一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法及其制得的電池與流程

本發明屬于太陽能電池領域，涉及一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法及其制得的電池，尤其涉及一種通過調整背面局部開口尺寸與沉積摻雜漿料的尺寸來制備局部摻雜晶體硅太陽能電池的方法及所述方法制備得到局部摻雜晶體硅太陽能電池。

背景技術：

隨著科技的發展，出現了局部背接觸背鈍化(PERC)太陽能電池，這是新開發出來的一種高效太陽能電池，得到了業界的廣泛關注。其核心是在硅片的背光面用氧化鋁或者氧化硅薄膜(5～100納米)覆蓋，以起到鈍化表面，提高長波響應的作用，從而提升電池的轉換效率。

現有的PERC太陽能電池結構主要包括具有PN結的硅片層，以及依次設于硅片層背面的鈍化層、氮化硅薄膜層和鋁金屬層，如CN 104882498A、CN 106057920A和CN 105470349A中均公開了一種PERC太陽能電池。所述PERC太陽能電池的制備方法主要包括如下步驟：制絨、擴散、背拋光、刻蝕和去雜質玻璃、背面沉積鈍化層(如氧化鋁、氧化硅薄膜或氮化硅)、正面沉積氮化硅減反射層、背面局部開口、絲網印刷背面銀漿料、絲網印刷背面鋁漿料、絲網印刷正面銀漿料和燒結，通過所述方法制得的太陽能電池的結構如圖1所示。

從圖3中可以看出，通過鋁原子在硅中的替位摻雜，在硅片背部局部形成了P/P⁺的結構，但由于鋁原子在硅中固溶度限制，P⁺濃度峰值僅能達到3×10¹⁸cm^-3，其限制了太陽能電池的電池轉換效率。

為了得到更高的電池轉換效率，新南威爾士州立大學提出了PERL結構，其特點是用在硅中有高固溶度的硼原子替代鋁形成摻雜，其摻雜濃度可以達到1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3。由于P⁺濃度提高，局部有更強的背表面場鈍化，可得到更高的開路電壓和填充因子。

CN 103996746A和CN 104638033A均公開了一種PERL太陽能電池及其制備方法，PERL結構如圖6所示，可以看出在高溫或激光處理過程中硼向硅片內部擴散，在鈍化膜的開口處形成P⁺區，由于P⁺區硼濃度遠高于P型硅片的硼濃度，產生化學位差，形成局部硼背場，進而提升太陽能電池的電池轉換效率。

現有PERL太陽能電池的制備方法主要為：制絨、擴散、背刻蝕、背面沉積鈍化層(如氧化鋁、氧化硅薄膜或氮化硅)、正面沉積氮化硅減反射層、絲網印刷硼漿、背面激光同時完成開膜與摻硼、絲網印刷背面銀漿料、絲網印刷背面鋁漿料、絲網印刷正面銀漿料和燒結。該所述PERL的制備方法的特點是：激光摻雜區域尺寸在25μm～60μm，且小于沉積硼漿的尺寸。

上述PERL的制備方法的存在的缺點是：其摻雜深度只有6μm～8μm。當鋁漿燒結時，在很小的尺寸內，由于硅和鋁的劇烈反應，鋁會盡可能深地鉆入硅片內部，多達20μm，遠遠深于硼摻雜的深度。因此，大部分硼被稀釋留在了硅鋁合金中，少量留在硅中，硅中的硼含量只有10¹⁸cm^-3，形成的硼鋁背場強度只比PERC略有增加，效率提升一般在0.1％以內，其同樣無法有效提高太陽能電池的電池轉換效率。

技術實現要素：

針對現有PERC太陽能電池存在的摻雜濃度低導致的太陽能電池的電池性能無法進一步提升的問題，以及現有PERL太陽能電池中形成的硼鋁背場強度有限，無法有效提高太陽能電池的電池轉換效率且制備工藝繁瑣，成本高，不利于工業化生產等問題，本發明提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法及其制得的電池。本發明通過調整背面局部開口尺寸與沉積摻雜漿料的尺寸，可顯著增加電池背表面場強度，減少局部區域復合速率，進而大幅度提高開路電壓和填充因子，最終大幅度提升電池的轉換效率。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)在晶體硅片背面沉積鈍化層；

(2)在鈍化層上局部開口；

(3)在局部開口處沉積摻雜漿料；

(4)在背面摻雜；

任選地，(5)背面沉積第一金屬漿料；

其中，步驟(2)中局部開口尺寸小于步驟(3)中沉積摻雜漿料的尺寸。

第二方面，本發明提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(A)在晶體硅片背面沉積鈍化層；

(B)在鈍化層上沉積摻雜漿料；

(C)在背面局部開口，同時進行摻雜；

任選地，(D)背面沉積第一金屬漿料；

其中，步驟(C)中局部開口的尺寸小于步驟(B)中沉積摻雜漿料的尺寸。

上述兩種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法均在于調整背面局部開口尺寸與沉積摻雜漿料的尺寸，本發明所述沉積摻雜漿料的尺寸為110μm～300μm，其與硅片厚度接近，在燒結時硅和鋁的劇烈反應使得鋁更多地沿著寬度方向進入硅體內，深度不超過4μm，低于摻雜漿料中元素的摻雜深度。因此，大部分摻雜漿料中的元素留在硅中，進而使硅中的摻雜漿料中的元素含量達到6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，進而有效提高太陽能電池的電池轉換效率。

本發明所述各制備方法中，所述“局部開口”典型但不限于局域點狀開口，即若將每一小塊開口域看作“開口單元”，在背面鈍化層上開多個(≥2個)“開口單元”。

上述方法中，局部開口的尺寸小于沉積摻雜漿料的尺寸是指作用于背面鈍化層后形成的開口區域的面積小于局部沉積的摻雜漿料的面積。

上述各個制備方法中，晶體硅片在進行背面沉積鈍化層前還包括預處理過程，所述預處理過程包括制絨、擴散、背刻蝕、去雜質玻璃處理和正面沉積減反射層，其為本領域的常規操作，故具體操作步驟以及參數此處不再贅述。

上述各個制備方法中，在各步驟后還包括正面、背面絲網印刷銀漿料和燒結處理，其為本領域的常規操作，故具體操作步驟以及參數此處不再贅述。

以下作為本發明優選的技術方案，但不作為本發明提供的技術方案的限制，通過以下技術方案，可以更好的達到和實現本發明的技術目的和有益效果。

作為本發明優選的技術方案，步驟(2)中局部開口的方式為激光開口或腐蝕開口。

優選地，所述腐蝕開口為溶液和/或漿料腐蝕開口。

優選地，步驟(4)中所述摻雜方法為激光誘導、熱推進或離子注入中任意一種或至少兩種的組合。

作為本發明優選的技術方案，步驟(C)中同時摻雜和局部開口的方法為：使用激光在鈍化層上形成開口，同時進行激光摻雜。

作為本發明優選的技術方案，步驟(2)和步驟(C)中局部開口尺寸均獨立的為100μm～200μm，例如100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

優選地，步驟(3)和步驟(B)中沉積摻雜漿料的尺寸均獨立的為110μm～300μm，例如110μm、130μm、150μm、170μm、200μm、230μm、250μm、270μm或300μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。即若將每一沉積摻雜漿料的小塊區域看作“摻雜漿料單元”，在背面沉積的鈍化層上沉積多個(≥2個)“摻雜漿料單元”，每一個“摻雜漿料單元”的尺寸為40μm～200μm。

作為本發明優選的技術方案，步驟(1)和步驟(A)所述晶體硅片均獨立的為p型硅片。

優選地，步驟(1)和步驟(A)所述背面沉積鈍化層中的沉積方法均獨立的為絲網印刷、化學氣相沉積、物理氣相沉積或噴墨印刷中任意一種或至少兩種的組合。

優選地，步驟(1)和步驟(A)所述背面沉積鈍化層中的鈍化層均獨立的為氧化鋁、氮化硅或氧化硅薄膜中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：氧化鋁和氮化硅的組合，氮化硅和氧化硅薄膜的組合，氧化鋁和氧化硅薄膜的組合，氧化鋁、氮化硅和氧化硅薄膜的組合等。

作為本發明優選的技術方案，步驟(3)和步驟(B)所述沉積摻雜漿料中的沉積方法均獨立的為絲網印刷、化學氣相沉積、物理氣相沉積或噴墨印刷中任意一種或至少兩種的組合，優選為絲網印刷；

優選地，步驟(3)和步驟(B)所述沉積摻雜漿料中的摻雜漿料為鋁元素以及在硅中固溶度大于鋁的至少一種第三主族元素的摻雜漿料，優選為硼漿料。

作為本發明優選的技術方案，步驟(5)和步驟(D)所述背面沉積第一金屬漿料中的沉積方法均獨立的為絲網印刷、化學氣相沉積、物理氣相沉積或噴墨印刷中任意一種，優選為絲網印刷。

優選地，步驟(5)和步驟(D)所述背面沉積第一金屬漿料為鋁漿料。

第三方面，本發明提供了上述任一制備方法制備得到的局部摻雜晶體硅太陽能電池。

作為本發明優選的技術方案，所述電池包括晶體硅片層以及設于晶體硅片層背面的鈍化層和第一金屬導電層，所述鈍化層上具有多個開口，所述開口內部填充第一金屬漿料，所述晶體硅片層中沿開口向晶體硅片層里依次摻雜形成合金層、第一摻雜背場和第二摻雜背場。

本發明所述“多個”意為“至少2個”。

作為本發明優選的技術方案，所述合金層最高點的高度為3μm～15μm，例如3μm、5μm、7μm、10μm、13μm或15μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用，此處，所述高度以晶體硅片與鈍化層交界面作為基準面。

優選地，所述第一摻雜背場鋁元素摻雜形成的背場。

優選地，所述第一摻雜背場厚度為0.5μm～3μm，例如0.5μm、0.7μm、1μm、1.3μm、1.5μm、1.7μm、2μm、2.3μm、2.5μm、2.7μm或3μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

優選地，所述第二摻雜背場為在硅中固溶度大于鋁的至少一種第三主族元素摻雜形成的背場，優選為硼背場。

優選地，所述第二摻雜背場最高點的高度為5μm～20μm，例如5μm、7μm、10μm、13μm、15μm、17μm或20μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用，此處，所述高度以晶體硅片與鈍化層交界面作為基準面。

優選地，所述第二摻雜背場中在硅中固溶度大于鋁的至少一種第三主族元素的摻雜濃度為6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，例如7×10¹⁹cm^-3、9×10¹⁹cm^-3、1×10²⁰cm^-3、1.3×10²⁰cm^-3、1.5×10²⁰cm^-3、1.7×10²⁰cm^-3、2×10²⁰cm^-3、4×10²⁰cm^-3、6×10²⁰cm^-3或9×10²⁰cm^-3等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

本發明中，所述晶體硅片層為p型硅片層。

本發明中，所述鈍化層為氧化鋁、氮化硅或氧化硅薄膜中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：氧化鋁和氮化硅的組合，氮化硅和氧化硅薄膜的組合，氧化鋁和氧化硅薄膜的組合，氧化鋁、氮化硅和氧化硅薄膜的組合等。

所述晶體硅片層正面還可依次設有制絨面擴散層、制絨面減反射層和制絨面銀電極，其為現有摻雜晶體硅電池的常規設置，故不在此贅述。

所述晶體硅片層背面還可分布設置背銀電極，其為現有摻雜晶體硅電池的常規設置，故不在此贅述。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明通過調整背面局部開口尺寸與沉積摻雜漿料，使局部開口的尺寸小于沉積摻雜漿料的尺寸，提高硅中硼的摻雜濃度，對于現有PERC和PERL技術，其P⁺濃度峰值可由3×10¹⁸cm^-3提高至6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，可顯著增加電池背表面場強度，減少局部區域復合速率，進而大幅度提高開路電壓和填充因子，最終大幅度提升電池的轉換效率。

同時，本發明所述的局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法較現有PERL太陽能電池更為簡單，成本更低，與產業現有設備兼容性更高，有利于工業化生產。

附圖說明

圖1是現有技術或對比例1中所述PERC太陽能電池結構的背面俯視圖；

圖2是現有技術或對比例1中所述PERC太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖；

圖3是是現有技術或對比例1中所述PERC太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖中沿a-a’截面的側視圖；

圖4是現有技術或對比例2中所述PERL太陽能電池結構的背面俯視圖；

圖5是現有技術或對比例2中所述PERL太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖；

圖6是現有技術或對比例2中所述PERL太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖中沿a-a’截面的側視圖；

圖7是本發明實施例1中所述局部摻雜晶體硅太陽能電池結構的背面俯視圖；

圖8是本發明實施例1中所述局部摻雜晶體硅太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖；

圖9是本發明實施例1中所述局部摻雜晶體硅太陽能電池結構的背面俯視圖中A部分的局部放大俯視圖中沿a-a’截面的側視圖；

其中，1-晶體硅片層，2-鈍化層，3-第一金屬導電層，4-硅鋁合金，5-鋁背場，6-硼背場，7-制絨面擴散層，8-制絨面減反射層，9-制絨面銀電極，10-背銀電極，11-硼鋁背場。

具體實施方式

為更好地說明本發明，便于理解本發明的技術方案，下面對本發明進一步詳細說明。但下述的實施例僅僅是本發明的簡易例子，并不代表或限制本發明的權利保護范圍，本發明保護范圍以權利要求書為準。

本發明具體實施例部分提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法，

其一，所述方法包括以下步驟：

(1)在晶體硅片背面沉積鈍化層；

(2)在鈍化層上局部開口；

(3)在局部開口處沉積摻雜漿料；

(4)在背面摻雜；

任選地，(5)背面沉積第一金屬漿料；

其中，步驟(2)中局部開口尺寸小于步驟(3)中沉積摻雜漿料的尺寸。

其二，所述方法包括以下步驟：

(A)在晶體硅片背面沉積鈍化層；

(B)在鈍化層上沉積摻雜漿料；

(C)在背面局部開口，同時進行摻雜；

任選地，(D)背面沉積第一金屬漿料；

其中，步驟(C)中局部開口的尺寸小于步驟(B)中沉積摻雜漿料的尺寸。

本發明具體實施例部分還提供了上述任一制備方法制得的局部摻雜晶體硅太陽能電池，所述電池包括晶體硅片層1以及依次設于晶體硅片層1背面的鈍化層2和第一金屬導電層3，所述鈍化層2上具有多個開口，所述開口內部填充第一金屬漿料，所述晶體硅片層1中沿開口向晶體硅片層里依次摻雜形成合金層4、第一摻雜背場5和第二摻雜背場6。

以下為本發明典型但非限制性實施例：

實施例1：

本實施例提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池，所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的結構如圖7-9所示，包括晶體硅片層1以及依次設于晶體硅片層1背面的鈍化層2和第一金屬導電層3，所述鈍化層2上具有多個開口，所述開口內部填充第一金屬漿料，所述晶體硅片層1中沿開口向晶體硅片層里依次摻雜形成硅鋁合金4、鋁背場5和硼背場6。

所述晶體硅片層1正面依次設有制絨面擴散層7、制絨面減反射層8和制絨面銀電極9；所述晶體硅片層1背面分布設置背銀電極10。

其中，所述鈍化層2氧化鋁，第一金屬導電層3為鋁電極層，硅鋁合金4最高點的高度為8μm，鋁背場5的厚度為2μm；硼背場6最高點的高度為12μm；硼背場6中硼的摻雜濃度為7×10¹⁹cm^-3。

所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法為：

將晶體硅片依次進行制絨、擴散、背刻蝕、去雜質玻璃處理和正面沉積減反射層，然后進行背面沉積鈍化層、在鈍化層上沉積硼漿料，在背面局部開口同時進行摻雜、背面絲網印刷鋁漿料、正面絲網印刷銀漿料、背面絲網印刷銀漿料和燒結處理，得到局部摻雜晶體硅太陽能電池；其中，鈍化層上局部開口為100μm，且小于絲網印刷硼漿料的尺寸(120μm)。

實施例2：

本實施例提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池及其制備方法，所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的結構除了鈍化層2為氧化鋁和氧化硅薄膜的組合外，其他均與實施例1中相同。

所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法中，除了鈍化層上局部開口為150μm，絲網印刷硼漿料的尺寸為190μm外，其他制備過程均與實施例1中制備方法相同。

經上述方法，局部摻雜晶體硅太陽能電池中硅鋁合金4最高點的高度為6μm，鋁背場5的厚度為2μm；硼背場6最高點的高度為12μm；硼背場6中硼的摻雜濃度為1.2×10²⁰cm^-3。

實施例3：

本實施例提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池及其制備方法，所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的結構除了鈍化層2為氮化硅和氧化硅薄膜的組合外，其他均與實施例1中相同。

本實施例所述制備方法除了局部開口的開口尺寸為190μm，絲網印刷硼漿料的尺寸為240μm外，其他均與實施例1中相同。

經上述方法，局部摻雜晶體硅太陽能電池中硅鋁合金4最高點的高度為3.5μm，鋁背場5的厚度為2μm；硼背場6最高點的高度為10μm；硼背場6中硼的摻雜濃度為1.3×10²⁰cm^-3。

實施例4：

本實施例提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池及其制備方法，所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的結構除了鈍化層2為氮化硅外，其他均與實施例1中相同。

所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法除了局部開口的開口尺寸為100μm，絲網印刷硼漿料的尺寸為150μm外，其他均與實施例1中相同。

經上述方法，局部摻雜晶體硅太陽能電池中硅鋁合金4最高點的高度為4μm，鋁背場5的厚度為2μm；硼背場6最高點的高度為12μm；硼背場6中硼的摻雜濃度為7×10¹⁹cm^-3。

實施例5：

本實施例提供了一種局部摻雜晶體硅太陽能電池及其制備方法，所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的結構除了鈍化層2為氧化硅薄膜外，其他均與實施例1中相同。

所述局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法中，除了局部開口的開口尺寸為200μm，絲網印刷硼漿料的尺寸為300μm外，其他制備過程均與實施例1中制備方法相同。

經上述方法，局部摻雜晶體硅太陽能電池中硅鋁合金4最高點的高度為5μm，鋁背場5的厚度為2.5μm；硼背場6最高點的高度為15μm；硼背場6中硼的摻雜濃度為3×10²⁰cm^-3。

對比例1：

本對比例提供了一種PERC太陽能電池及其制備方法，如圖1-3所示，所述PERC太陽能電池包括晶體硅片層1以及依次設于晶體硅片層1背面的鈍化層2和第一金屬導電層3，所述鈍化層2上具有多個開口，所述開口內部填充第一金屬漿料，所述晶體硅片層1中沿開口向晶體硅片層里摻雜形成硅鋁合金4和鋁背場5。

所述晶體硅片層1正面依次設有制絨面擴散層7、制絨面減反射層8和制絨面銀電極9；所述晶體硅片層1背面分布設置背銀電極10。

所述PERC太陽能電池的制備方法為：將晶體硅片依次進行預處理、背面沉積鈍化層、正面沉積減反射層、背面局部開口、背面沉積銀漿料背面沉積鋁漿料、正面沉積銀漿料、背面沉積銀漿料和燒結處理，得到PERC太陽能電池。

對比例2：

本對比例提供了一種PERL太陽能電池及其制備方法，如圖4-6所示，所述PERC太陽能電池包括晶體硅片層1以及依次設于晶體硅片層1背面的鈍化層2和第一金屬導電層3，所述鈍化層2上具有多個開口，所述開口內部填充第一金屬導電漿料，所述晶體硅片層1中沿開口向晶體硅片層里摻雜形成硅鋁合金4和硼鋁背場11。

所述晶體硅片層1正面依次設有制絨面擴散層7、制絨面減反射層8和制絨面銀電極9；所述晶體硅片層1背面分布設置背銀電極10。

所述PERL太陽能電池的制備方法為：制絨、擴散、背刻蝕、背面沉積鈍化層(如氧化鋁、氧化硅薄膜或氮化硅)、正面沉積氮化硅減反射層、絲網印刷硼漿、背面激光同時完成開膜與摻硼、絲網印刷背面銀漿料、絲網印刷背面鋁漿料、絲網印刷正面銀漿料和燒結，其激光摻雜區域尺寸在25μm～60μm，且小于硼漿印刷后的尺寸。

性能測試：將實施例1-5和對比例1-2中所述的太陽能電池進行性能測試，25℃下測定V_oc(開路電壓)、I_sc(短路電流)、FF(填充因子)、Efficiency(光電轉化效率)和背表面場p⁺峰值摻雜濃度測試結果如表1所示。

表1：實施例1-5和對比例1-2中太陽能電池的性能測試表

綜合實施例1-5和對比例1-2的結果可以看出，本發明通過調整背面局部開口尺寸與沉積摻雜漿料，提高硅中硼的摻雜濃度，對于現有PERC和PERL技術，其P⁺濃度峰值可由3×10¹⁸cm^-3提高至6×10¹⁹cm^-3～9×10²⁰cm^-3，可顯著增加電池背表面場強度，減少局部區域復合速率，進而大幅度提高開路電壓和填充因子，最終大幅度提升電池的轉換效率。

同時，本發明所述的局部摻雜晶體硅太陽能電池的制備方法較現有PERL太陽能電池更為簡單，成本更低，與產業現有設備兼容性更高，有利于工業化生產。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明并不局限于上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。