一种基于掺杂多晶硅锗薄膜的N型晶体硅太阳电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳电池领域，具体涉及一种n型双面高效晶体硅太阳电池及其制备方法。

背景技术

随着光伏技术的不断发展，高效、高稳定性、低成本的光伏电池将会成为光伏市场追求的主流产品。相比于p型晶体硅太阳电池，而n型晶体硅太阳电池具有转换效率高、光致衰减低、稳定性好等优点，在光伏市场上受到越来越多重视。

如何进一步提高电池的转换效率并且降低成本，就成为光伏界众多研究人员面前的一个难题，也是业界追求的核心目标。通过对晶体硅太阳电池的工作原理及效率损失分析可知，限制效率提升的一个最大因素就是载流子的复合。有研究表明，当背面的复合速率从10cm/s分别上升到103cm/s和105cm/s时，200微米厚，扩散长度为1000微米的太阳电池转换效率分别下降2%和4%。由此可见界面钝化的重要性。德国fraunhofer研究所提出的topcon（tunneloxidepassivatedcontact）太阳电池技术不仅拥有良好的钝化接触特性，还实现了载流子的选择性收集。该技术将化学钝化与场钝化相结合，大幅降低了载流子的复合速率，不仅维持了较高的开路电压还提高了填充因子，从而提高了电池的转换效率，目前其转换效率已经超过25.7%。

目前，topcon太阳电池背场所用的硅薄膜常用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或者低压化学气相沉积(lpcvd)等设备制备，掺杂方式包括原位气相掺杂或者离子注入等。由于硅薄膜自身缺陷密度较高，导致有效掺杂浓度较低，需要一个高温退火来激活掺杂原子。该高温激活的过程不仅导致衬底质量下降，而且容易使隧穿氧化层遭到破坏，影响硅衬底表面钝化效果。

针对当前硅薄膜掺杂工艺的缺陷，本发明提出低温生长多晶硅锗薄膜技术来实现topcon太阳电池的磷掺杂背场，在较低温度（~350oc）下实现n型重掺杂硅锗薄膜的生长，进而避免高温过程导致的衬底质量劣化，进而有望进一步提高太阳电池转换效率。

技术实现要素：

本发明主要是针对现有topcon太阳电池背面硅薄膜掺杂工艺的缺陷，提出一种基于掺杂多晶硅锗薄膜的n型晶体硅太阳电池及其制备方法，其通过低温生长多晶硅锗薄膜技术来实现topcon太阳电池的磷掺杂背场，在较低温度下实现n型重掺杂硅锗薄膜的生长，避免高温过程导致的衬底质量劣化，并且采用该技术获得的多晶硅锗薄膜具有较高的结晶质量、载流子迁移率更高，有利于提高电池的填充因子，进一步提高太阳电池转换效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于掺杂多晶硅锗薄膜的n型晶体硅太阳电池，包括n型晶体硅片，在受光面方向从上至下依次复合的正面金属栅线、正面减反射膜、正面发射极钝化膜、硼掺杂发射极、n型晶体硅衬底、氧化物隧穿层、磷掺杂多晶硅锗薄膜、背面减反射膜、背面金属栅线。

作为本发明的进一步改进在于：所述氧化物隧穿层为氧化硅薄层或者氧化铝薄层，厚度在1.0-3.5nm。

作为本发明的进一步改进在于：所述磷掺杂多晶硅锗薄膜的厚度在15-200nm。

本发明的制备制备方法，包括如下步骤：

(1)将n型晶体硅衬底去损伤层并上下表面制绒；

(2)将所述制备了绒面结构的n型晶体硅衬底进行清洗处理；

(3)在所述经过清洗处理的n型晶体硅衬底进行硼扩散，形成发射极；

(4)在所述n型晶体硅衬底正面发射极上制备氮化硅掩膜；

(5)对上述n型晶体硅衬底背面进行碱抛去结，并进行清洗处理；

(6)在上述n型晶体硅衬底背面生长氧化物隧穿层；

(7)在上述n型晶体硅衬底背面氧化物隧穿层上制备磷掺杂多晶硅锗薄膜，形成bsf结构；

(8)接着去除n型晶体硅衬底正面的氮化硅及硼硅玻璃；

(9)在上述n型晶体硅衬底发射极表面制备氧化铝钝化膜，接着双面生长氮化硅减反射膜；

(10)接着采用丝网印刷在n型晶体硅衬底正面及背面制备金属栅电极。

与现有的n型双面晶体硅太阳电池技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明在电池背表面形成场钝化与化学钝化相叠加的双重效果，实现了电子的选择性收集，有效降低了背表面载流子的复合，有利于获得较高的开路电压和填充因子，因此可以有效的提高电池的光电转换效率；

（2）对于常规的topcon太阳电池，其背场硅薄膜需要一个高温退火来提高掺杂浓度，温度高达800oc以上，有可能导致隧穿氧化层遭到破坏；本发明提出在背场使用n+多晶硅锗薄膜代替常规的硅薄膜（纳米晶或多晶），采用低温生长工艺(~350oc),不仅避免隧穿氧化层受到损害，还能够获得较高结晶质量的多晶硅锗薄膜，有效提高掺杂浓度及载流子迁移率，进而有利于提高电池的填充因子。

（3）本发明的工艺过程相对简单，设备成本较低，适合应用于规模化生产。

附图说明

图1为本发明制备的太阳电池的结构示意图；

图中：前表面金属栅电极1，前表面氮化硅减反射膜2，发射极钝化膜3，正面硼掺杂发射极4，n型晶体硅衬底5，背表面隧穿氧化层6，背表面n+硅锗薄膜7，背表面减反射膜8，背表面金属栅电极9。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明法案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例：

如图1所示：本发明涉及一种基于掺杂多晶硅锗薄膜的n型晶体硅太阳电池，其包括前表面金属栅电极1，前表面氮化硅减反射膜2，发射极钝化膜3，正面硼掺杂发射极4，n型晶体硅衬底5，背表面隧穿氧化层6，背表面n+硅锗薄膜7，背表面减反射膜8，背表面金属栅电极9。

本发明的制备方法，包括如下步骤：

首先，对n型晶体硅进行常规的制绒，制绒后晶体硅衬底前表面和背表面均出现绒面结构。接着对制绒后的衬底进行标准的rca清洗，去除晶体硅表面的有机沾污及金属颗粒等。完成清洗后，进行双面的硼扩散，形成发射极。然后采用pecvd在晶体硅前表面生长氮化硅掩膜，在晶体硅背表面进行碱溶液抛光处理，去掉背面的扩散结，然后再次进行rca清洗处理。随后，在晶体硅背表面生长隧穿氧化层生长。遂穿氧化层可以是氧化硅薄膜，也可以是氧化铝薄膜。以氧化硅薄膜为例，其生长可以采用湿法化学生长，如浓硝酸溶液浸泡或者含臭氧的去离子水浸泡，也可以采用干法生长，如紫外臭氧氧化，热氧氧化等。形成的氧化层厚度在1.0~3.5nm。本发明以氧化硅薄膜为示例，但并不以此限定本发明的实施范围。

完成隧穿氧化层的生长后，在晶体硅背面进行n+多晶硅锗薄膜的制备。首先在隧穿氧化层上生长一层n型非晶硅薄膜，厚度在5~8nm,该硅薄膜可以采用低压化学气相沉积(lpcvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、热丝化学气相沉积(cat-cvd)等设备制备。然后采用gef4对该层非晶硅薄膜进行刻蚀处理，使非晶硅薄膜被刻蚀掉，并在隧穿氧化层表面形成硅锗纳米籽晶层，随后，以gef4,si2h6及ph3为源气体，进行氧化还原反应在籽晶层表面进行外延生长，获得n+多晶硅锗薄膜。通过调节ph3的气体流量，使n+多晶硅锗薄膜的掺杂浓度在1×1019cm-3~1×1021cm-3，这样就完成了电池背场的制备。随后，通过hf的浸泡，去除前表面的氮化硅掩膜及硼硅玻璃，并用ald生长氧化铝钝化膜，厚度在10~15nm，接着双面生长氮化硅减反射薄膜，其厚度在70~90nm，至此该电池的关键工艺已完成，最后在电池的前表面和背表面采用丝印或者蒸镀的方式完成金属电极的制备。

背表面隧穿层为可提供钝化和载流子遂穿效应的材料，如氧化物、氮化物、导电聚合物扥，在本实施例中，隧穿层（6）为在步骤（6）中形成的氧化物，包括氧化硅或氧化铝等，隧穿氧化层（6）可以有效钝化硅衬底（5）表面缺陷，并通过隧穿效应实现载流子的输运，从而降低硅衬底（104）上的表面复合同时又不影响载流子的输运，因此提高电池的填充因子。

本发明采用pecvd在隧穿氧化层上生长一层n型非晶硅薄膜，然后采用gef4对硅薄膜进行处理，在刻蚀非晶硅层的同时，在隧穿氧化层上形成一层多晶硅锗的籽晶层，随后si2h6、ph3与gef4的反应产物将以该层籽晶层为基底进行外延式生长，进而获得高度掺杂的多晶硅锗薄膜。此处的反应呈选择性生长特点，在氧化层表面没有薄膜生长，所以不对硅衬底前表面产生影响。通过该技术制备重掺杂多晶硅锗薄膜，不仅可以获得均匀的掺杂分布，还能实现单面掺杂，避免磷原子扩散到晶体硅前表面。重掺杂的多晶硅锗薄膜在晶体硅衬底背面形成背场，有效阻挡少子向背面扩散，进而降低载流子的复合速率。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。