一种背接触异质结太阳能电池及其采用激光消融工艺的制造方法与流程

1.本发明涉及一种背接触异质结太阳能电池及其采用激光消融工艺的制造方法。


背景技术：

2.相比于高温扩散为特征的光伏制造技术，异质结技术具有低表面复合速率和高开路电压等特征，但对表面的接触损伤比较敏感。异质结太阳能电池的量产平均水平和最高电性报道有较大的差距，其异质结电性波动经常表现为填充因子的波动，其成因与表面机械损伤及后续化学腐蚀有关。


技术实现要素：

3.本发明的目的之一在于提供一种背接触异质结太阳能电池，其膜层间的结合良好，有效降低发电衰减的速度。
4.本发明的目的之一在于提供一种采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，通过硅基增强附着膜层作为绝缘膜层与其他膜层之间的中介，保证膜层间的附着力；同时，采用激光消融工艺与激光吸收牺牲膜层结合，防止第一导电型膜层在后续工序中因高温而出现热衰减问题，从而有效降低发电衰减的速度。
5.本发明的目的通过如下技术方案实现：
6.一种背接触异质结太阳能电池，它包括半导体基板、设置在半导体基板第二主面的一部分的第一导电型膜层以及设置在半导体基板第二主面其他部分和部分第一导电型膜层上的第二导电型膜层；所述第一导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第一导电区，所述第二导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第二导电区；第一导电型膜层与位于第一导电区的第二导电型膜层之间设置有绝缘膜层和硅基增强附着膜层，所述绝缘膜层设置在第一导电型膜层上，所述硅基增强附着膜层设置在绝缘膜层上。
7.一种采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，在半导体基板第二主面依次形成第一导电型膜层和绝缘膜层后，在绝缘膜层上依次形成硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层；采用激光消融工艺去除部分区域的激光吸收牺牲膜层及其下方的硅基增强附着膜层，采用化学腐蚀工艺依次去除暴露的绝缘膜层及其下方的第一导电型膜层；之后进行化学清洁，再沉积第二导电型膜层。
8.较之现有技术而言，本发明的优点在于：
9.(1)通过硅基增强附着膜层，其作为绝缘膜层与其他膜层之间的中介，保证膜层间的附着力，膜层间牢固结合，不出现脱层问题。
10.(2)采用激光消融工艺与激光吸收牺牲膜层结合，防止第一导电型膜层在后续工序中因高温而出现热衰减问题，从而有效降低发电衰减的速度。
11.(3)利用干涉现象，目标加工膜层的光学吸收是半导体基板或需保护膜层的光学
吸收的5倍，在利用激光消融进行开口时，对半导体基板的影响几乎无损。
12.(4)覆盖在激光吸收层之上的保护层的光学特性和膜厚决定了其不影响激光吸收层和光学干涉增强效果，激光消融区域以外的保护层，可以保证其覆盖下的硅基增强附着膜层不被化学腐蚀工艺后破坏。
附图说明
13.图1是本发明一实施例中，在硅片的背面形成第一导电型膜层，在第一导电型膜层上形成绝缘膜层、硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层后，形成的示意性截面图。
14.图2是本发明一实施例中，用激光消融工艺(laser ablation)移除激光吸收牺牲膜层和硅基增强附着膜层后，用化学腐蚀工艺移除暴露的绝缘膜层14及其下方的第一导电型膜层露出第二导电区的开口区域后，形成的示意性截面图。
15.图3是本发明一实施例中，利用化学清洁对硅片进行清洁并去除激光吸收牺牲膜层的表面膜层，通过pecvd设备在硅片正面形成第三本征非晶硅层、非晶膜层或含氧型微晶膜层和氮化硅减反膜层，在硅片背面形成第二半导体膜层后，形成的示意性截面图。
16.图4是本发明一实施例中，用激光消融工艺(laser ablation)第一导电区中部分区域的第二导电型膜层，用化学腐蚀工艺移除暴露的绝缘膜层等露出第一导电型膜层完成第一导电区的开口后，形成的示意性截面图。
17.图5是本发明一实施例中，通过pvd设备在硅片的背面形成透明导电膜和种子金属层后，形成的示意性截面图。
18.图6是本发明一实施例中，用印刷工艺在硅片的背面形成镂空的绝缘槽图形掩膜后，形成的示意性截面图。
19.图7是本发明一实施例中，用化学腐蚀工艺移除暴露的透明导电膜及其下方的种子金属层后，形成的示意性截面图。
20.图8是本发明一实施例中，用碱性清洗液去除绝缘槽图形掩膜，用印刷工艺或喷涂工艺在金属栅线区域制作导电性浆料后，形成的示意性截面图。
21.图9是在图1所示的硅片背面入射532nm波长的激光，激光在各个膜层的光强分布图。
22.图10是在图4所示的电池片背面入射532nm波长的激光，激光在第一导电型膜层和第二半导体层的光强分布图。
23.图11是硅基增强附着膜层在tem-edax截面图的存在；左边为edax mapping产生的haadf图像，过渡层为相对不导电的结构；中间图和右图分别显示了膜层结构中n元素和si元素的空间分布。
具体实施方式
24.一种背接触异质结太阳能电池，它包括半导体基板、设置在半导体基板第二主面的一部分的第一导电型膜层以及设置在半导体基板第二主面其他部分和部分第一导电型膜层上的第二导电型膜层；所述第一导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第一导电区，所述第二导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第二导电区；第一导电型膜层与位于第一导电区的第二导电型膜层之间设置有绝缘膜层和硅基增强
附着膜层，所述绝缘膜层设置在第一导电型膜层上，所述硅基增强附着膜层设置在绝缘膜层上。
25.所述硅基增强附着膜层为晶化硅层。
26.所述覆盖第一导电区的第二导电型膜层形成有暴露第一导电区的多条线槽或多个沉孔。
27.所述背接触异质结太阳能电池还包括设置在第一导电区上且与第一导电型膜层电连接的第一导电层、设置在第一导电层上的第一电极、设置在第二导电区上且与第二导电型膜层电连接的第二导电层以及设置在第二导电层上的第二电极；所述第一导电层与第二导电层之间设有绝缘分隔槽。
28.所述硅基增强附着膜层和第二导电型膜层之间设置有激光吸收层。
29.一种采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，在半导体基板第二主面依次形成第一导电型膜层和绝缘膜层后，在绝缘膜层上依次形成硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层；采用激光消融工艺去除部分区域的激光吸收牺牲膜层及其下方的硅基增强附着膜层，采用化学腐蚀工艺依次去除暴露的绝缘膜层及其下方的第一导电型膜层；之后进行化学清洁，再沉积第二导电型膜层。
30.所述背接触异质结太阳能电池制造方法，具体包括以下步骤，
31.步骤a.它包括步骤a，在半导体基板第二主面的一部分设置表面覆盖绝缘膜层、硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层的第一导电型膜层，以形成第一导电型的第一导电区；
32.步骤b，对经步骤a处理后的半导体基板进行化学清洁后，在其第二主面上设置第二导电型膜层，第二导电型膜层与半导体基板的第二主面直接接触的区域形成第二导电型的第二导电区；
33.步骤c，采用激光非连续性蚀刻或激光线性蚀刻方式除去覆盖在第一导电区内部区域的部分第二导电型膜层；
34.步骤d，采用化学蚀刻方式除去未覆盖第二导电型膜层的绝缘膜层；
35.步骤e，在经步骤d处理后的半导体基板第二主面上设置导电层；
36.步骤f，在位于第一导电区的导电层上设置第一电极，在位于第二导电区的导电层上设置第二电极，并进行开槽使第一导电区和第二导电区之间形成分隔绝缘。
37.所述步骤a的具体方法为，
38.a1.在半导体基板第二主面依次形成第一导电型膜层和绝缘膜层；
39.a2.在绝缘膜层上依次形成硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层；
40.a3.采用激光消融工艺去除第一导电区以外区域的激光吸收牺牲膜层及其下方的硅基增强附着膜层；
41.a4.采用化学腐蚀工艺依次去除暴露的绝缘膜层及其下方的第一导电型膜层。
42.所述硅基增强附着膜层的制作工艺为，在绝缘膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法使用高功率密度沉积硅薄膜。具体地，工艺气体主要为硅烷和氢气,沉积功率密度为1000-3000w/m2，工艺气压为100-400pa，沉积厚度为3-15纳米，优选地，沉积厚度为5-8纳米。优选地，采用平板式电容耦合的pecvd设备，rf工作频率为13.56mhz；或者，采用炉管式pecvd设备，rf工作频率为20-80khz。由于环境气氛的影响，所述硅基增强附着膜层中可以
存在少量的氮和氧，但原子密度占比应小于1％。所述硅基增强附着膜层，为介于绝缘膜层与其他膜层之间的衔接层，其膜层沉积功率密度较高，沉积条件接近于氮化硅层(即绝缘膜层的一种)，部分晶粒与绝缘膜层相互渗透，具有良好的附着效果，但其膜层性质为非晶硅和微晶硅混合体，膜层的应力小于氮化硅，与非晶硅相近，因此，其与覆盖于硅基增强附着膜层之上的膜层也具有良好结合力，其在绝缘膜层与其它膜层之间起到过渡应力衔接作用，具有增强附着的效果。
43.所述激光吸收牺牲膜层的制作包括，在硅基增强附着膜层上形成激光吸收层，在激光吸收层上形成保护层；所述保护层是在腐蚀暴露的绝缘膜层时保护其覆盖的非晶硅层及其下膜层的防腐蚀掩膜。
44.所述激光吸收层的制作工艺为，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积非晶硅层。所述激光吸收层的制备工艺与常见的异质结氢化非晶膜层的制备等同，制备温度小于230摄氏度，以保证对波长532纳米的激光有足够的直接光学带隙吸收，避免晶化。具体地，沉积功率密度为80-400w/m2，工艺气体为硅烷和氢气，工艺气压为40-150pa，沉积厚度为10-20纳米。优选地，采用平板式电容耦合的pecvd设备，rf工作频率为13.56mhz或40mhz。
45.所述保护层的制作工艺为，在激光吸收层上采用等离子体增强化学气相沉积法沉积保护层。具体地，使用pecvd设备依序制备氮化硅膜层(厚度8-20纳米)和非晶硅膜层(厚度3-7纳米)。
46.沉积第二导电型膜层前的化学清洁，其对半导体基板进行清洁的同时，还去除保护层。
47.下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：
48.如图1至图11所示为本发明提供的一种背接触异质结太阳能电池及其采用激光消融工艺的制造方法的实施例示意图。
49.直拉单晶或铸锭单晶晶锭经过金刚线或砂浆切割，形成厚度为130-250微米的硅片00。虽然铸锭单晶的单晶比例较高，但是电池内部仍有较大比例的多晶晶界和晶格缺陷。如果使用的硅片为铸锭单晶硅片，在导入异质结生产工艺之前，需要经过不同温度段的预处理以达到吸杂和悬挂键饱和的效果。经过预处理的硅片，首先经历槽式溶液预清洁，除去表面的有机污染和大型颗粒。然后用碱液去损伤和制绒，形成粗糙化的陷光结构，再经历rca清洁(或等效于rca清洁的溶液配方)，最后是hf溶液去表面氧化层，去离子水清洁及表面干燥去水过程。在工艺流程中可以通过先双面制绒粗糙化再单面碱式抛光的方式，或者在双面抛光的硅片表面单面镀抗碱液蚀刻的薄膜再制绒的方式，来形成正面制绒背面抛光的结构。
50.在溶液清洁之后，采用pecvd设备镀膜制备第一导电型膜层，即表面钝化膜层(非掺杂型)(如第一本征非晶硅层11)和掺杂膜层(如n型半导体膜层12)。pecvd设备电源采用13.56mhz、26mhz或40mhz，优选地采用13.56mhz。第一本征非晶硅层11的工艺气体包含硅烷(sih4)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)的全部或几种组合。制备n型半导体膜层12的工艺气体包含硅烷(sih4)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和磷烷(ph3)的全部或几种组合。
51.传统异质结n型非晶硅和p型非晶硅的横向导电能力非常弱，异质结电池通常需要全面积接触形成收集电极。而本发明的背接触太阳能电池采用激光小比例局部开口，以控制激光的加工损伤。为达到上述目的，n型半导体膜层12采用高掺杂的非晶工艺或含微晶工
艺。为提升激光消融的选择比(待消融膜层的较底层需有效吸收激光，以保护功能层)，n型半导体膜层12可使用含氧型微晶膜层，其中包含三个阶段工艺：(1)首先是高h2/sih4比例的非含氧型孵育层，目的是促进微晶态的形成；(2)含氧型微晶层，含氧型微晶μc-sio
x
:h(n)的成膜速度控制在0.2-2埃/秒，优选地在0.6-0.8埃/秒；含氧型微晶μc-sio
x
:h(n)在成膜面上的厚度为40-200埃，优选地为60-120埃；(3)非含氧型的接触层，目的是降低和tco膜层之间的接触电阻，同时抵御氢氟酸对膜层的腐蚀作用。
52.在第一导电型膜层(11、12)和第二导电型膜层(26、27)之间有通过pecvd方式沉积的绝缘膜层，以防止器件的漏电。绝缘膜层14为氮化硅、二氧化硅、氧化硅、氮氧化硅的全部膜层或几种膜层组合。为了激光加工的便利，在绝缘膜层14之上有非晶硅膜层16作为激光吸收牺牲膜层，及保护层17后续腐蚀绝缘膜层14的掩膜。绝缘膜层14和非晶硅膜层16之间需要过渡层15(即硅基增强附着膜层)，采用高功率密度pecvd工艺沉积硅薄膜，工艺气压高于150pa，氢气对硅烷的气体流量比例高于80。
53.采用脉冲式激光，优选地采用绿光且脉冲宽度在20纳秒以下的激光器进行刻画，之后施加含氟离子的酸性溶液进行湿法腐蚀，以移除部分区域组合膜层13。优选地，激光采用波长为532纳米的绿光，激光的能量密度选在100-150％之间(激光的能量密度为100％时，激光吸收层刚好完全消融)。所述湿法腐蚀为质量浓度为1-5％的氢氟酸溶液，在室温或小于40摄氏度的溶液环境下移除绝缘膜层，腐蚀速度控制在0.5-4埃/秒。优选地，采用氟化氨(nh4f)和氢氟酸的混合溶液(或boe溶液)，以增强腐蚀速度的稳定性。
54.下面的表格显示了在透明介电薄膜为50-100nm氮化硅(即绝缘膜层14)的前提下，关于第一导电型膜层(11和12)和过渡层15、非晶硅膜层16的吸收量。
[0055][0056]
如图2所示，在电池的背面形成p型导电区的开口区域(即第二导电型膜层和硅片00直接接触的区域)。
[0057]
经过化学清洁，所述硅片在背面采用pecvd方式沉积第二导电型膜层(第二本征非晶硅层26和p型半导体膜层27)。pecvd设备电源采用13.56mhz、26mhz或40mhz，优选地采用13.56mhz。第二本征非晶硅层26的工艺气体包含硅烷(sih4)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)的全部或几种组合。制备p型半导体膜层27的工艺气体包含硅烷(sih4)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和乙硼烷(b2h6)或tmb的全部或几种组合。如图3所示，硅片00的正面镀膜顺序是第三本征非晶硅层21、非晶膜层或含氧型微晶膜层22和氮化硅减反膜层23。所述非晶膜层或含氧型微晶膜层22，其膜层有n型掺杂，避免电池出现户外pid或uv衰减。正面(受光面)第三本征非晶硅层26的工艺气体包含硅烷(sih4)、氢气(h2)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)的全部或几种组合。
[0058]
如图4所示，用laser ablation的方式移除第一导电区中部分区域的第二导电型膜层，然后用含氢氟酸的化学腐蚀移除暴露的绝缘膜层13，形成n型电极开口区域28。优选地，为了避免激光损伤(包括温升导致的热损伤和干涉造成的局部能量过高)，硅片00的背面为采用化学抛光，消除金字塔形状的陷光结构。开孔用激光系经过空间整形的平顶激光，
以保证加工区域内能量趋于一致。开孔用激光为脉冲式激光，优选地，采用脉冲宽度小于100皮秒的绿光激光或紫光激光或紫外激光。为避免激光损伤导致的发电效率下降，采用非连续点状激光进行刻蚀，n型电极开口区域28为一串不相连的激光加工孔。下面的表格显示了在透明介电薄膜为50-100nm氮化硅(即绝缘膜层14)的前提下，关于第一半导体层(11+12，第一导电型膜层)和第二半导体层(26+27，即第二导电型膜层)的光学吸收量。
[0059][0060]
如图5所示，在激光开孔工艺之后采用pvd磁控溅射制备导电层[即透明导电膜(tco)30和种子金属层40]。tco的材料可以是含氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓掺杂的氧化铟薄膜，其中氧化铟(in2o3)是主体材料，重量百分比达90％以上。优选地，掺杂材料至少含有氧化锡、氧化钛、氧化锌或氧化镓的一种，重量百分比0-10％。pvd采用的靶材也可以是纯氧化铟，然后在工艺气体中导入h2或水蒸气，形成掺杂的in2o3:h薄膜。种子金属层至少含有金属铜层。
[0061]
由于tco和种子金属层是全面积镀膜方式，如图6所示，在pvd工艺之后需要物理绝缘第一导电区和第二导电区。优选地，采用丝网印刷的方式印刷一层或多层保护油墨45。如图7所示，采用化学腐蚀的方式，移除暴露的tco和种子金属层，然后去除油墨。为了形成和焊带的有效电接触，还需制备主、细栅相互连接的金属栅线和一定数目的焊盘，这些金属栅线和焊盘可以通过喷墨打印金属浆料(如银浆)或者丝网印刷的方式来制作，如图8所示。为了保护种子金属层避免氧化或者增强细栅的导电性，还可以在金属细栅线上方印制银浆或碳浆或铝浆。
[0062]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池，其特征在于：它包括半导体基板、设置在半导体基板第二主面的一部分的第一导电型膜层以及设置在半导体基板第二主面其他部分和部分第一导电型膜层上的第二导电型膜层；所述第一导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第一导电区，所述第二导电型膜层与半导体基板第二主面直接接触的区域构成第二导电区；第一导电型膜层与位于第一导电区的第二导电型膜层之间设置有绝缘膜层和硅基增强附着膜层，所述绝缘膜层设置在第一导电型膜层上，所述硅基增强附着膜层设置在绝缘膜层上。2.根据权利要求1所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池，其特征在于：所述硅基增强附着膜层为晶化硅层。3.根据权利要求1所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池，其特征在于：所述覆盖第一导电区的第二导电型膜层上形成有暴露第一导电区的多条线槽或多个沉孔。4.根据权利要求1所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池，其特征在于：它还包括设置在第一导电区上且与第一导电型膜层电连接的第一导电层、设置在第一导电层上的第一电极、设置在第二导电区上且与第二导电型膜层电连接的第二导电层以及设置在第二导电层上的第二电极；所述第一导电层与第二导电层之间设有绝缘分隔槽。5.根据权利要求1至4任意一项所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池，其特征在于：所述硅基增强附着膜层和第二导电型膜层之间设置有激光吸收层。6.根据权利要求1至5任意一项所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：在半导体基板第二主面依次形成第一导电型膜层和绝缘膜层后，在绝缘膜层上依次形成硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层；采用激光消融工艺去除部分区域的激光吸收牺牲膜层及其下方的硅基增强附着膜层，采用化学腐蚀工艺依次去除暴露的绝缘膜层及其下方的第一导电型膜层；之后进行化学清洁，再在半导体基板第二主面上沉积第二导电型膜层。7.根据权利要求6所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：所述硅基增强附着膜层的制作工艺为，在绝缘膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法使用高功率密度沉积硅薄膜。8.根据权利要求6所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：所述激光吸收牺牲膜层的制作包括，在硅基增强附着膜层上形成激光吸收层，在激光吸收层上形成保护层；所述保护层是在腐蚀暴露的绝缘膜层时保护其覆盖的非晶硅层及其下膜层的防腐蚀掩膜。9.根据权利要求8所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：所述激光吸收层的制作工艺为，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积非晶硅层。10.根据权利要求8所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：所述保护层的制作工艺为，在激光吸收层上采用等离子体增强化学气相沉积法沉积保护层。11.根据权利要求6-10任意一项所述的采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，其特征在于：它具体包括以下步骤，步骤a.它包括步骤a，在半导体基板第二主面的一部分设置表面覆盖绝缘膜层、硅基增
强附着膜层和激光吸收牺牲膜层的第一导电型膜层，以形成第一导电型的第一导电区；步骤b，对经步骤a处理后的半导体基板进行化学清洁后，在其第二主面上设置第二导电型膜层，第二导电型膜层与半导体基板的第二主面直接接触的区域形成第二导电型的第二导电区；步骤c，采用激光非连续性蚀刻或激光线性蚀刻方式除去覆盖在第一导电区内部区域的部分第二导电型膜层；步骤d，采用化学蚀刻方式除去未覆盖第二导电型膜层的绝缘膜层；步骤e，在经步骤d处理后的半导体基板第二主面上设置导电层；步骤f，在位于第一导电区的导电层上设置第一电极，在位于第二导电区的导电层上设置第二电极，并进行开槽使第一导电区和第二导电区之间形成分隔绝缘。

技术总结
本发明涉及一种采用激光消融工艺的背接触异质结太阳能电池制造方法，在半导体基板第二主面依次形成第一导电型膜层和绝缘膜层后，在绝缘膜层上依次形成硅基增强附着膜层和激光吸收牺牲膜层；采用激光消融工艺去除部分区域的激光吸收牺牲膜层及其下方的硅基增强附着膜层，采用化学腐蚀工艺依次去除暴露的绝缘膜层及其下方的第一导电型膜层；之后进行化学清洁，再沉积第二导电型膜层。本发明的目的在于通过硅基增强附着膜层作为绝缘膜层与其他膜层之间的中介，保证膜层间的附着力；同时，采用激光消融工艺与激光吸收牺牲膜层结合，防止第一导电型膜层在后续工序中因高温而出现热衰减问题，从而有效降低发电衰减的速度。从而有效降低发电衰减的速度。从而有效降低发电衰减的速度。


技术研发人员：谢志刚 林锦山 张超华 林振鹏 谢艺峰 林朝晖
受保护的技术使用者：福建金石能源有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/7/26