对P+面的掺杂曲线有影响，同时耗尽硼原子的BSG起到了氧化硅钝化的效果，比纯SiNx钝化效果好。因此可以省略去BSG步骤。
扩散后方阻80-120ohm/sq，扩散浓度2E19-7E19cm-3,掺杂深度0.8-1.0um,BSG厚度50-60nm。
(3)背面氮化硅镀膜
使用PECVD设备进行背面氮化硅镀膜，氮化硅起到保护BSG及加强钝化的作用。由于背面界面已有一层50-60nm厚BSG，因此该层氮化硅的厚度不需要太厚，膜厚范围30-50nm，太薄起不到保护和钝化作用，太厚会使得背面反射率变大，损失背面效率。该层氮化硅折射率2.0-2.2。
(4)制绒
使用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行制绒，在制绒之前先将电池在溶液0.5％浓度的HF溶液中刻蚀300-700s，将硼扩和氮化硅步骤绕扩和绕镀到正面的BSG和SiNx去除，然后进行制绒，形成3-6um大小的金字塔结构。TMAH溶液的体积浓度5％-10％，溶液温度50-80℃，刻蚀时间10-15min,刻蚀重量0.2-0.4g。
在TMAH溶液制绒前进行HF溶液腐蚀，HF腐蚀将边缘和正面绕扩BSG和绕镀SiNx去除，接下来TMAH将正面和边缘刻蚀，解决边缘漏电问题。效果较好。
(5)磷扩散
所用P源为POCl3，通过氮气携带进入炉管，扩散时先通入大流量氧气在硅表面形成氧化阻挡层；然后通过两步磷源沉积。通过控制氧气流量、温度和沉积时间，控制氧化层厚度、表面浓度和结深。具体为：扩散时先在700-800℃温度下通入2-5L/min氧气在硅表面形成氧化阻挡层，然后进行两步磷源沉积，第一步沉积温度730-750℃，时间10-15min，第二步沉积温度760-780℃，时间10-15min；
磷扩后PSG厚度约10-20nm，表面浓度8E19-2E20cm-3，结深0.2-0.4um，扩散方阻90-200ohm/sq。PSG最优厚度为8-10nm。通过第(6)步正面氮化硅匹配，磷扩散后PSG不去除，钝化效果与去PSG后相当。
(6)正面氮化硅镀膜
使用PECVD设备进行正面氮化硅镀膜。由于正面界面已有一层8-10nm厚PSG，因此该层氮化硅的厚度不需要太厚，膜厚范围60-70nm，该层氮化硅折射率2.0-2.2。
(7)丝网印刷
正面采用Heraeus photovoltaic公司银浆，浆料型号9642B或9641H。背面采用TOYO ALUMINIUM K.K.生产铝浆，浆料型号06E2-B，TB-07EY。所用铝浆为烧穿型铝浆，即不需要经过背面开膜就能与硅基形成良好的欧姆接触。背面设计为印刷铝线，以实现双面电池设计，印刷烘干后，电池进入带式烧结炉共烧，形成最终成品电池，烘干温度200-300℃，烘干时间10-40s；烧结峰值温度760-830℃，烧结峰值时间1-2s。
有益效果
(1)本发明背面(P+)无氧化铝膜，而是采用BSG钝化，节省了制造成本。
(2)本发明背面采用铝线印刷方式完成背面电极，比使用银铝电极节约成本，另外有双面发电的功能。(3)本发明无需激光开孔，节省制造成本。(4)本发明全部工艺只需7步，工艺简单。
附图说明
图1a为N-PERT电池结构；b为背结N-PERT电池结构。
图2为本发明制备背结N-PERT电池工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
(1)抛光。采用N型硅片，硅片厚度160-170um，电阻率范围3-5ohm.cm。使用TMAH溶液对N型硅片进行抛光。TMAH的体积浓度20％，溶液温度80℃，刻蚀时间300s，刻蚀重量0.4g，所形成的硅(100)晶面方块大小25um。
(2)硼扩散。所用硼源为BBr3，扩散后方阻85-90ohm/sq，扩散浓度4E19cm-3,掺杂深度0.8um,BSG厚度50-55nm。具体的实施方案是沉积过程分为3次通源推进，首先在820℃通硼源5min,关闭硼源，N2气氛下10min；然后升高到840℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；再升高到860℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；最后一步通源后进行高温推进，温度升到920℃，N2气氛下保温15min。
(3)背面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行背面氮化硅镀膜，氮化硅膜厚30nm，折射率2.05。
(4)制绒。使用TMAH进行制绒，在制绒之前先将电池在0.5％浓度的HF溶液中刻蚀300s，将硼扩和氮化硅步骤绕扩和绕镀到正面的BSG和SiNx去除，然后进行制绒，形成4.5-5um大小的金字塔结构。TMAH浓度6％，溶液温度70℃，刻蚀时间10-15min,刻蚀重量0.3g。
(5)磷扩散。所用P源为POCl3，磷扩后PSG厚度约15nm,表面浓度1E20cm-3，结深0.3um，扩散方阻120ohm/sq。PSG厚度为8-10nm。具体的实施方案是沉积过程先生长氧化层，然后分为3次通源，首先在750℃条件下通2slm氧气10min，然后在750℃通磷源8min,关闭磷源；然后升高到780℃通磷源15min,关闭磷源，N2气氛下温度升至800℃推进15min。
(6)正面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行正面氮化硅镀膜。膜厚范围65nm，该层氮化硅折射率2.1。
(7)丝网印刷。正面采用Heraeus photovoltaic银浆，浆料型号9642B。背面采用TOYO ALUMINIUM K.K.生产铝浆，浆料型号06E2-B。所用铝浆为烧穿型铝浆，即不需要经过背面开膜就能与硅基形成良好的欧姆接触。背面设计为印刷铝线，以实现双面电池设计，印刷烘干后，电池进入带式烧结炉共烧，烧结峰值温度740-780℃，形成最终成品电池。
按此工艺所生产的电池平均转化效率21.4％，良率98.5％。
实施例2
(1)抛光。采用N型硅片，硅片厚度160-170um，电阻率范围3-5ohm.cm。使用TMAH溶液对N型硅片进行抛光。TMAH的体积浓度20％,溶液温度80℃，刻蚀时间300s，刻蚀重量0.4g，所形成的硅(100)晶面方块大小25um。
(2)硼扩散。所用硼源为BBr3，扩散后方阻95-100ohm/sq,表面浓度2E19cm-3，掺杂深度0.8um，BSG厚度50-55nm。具体的实施方案是沉积过程分为3次通源推进，首先在810℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；然后升高到830℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；再升高到850℃通硼源5min,关闭硼源，N2气氛下10min；最后一步通源后进行高温推进，温度升到920℃N2气氛下保温15min。
(3)背面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行背面氮化硅镀膜，氮化硅膜厚30nm，折射率2.05。
(4)制绒。使用TMAH进行制绒，在制绒之前先将电池在0.5％浓度的HF溶液中刻蚀300s，将硼扩和氮化硅步骤绕扩和绕镀到正面的BSG和SiNx去除，然后进行制绒，形成4.5-5um大小的金字塔结构。TMAH浓度6％，溶液温度70℃，刻蚀时间10-15min，刻蚀重量0.3g。
(5)磷扩散。所用P源为POCl3，磷扩后PSG厚度约15nm,表面浓度1E20cm-3，结深0.3um，扩散方阻120ohm/sq。PSG厚度为8-10nm。具体的实施方案是沉积过程先生长氧化层，然后分为3次通源，首先在750℃条件下通2slm氧气10min，然后在750℃通磷源8min，关闭磷源；然后升高到780℃通磷源15min,关闭磷源，N2气氛下温度升至800℃推进15min。
(6)正面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行正面氮化硅镀膜。膜厚范围65nm，该层氮化硅折射率2.1。
(7)丝网印刷。正面采用Heraeus photovoltaic银浆，浆料型号9642B。背面采用TOYO ALUMINIUM K.K.生产铝浆，浆料型号06E2-B。所用铝浆为烧穿型铝浆，即不需要经过背面开膜就能与硅基形成良好的欧姆接触。背面设计为印刷铝线，以实现双面电池设计，印刷烘干后，电池进入带式烧结炉共烧，烧结峰值温度740-780℃，形成最终成品电池。
按此工艺所生产的电池平均转化效率21.5％，良率98.3％。
实施例3
(1)抛光。采用N型硅片，硅片厚度160-170um，电阻率范围3-5ohm.cm。使用TMAH溶液对N型硅片进行抛光。TMAH的体积浓度20％,溶液温度80℃，刻蚀时间300s,刻蚀重量0.4g，所形成的硅(100)晶面方块大小25um。
(2)硼扩散。所用硼源为BBr3，扩散后方阻85-90ohm/sq,扩散浓度4E19cm-3,掺杂深度0.8um,BSG厚度50-55nm。具体的实施方案是沉积过程分为3次通源推进，首先在820℃通硼源5min,关闭硼源，N2气氛下10min；然后升高到840℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；再升高到860℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下10min；最后一步通源后进行高温推进，温度升到920℃，N2气氛下保温15min。
(3)背面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行背面氮化硅镀膜，氮化硅膜厚30nm,折射率2.05。
(4)制绒。使用TMAH进行制绒，在制绒之前先将电池在0.5％浓度的HF溶液中刻蚀300s，将硼扩和氮化硅步骤绕扩和绕镀到正面的BSG和SiNx去除，然后进行制绒，形成4.5-5um大小的金字塔结构。TMA浓度6％，溶液温度70℃，刻蚀时间10-15min,刻蚀重量0.3g。
(5)磷扩散。所用P源为POCl3，磷扩后PSG厚度约15nm,表面浓度9E19cm-3，结深0.2um，扩散方阻140ohm/sq。PSG厚度为8-10nm。具体的实施方案是沉积过程先生长氧化层，然后分为2次通源，首先在750℃条件下通2slm氧气10min，然后在730℃通磷源8min,关闭磷源；然后升高到760℃通磷源12min,关闭磷源，N2气氛下温度升至800℃推进15min。
(6)正面氮化硅镀膜。使用PECVD设备进行正面氮化硅镀膜。膜厚范围65nm，该层氮化硅折射率2.1。
(7)丝网印刷。正面采用Heraeus photovoltaic银浆，浆料型号9642B。背面采用TOYO ALUMINIUM K.K.生产铝浆，浆料型号06E2-B。所用铝浆为烧穿型铝浆，即不需要经过背面开膜就能与硅基形成良好的欧姆接触。背面设计为印刷铝线，以实现双面电池设计，印刷烘干后，电池进入带式烧结炉共烧，烧结峰值温度740-780℃，形成最终成品电池。
按此工艺所生产的电池平均转化效率21.6％，良率98.5％。
对比实施例1
步骤(1)中抛光若采用KOH抛光，在达到同样刻蚀量和形貌要求的情况下，电池效率比用TMAH抛光低0.2％,且电池片外观有轻微药液残留痕迹。
对比实施例2
步骤(4)中制绒若采用KOH代替TMAH，在达到同样刻蚀量和形貌要求的情况下，电池效率比用TMAH抛光低0.1％,且工艺时间比用TMAH长20％。
对比实施例3
步骤(7)中如采用市场上常规铝浆，如儒兴TB-E2，在没有激光开槽的工序条件下，EL不良比例100％，效率只有7.5％，使用特殊的可烧穿型铝浆，EL不良比例0.5％，效率21.5％。

Claims (8)

1.一种高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：所述制造方法具体步骤如下：
(1)抛光刻蚀
采用N型硅片，硅片厚度120-250um，电阻率范围0.5-10ohm.cm；采用TMAH溶液对N型硅片进行抛光；其中，TMAH溶液的体积浓度15-25％，溶液温度50-80℃，抛光刻蚀时间200-400s，抛光刻蚀重量0.4-1.0g，所形成的硅(100)晶面方块大小20-30um；
(2)硼扩散
所用硼源为BBr3，通过N2作为载气通入炉中；扩散时先通入大流量氧气在硅表面形成氧化阻挡层，然后通过分段通源+推进的方式进行扩散掺杂；最后一步通源后进行高温推进；
(3)背面氮化硅镀膜
使用PECVD设备进行背面氮化硅镀膜，氮化硅的膜厚范围30-50nm，该层氮化硅折射率2.0-2.2；
(4)制绒
使用TMAH溶液进行制绒，在制绒之前先将电池在体积浓度0.5％的HF溶液中刻蚀300-700s，然后进行制绒，形成3-6um大小的金字塔结构；其中，TMAH溶液的体积浓度5％-10％，溶液温度50-80℃，制绒时间10-15min，制绒减重0.2-0.4g；
(5)磷扩散
所用P源为POCl3，通过氮气携带进入炉管，扩散时先通入大流量氧气在硅表面形成氧化阻挡层，然后通过两步磷源沉积；
(6)正面氮化硅镀膜
使用PECVD设备进行正面氮化硅镀膜，氮化硅的膜厚范围60-70nm，该层氮化硅折射率2.0-2.2；
(7)丝网印刷
正面采用浆料型号为9642B或9641H的银浆；背面采用浆料型号为06E2-B或TB-07EY的铝浆；背面设计为印刷铝线，以实现双面电池设计，印刷烘干后，电池进入带式烧结炉共烧，形成最终成品电池。
2.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：步骤(2)所述硼扩散：扩散时先通入2-5L/min氧气，温度780-850℃，在硅表面形成氧化阻挡层，氧化层厚度8-10nm。
3.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：步骤(2)中所述分段通源+推进的方式进行扩散掺杂的具体方法为：沉积过程分为3次通源推进，首先在810-820℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；然后升高到830-840℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；再升高到850-860℃通硼源5min，关闭硼源，N2气氛下推进10min；高温推进为：温度升到920℃，N2气氛下保温推进15min。
4.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：步骤(2)中硼扩散后方阻80-120ohm/sq，扩散浓度2E19-7E19cm-3，掺杂深度0.8-1.0um，BSG厚度50-60nm。
5.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：步骤(5)中所述磷扩散：扩散时先在700-800℃温度下通入2-5L/min氧气在硅表面形成氧化阻挡层，然后进行两步磷源沉积，第一步沉积温度730-750℃，时间10-15min，第二步沉积温度760-780℃，时间10-15min。
6.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：磷扩后PSG厚度为10-20nm，表面浓度8E19-2E20cm-3，结深0.2-0.4um，扩散方阻90-200ohm/sq。
7.如权利要求6所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：磷扩后PSG厚度为8-10nm。
8.如权利要求1所述的高效低成本N型背结PERT双面电池的制造方法，其特征在于：步骤(7)中丝网印刷所用铝浆为烧穿型铝浆；印刷铝线金属化比例4-10％；烘干温度200-300℃，烘干时间10-40s；烧结峰值温度760-830℃，烧结峰值时间1-2s。
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