专利名称：一种铝背发射极n型太阳电池及其利记博彩app
技术领域：
本发明属于太阳能光伏发电领域，具体涉及一种铝背发射极N型太阳电池及其制 作方法。
背景技术：
太阳电池是一种利用光生伏特效应将太阳能直接转换为电能的半导体器件。从结 构上说，太阳电池由一个位于半导体衬底表面的P-n结、介质膜和金属电极所组成。
根据衬底导电类型的不同，可以把太阳电池分为P型和N型太阳电池两种。P型太 阳电池工艺成熟，占据了太阳电池市场的主导地位。但是，P型太阳电池存在明显的光致衰 减特性，这使得很多研究机构和生产企业把目光转移到N型太阳电池上。由于N型晶体硅硼 含量少，因而由硼-氧对所导致的光致衰减现象并不明显。此外，由于N型晶体硅对铁等过 渡金属的耐受性比P型晶体硅要好，所以一般情况下，N型晶体硅具有更高的少子寿命。这 对于制作高效太阳电池非常有利。美国Sunpower公司的A300系列太阳电池和日本Sanyo 公司的HIT太阳电池正是采用了独特的N型太阳电池结构，获得了目前商品化太阳电池的 最高转换效率。 除了 A300系列和HIT太阳电池外，铝背发射极结构是另一种受关注的N型太阳电 池结构。传统的铝背发射极N型太阳电池的结构如图l所示，主要由N型半导体衬底1、P 型半导体层7、重掺杂N型半导体层2、介质膜3、铝电极4和金属前电极6六部分组成。铝 背发射极N型太阳电池的主要特征是采用N型半导体材料(如N型晶体硅)作为衬底，衬 底背表面通过与铝电极的合金化过程来形成P-n结。传统的铝背发射极N型太阳电池还会 通过磷扩散在衬底前表面形成高低结，作为太阳电池的前表面场，用于减少前表面复合，提 高光生载流子的收集几率。这种铝背发射极N型太阳电池的制作流程如图3所示，其制作 工艺与P型太阳电池制作工艺完全兼容，可以现有的设备进行生产。因此，铝背发射极N型 太阳电池具有较好的产业化前景。 对于铝背发射极N型太阳电池，前表面复合速率对电池效率的影响相当明显。这 是因为大部分太阳光都在前表面很薄的区域被吸收，但是，前表面附近产生的光生载流子 必须迁移到电池背表面P-n结才能被收集。在这个扩散过程中，光生载流子很容易在电池 前表面进行复合，从而降低太阳电池的转换效率。低的前表面复合速率是保证铝背发射极 太阳电池效率的前提。 降低前表面掺杂浓度可以降低太阳电池前表面复合速率，但是这会同时导致半导 体衬底与金属前电极之间接触电阻的提高。接触电阻越高，太阳电池性能越差。由于传统 铝背发射极N型太阳电池前表面采用掺杂浓度一致的磷扩散层作为前表面场，因此，前表 面复合速率和金属_半导体接触电阻是一对互相竞争的因素。高表面掺杂浓度意味着低接 触电阻和高表面复合速率；低表面掺杂浓度意味着高接触电阻和低表面复合速率。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种具有局域前表面场的铝背发射极N型太阳电池，该 太阳电池可以同时实现低的前表面复合速率和低的金属-半导体接触电阻，有利于提高铝 背发射极N型太阳电池的效率。 本发明的另一个目的是提出一种制作上述铝背发射极N型太阳电池的方法，该方法 工艺简单，能够使用现有P型太阳电池生产设备进行大规模生产，具有良好的产业化前景。
本发明提供的一种铝背发射极N型太阳电池，主要由N型半导体衬底、重掺杂N型 半导体层、介质膜、铝电极、金属前电极和P型半导体层六部分组成，各部分的位置关系由 上至下依次是金属前电极、介质膜、重掺杂N型半导体层、N型半导体衬底、P型半导体层和 铝电极，其特征在于，所述重掺杂N型半导体层即太阳电池前表面场只存在于金属前电极 下方的局部区域，太阳电池前表面的其它区域由介质膜覆盖，金属前电极穿透介质膜并与 太阳电池前表面的重掺杂N型半导体层接触。 本发明所述重掺杂N型半导体层是重掺杂磷、砷或锑等施主杂质的N型半导体层。
本发明所述介质膜是单层介质膜或多层介质膜。 本发明所述单层介质膜的成分是氮化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧化钛、碳化硅 或氟化镁。 本发明所述多层介质膜是氮化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧化钛、碳化硅或氟化 镁单层介质膜的任意组合。 本发明所述金属前电极的主要成分是银、铜、镍、铝、锡或这些金属元素组成的合金。 N型半导体衬底与位于电池背表面的P型半导体层构成太阳电池的p-n结。该p-n 结位于太阳电池背表面，用于收集太阳电池的光生载流子。对于铝背发射极N型太阳电池， 一般采用N型晶体硅以及铝硅合金化过程中形成的掺铝P型区域构成p-n结。
对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池，重掺杂N型半导体层只位于太阳电 池金属前电极下方的局部区域。该重掺杂N型半导体层可以是重掺杂磷、砷、锑等施主杂质 的N型半导体薄层区域，如掺磷的晶体硅薄层。它的作用是在太阳电池前表面形成局域的
rTn型高低结，该高低结产生的内建电场有利于减少光生载流子在电池前表面的复合，从而 提高太阳电池的短路电流和开路电压。上述内建电场称为前表面场。除了形成局域前表面 场外，重掺杂N型半导体层的另一个作用是降低金属前电极与N型半导体衬底之间的接触 电阻，从而提高太阳电池的填充因子。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池，介质膜覆盖太阳电池前表面除金属 前电极外的全部区域。介质膜一方面减少了光线在太阳电池前表面的反射；另一方面则起 到表面钝化、减少前表面复合的作用。生产上常用的介质膜用氮化硅、氧化硅两种。除此之 外，非晶硅、氧化铝、碳化硅以及上述单层介质膜组成的多种多层介质膜在研究中也显示出 良好的表面钝化性能。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池，铝电极覆盖在太阳电池背表面的整 个或大部分区域。铝电极的一方面起到收集空穴的作用，另一方面则提供了 P型半导体层 掺杂所需的受主杂质。如前所述，铝背发射极N型太阳电池的p-n结是在铝硅合金化过程 中形成的。在高温下，铝电极与N型硅衬底界面形成熔融的铝硅合金相，随后随着温度的下降，熔融的铝硅合金开始再结晶并析出多余的铝，最终在硅衬底背表面形成一层掺铝的再 结晶薄硅层。这一区域就是铝背发射极N型太阳电池中的P型半导体层。
对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池，金属前电极穿透介质膜、位于重掺 杂N型半导体层之上。它的主要成分是银、铜、镍、铝、锡或者这些元素组成的合金。金属前 电极的作用主要是收集太阳电池产生的电子。对于本发明涉及的一种制作上述铝背发射极 N型太阳电池的方法，金属前电极还起到提供重掺杂N型半导体层所需的施主杂质的作用。
本发明还提出了一种制作上述铝背发射极N型太阳电池的方法，其特征在于，采 用N型重掺杂硅浆料在电池前表面局部位置形成重掺杂N型半导体层，并在重掺杂N型半 导体层上制作金属前电极。具体包括以下两种方法
方法一包括以下步骤 (a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；
(b)在N型半导体衬底表面制备介质膜；
(c)在电池背表面制备铝电极； (d)在电池前表面的局部区域印刷N型重掺杂浆料并烘干； (e)在电池前表面印有N型重掺杂浆料的区域印刷金属电极浆料并烘干； (f)高温烧结。
方法二 包括以下步骤 (a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；
(b)在N型半导体衬底表面制备介质膜；
(c)在电池背表面制备铝电极； (d)将N型重掺杂浆料与金属电极浆料混合后同时印刷在电池前表面的局部区域 并烘干； (e)高温烧结。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其中所述的表面织构化 和化学清洗步骤是指用酸或碱在N型半导体衬底表面制作金字塔或凹坑状的陷光结构，并 用化学清洗剂对其表面进行清洗。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其中所述的介质膜主要 是由氮化硅、氧化硅或氧化铝薄膜组成的单层或多层介质膜。它覆盖在N型半导体衬底的 前表面或全表面。介质膜主要起到减少反射以及表面钝化的作用。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其中所述的铝电极是通 过丝网印刷铝浆料、溅射铝金属膜或蒸镀铝金属膜的方法来制备。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其中所述的N型重掺杂 浆料的主要成分是掺磷、掺砷或掺锑的硅颗粒。该N型重掺杂浆料具有一定的流动性，能够 通过丝网印刷或其它印刷方法涂覆在太阳电池表面。 对于本发明所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其中所述的烧结步骤是 指对太阳电池进行高温(500 IOO(TC )处理过程。在烧结过程中，一方面N型重掺杂浆料 与N型半导体衬底融合，在N型半导体表面形成局域的重掺杂N型层；另一方面，铝电极与 N型半导体衬底界面在高温下形成铝硅合金，并在冷却过程中形成P型半导体层，与N型半 导体衬底构成p-n结。
与传统结构铝背发射极N型太阳电池相比，本发明提出的铝背发射极N型太阳电
池结构其重掺杂N型层只存在于太阳电池前电极附近的半导体区域，太阳电池前表面的其
余位置由介质膜覆盖。这种结构有利于降低太阳电池前表面的平均掺杂浓度，从而减少前
表面复合。位于太阳电池前电极下的重掺杂N型层不仅使金属前电极与半导体衬底之间形
成良好欧姆接触，还为太阳电池提供一个局域前表面场。这些改进都在不降低太阳电池填
充因子的前提下提高短路电流和开路电压，从而使电池效率得以提高。 与传统铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app(如图3)相比，本发明提出的新型铝
背发射极N型太阳电池的利记博彩app避免了磷扩散工序，大大减少了太阳电池的高温处理时
间，这一方面使生产周期縮短、生产能耗降低，另一方面使半导体衬底在高温处理过程中出
现的性能衰减得以避免。本发明提出的利记博彩app还避免去除背表面重掺杂N型层的工序，
进一步简化了制作工艺。
图1为传统铝背发射极N型太阳电池的结构示意图 图2为本发明铝背发射极N型太阳电池的结构示意图 图3为制作传统铝背发射极N型太阳电池的工艺流程图 图4为制作本发明铝背发射极N型太阳电池的工艺流程图(实施例一 ) 图5为制作本发明铝背发射极N型太阳电池的工艺流程图(实施例二 ) 图1 5中，l、 N型半导体衬底，2、重掺杂N型半导体层，3、介质膜，4、铝电极，5、
金属电极浆料，6、金属前电极，7、 P型半导体层，8、 N型重掺杂浆料，9、混有N型重掺杂浆料
的金属电极浆料。
具体实施例方式
如图2所示，本发明铝背发射极N型太阳电池，主要由N型半导体衬底1 、重掺杂N 型半导体层2、介质膜3、铝电极4、金属前电极6和P型半导体层7六部分组成，各部分的位 置关系由上至下依次是金属前电极6、介质膜3、重掺杂N型半导体层2、N型半导体衬底1、 P型半导体层7和铝电极4，其中重掺杂N型半导体层2即太阳电池前表面场只存在于金属 前电极6下方的局部区域，太阳电池前表面的其它区域由介质膜3覆盖，金属前电极6穿透 介质膜3并与太阳电池前表面的重掺杂N型半导体层2接触。 上述重掺杂N型半导体层2是重掺杂磷、砷或锑等施主杂质的N型半导体层；介质 膜3是单层介质膜或多层介质膜，单层介质膜的成分是氮化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧 化钛、碳化硅或氟化镁，多层介质膜是氮化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧化钛、碳化硅或氟 化镁单层介质膜的任意组合；金属前电极6的主要成分是银、铜、镍、铝、锡或这些金属元素 组成的合金。 图4所示的是本发明提出的铝背发射极N型太阳电池的其中一种制作流程，具体 步骤包括 (a)对N型半导体衬底1进行表面织构化和清洗对于N型单晶硅衬底，采用稀的 氢氧化钠或氢氧化钾溶液在衬底表面制作金字塔形状的陷光结构；对于N型多晶硅衬底， 采用硝酸、氢氟酸混合溶液在衬底表面制作凹坑装的陷光结构。随后，分别采用稀释的盐酸和氢氟酸对衬底进行清洗。 (b)在N型半导体衬底1表面制备介质膜3 :采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)方法在衬底前表面沉积一层约76nm后的氮化硅薄膜。也可以采用热氧氧化方法 在衬底表面先沉积一层薄的氧化硅薄膜，再采用PECVD在氧化硅薄膜上沉积一层氮化硅薄 膜。 (c)在N型半导体衬底1背表面制备铝电极4 :采用丝网印刷方法在太阳电池背表 面印刷一层约20 m的铝电极浆料并烘干。或者采用蒸镀或磁控溅射方法沉积一层薄的铝 电极。 (d)在电池前表面的局部区域印刷N型重掺杂浆料8并烘干采用丝网印刷、喷涂
或喷墨打印方法在太阳电池前表面印刷栅线状的N型重掺杂硅浆料并烘干。 (e)在电池前表面印有N型重掺杂浆料8的区域印刷金属电极浆料5并烘干采
用丝网印刷、喷涂或喷墨打印方法在印有硅浆料的区域上印刷银电极浆料。 (f)高温烧结采用链式烧结炉对太阳电池进行高温烧结(500 IOO(TC )。 图5所示的是本发明提出的铝背发射极N型太阳电池的另一种制作流程，具体步
骤包括 (a)对N型半导体衬底1进行表面织构化和清洗对于N型单晶硅衬底，采用稀的 氢氧化钠或氢氧化钾溶液在衬底表面制作金字塔形状的陷光结构；对于N型多晶硅衬底， 采用硝酸、氢氟酸混合溶液在衬底表面制作凹坑装的陷光结构。随后，分别采用稀释的盐酸 和氢氟酸对衬底进行清洗。 (b)在N型半导体衬底1表面制备介质膜3 :采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)方法在衬底前表面沉积一层约76nm后的氮化硅薄膜。也可以采用热氧氧化方法 在衬底表面先沉积一层薄的氧化硅薄膜，再采用PECVD在氧化硅薄膜上沉积一层氮化硅薄 膜。 (c)在N型半导体衬底1背表面制备铝电极4 :采用丝网印刷方法在太阳电池背表 面印刷一层约20 i！ m的铝电极浆料并烘干。或者采用蒸镀或磁控溅射方法沉积一层薄的铝 电极。 (d)在太阳电池前表面印刷混有N型重掺杂桨料的金属电极桨料9并烘干采用 丝网印刷、喷涂或喷墨打印方法，在太阳电池前表面印刷栅线状的混有N型重掺杂浆料的 银浆料并烘干。 (e)高温烧结采用链式烧结炉对太阳电池进行高温烧结(500 IOO(TC )。
总之，本发明例举了上述优选实施方式，但是应该说明，本领域的技术人员可以进 行各种变化和改型。因此，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在 本发明的保护范围内。
权利要求
一种铝背发射极N型太阳电池，主要由N型半导体衬底(1)、重掺杂N型半导体层(2)、介质膜(3)、铝电极(4)、金属前电极(6)和P型半导体层(7)六部分组成，各部分的位置关系由上至下依次是金属前电极(6)、介质膜(3)、重掺杂N型半导体层(2)、N型半导体衬底(1)、P型半导体层(7)和铝电极(4)，其特征在于，所述重掺杂N型半导体层(2)即太阳电池前表面场只存在于金属前电极(6)下方的局部区域，太阳电池前表面的其它区域由介质膜(3)覆盖，金属前电极(6)穿透介质膜(3)并与太阳电池前表面的重掺杂N型半导体层(2)接触。
2. 根据权利要求1所述的铝背发射极N型太阳电池，其特征在于，所述重掺杂N型半导 体层(2)是重掺杂磷、砷或锑等施主杂质的N型半导体层。
3 根据权利要求1所述的铝背发射极N型太阳电池，其特征在于，所述介质膜(3)是单 层介质膜或多层介质膜。
4. 根据权利要求3所述的铝背发射极N型太阳电池，其特征在于，所述单层介质膜的成 分是氮化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧化钛、碳化硅或氟化镁。
5. 根据权利要求3所述的铝背发射极N型太阳电池，其特征在于，所述多层介质膜是氮 化硅、氧化硅、非晶硅、氧化铝、氧化钛、碳化硅或氟化镁单层介质膜的任意组合。
6. 根据权利要求1所述的铝背发射极N型太阳电池，其特征在于，所述金属前电极(6) 的主要成分是银、铜、镍、铝、锡或这些金属元素组成的合金。
7. 权利要求1所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其特征在于，采用N型重掺 杂硅浆料在电池前表面局部位置形成重掺杂N型半导体层，并在重掺杂N型半导体层上制 作金属前电极。
8. 根据权利要求7所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其特征在于，包括以下 步骤(a) 对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；(b) 在N型半导体衬底表面制备介质膜；(c) 在电池背表面制备铝电极；(d) 在电池前表面的局部区域印刷N型重掺杂浆料并烘干；(e) 在电池前表面印有N型重掺杂浆料的区域印刷金属电极浆料并烘干；(f) 高温烧结。
9. 根据权利要求7所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其特征在于，包括以下 步骤(a) 对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；(b) 在N型半导体衬底表面制备介质膜；(c) 在电池背表面制备铝电极；(d) 将N型重掺杂浆料与金属电极浆料混合后同时印刷在电池前表面的局部区域并烘干；(e) 高温烧结。
10. 根据权利要求8或9所述的铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app，其特征在于，步 骤(a)所述的表面织构化和化学清洗步骤是指用酸或碱在N型半导体衬底表面制作金字塔 或凹坑状的陷光结构，并用化学清洗剂对其表面进行清洗；步骤(b)所述的介质膜覆盖N型半导体衬底的前表面或全表面；步骤(c)所述的铝电极是通过丝网印刷铝浆料、溅射铝金 属膜或蒸镀铝金属膜的方法来制备；步骤(d)所述的N型重掺杂浆料的主要成分是掺磷、掺 砷或掺锑的硅颗粒。
全文摘要
本发明公开了一种铝背发射极N型太阳电池，主要由N型半导体衬底、重掺杂N型半导体层、介质膜、铝电极、金属前电极和P型半导体层六部分组成，所述重掺杂N型半导体层只存在于金属前电极下方的局部区域，太阳电池前表面的其它区域由介质膜覆盖，金属前电极穿透介质膜并与太阳电池前表面的重掺杂N型半导体层接触。本发明还公开了上述铝背发射极N型太阳电池的利记博彩app。与传统结构铝背发射极N型太阳电池相比，本发明既保证了金属前电极与半导体衬底之间形成良好欧姆接触，又降低了前表面的平均掺杂浓度，有利于提高电池的短路电流和开路电压，从而获得更高的光电转换效率。
文档编号H01L31/06GK101764170SQ20091021446
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者杨灼坚, 梁宗存, 沈辉, 洪瑞江, 陶龙忠 申请人:中山大学