阅读说明：本技术 TOPCon太阳能电池的制造方法及其非晶硅晶化的方法和设备 ([db:专利名称-en]) 是由 马哲国 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供TOPCon太阳能电池的制造方法及其非晶硅晶化的方法和设备。所述晶化的方法包括：(a).提供用于TOPCon太阳能电池的且背面依次沉积有氧化层和非晶硅层的硅片；(b).接收硅片并将其在800-950℃的温度下进行20至40分钟的热处理,以将非晶硅层晶化成多晶硅层；以及(c).接收硅片并将其在比步骤(c)温度低50-300℃的降低温度下进行1至5分钟的降温热处理,并在每个降温热处理之后将硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理以释放应力。本发明能有效避免非晶硅晶化爆膜。([db:摘要-en])

TOPCon太阳能电池的制造方法及其非晶硅晶化的方法和设备

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造领域，特别涉及用于TOPCon太阳能电池的制造方法及其非晶硅晶化的方法和设备。

背景技术

TOPCon太阳能电池的概念是由Fraunhofer ISE在2013年第28届EU PVSEC上首次提出的，其使用一层超薄的氧化层与掺杂的薄膜硅或非晶硅钝化电池的背面。该结构为硅片的背面提供了良好的表面钝化，超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，进而电子在多晶硅层横向传输被金属收集，从而极大地降低了金属接触复合电流，提升了电池的开路电压和短路电流。

利用等离子体化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；简称PECVD)技术来沉积TOPCon太阳能电池的非晶硅膜具有无绕度、同时掺杂和均匀性好的优点。但是在实际制造TOPCon太阳能电池过程中因为非晶硅厚度达到40-200nm，在完成高温晶化并降低到常温时容易发生爆膜。据分析，爆膜的原因基本上是：高温下氢原子在位错或者晶界处聚集出生的气泡。薄膜厚度较大，从高温退火到室温的温差太大，造成热应力过大形成爆膜。

因此，如何提供一种能避免高温晶化非晶硅时发生爆膜的非晶硅晶化技术已成为业内亟待解决的技术问题。

针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的方法，所述方法包括以下步骤：(a).提供用于TOPCon太阳能电池的且背面依次沉积有氧化层和非晶硅层的硅片，所述非晶硅层为N型掺杂并且其厚度在40-200nm的范围内；(b).接收所述硅片，并将所述硅片在800-950℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以将所述非晶硅层晶化成多晶硅层；以及(c).接收所述硅片，并将所述硅片在比步骤(b)温度低50-300℃的一个或多个降低温度下进行1至5分钟的降温热处理，并在每个降温热处理之后将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。

在一实施例中，所述步骤(c)包括以下步骤：(c1).接收所述硅片，并将所述硅片在700-800℃的降低温度下进行1至5分钟的降温热处理；(c2).接收所述硅片，并将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力；(c3).接收所述硅片，并将所述硅片在500-600℃的降温温度下进行1至5分钟的降温热处理；以及(c4).接收所述硅片，并将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。

在一实施例中，步骤(c1)至(c4)均在真空条件下进行，步骤(c1)中热处理的温度比步骤(c3)中热处理的温度高50-200℃，步骤(c2)中热处理的温度与步骤(c4)中热处理的温度相同。

在一实施例中，所述方法在步骤(a)和(b)之间还包括以下步骤：(a1).接收所述硅片，并将所述硅片在450-600℃的温度下进行10至30分钟的热处理，以去除氢并防止氢在所述非晶硅层中聚集形成气泡；所述步骤(a)至(c)均在真空条件下进行；所述方法在步骤(c)之后还包括以下步骤：(d).接收所述硅片，并在经氢气稀释的氮气气氛下，将所述硅片在300-450℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力，并利用氢原子消除所述多晶硅层的悬挂键。

在一实施例中，在步骤(d)中氢气与氮气的体积比为1:19-2:8，在步骤(d)中，氢原子扩散到所述硅片的多晶硅层和硅片的界面处和所述多晶硅层的内部，从而消除硅原子的悬挂键。

本发明还提出了一种用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的设备，所述设备包括：晶化热处理区，其构造成接收用于TOPCon太阳能电池的且背面依次沉积有氧化层和N型非晶硅层的N型硅片，并将所述硅片在800-950℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以将所述非晶硅层晶化成多晶硅层；以及一组或多组彼此相邻的降温热处理区和高温应力释放区，其用于接收所述硅片，并对所述硅片依次进行一组或多组先后进行的降温热处理和应力释放热处理，其中所述降温热处理区将所述硅片在比所述晶化热处理区中的温度低50-300℃的一个或多个降低温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述高温应力释放区在每个降温热处理之后将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。

在一实施例中，所述一组或多组彼此相邻的降温热处理区和高温应力释放区包括依次相连的第一降温热处理区、第一高温应力释放区、第二降温热处理区、第二高温应力释放区，其中所述第一降温热处理区用于将所述硅片在700-800℃的降低温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述第一高温应力释放区用于将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力；所述第二降温热处理区用于将所述硅片在500-600℃的降温温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述第二高温应力释放区用于将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。

在一实施例中，所述第一降温热处理区、第一高温应力释放区、第二降温热处理区、第二高温应力释放区均在真空条件下对所述硅片进行热处理，所述第一降温热处理区中的热处理的温度比所述第二降温热处理区中热处理的温度高50-200℃，所述第一高温应力释放区中热处理的温度与所述第二高温应力释放区中热处理的温度相同。

在一实施例中，所述设备还包括：位于晶化热处理区之前的去氢热处理区，其构造成接收用于TOPCon太阳能电池的且背面依次沉积有氧化层和N型非晶硅层的N型硅片，并将所述硅片在450-600℃的温度下进行10至30分钟的热处理，以去除氢并防止氢在所述非晶硅层中聚集形成气泡，其中所述非晶硅层为与所述硅片相同类型且更重的掺杂且其厚度在40-200nm的范围内。

在一实施例中，所述设备还包括：位于所述一组或多组彼此相邻的降温热处理区和高温应力释放区之后的氢钝化处理区，所述氢钝化处理区用于接收所述硅片，并在经氢气稀释的氮气气氛下，将所述硅片在300-450℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力，并利用氢原子消除所述多晶硅层的悬挂键。

在一实施例中，所述去氢热处理区、所述晶化热处理区、所述一组或多组彼此相邻的降温热处理区和高温应力释放区均在真空条件下对所述硅片进行热处理。

在一实施例中，在所述氢钝化处理区中氢气与氮气的体积比为1:19-2:8，在所述氢钝化处理区中氢原子扩散到所述硅片的多晶硅层和硅片的界面处和所述多晶硅层的内部，从而消除硅原子的悬挂键。

本发明还提供一种TOPCon太阳能电池的制造方法，所述方法包括：提供用于制造TOPCon太阳能电池的N型硅片；湿法去除所述硅片的损伤层并形成绒面；对所述硅片进行扩散工艺以在所述硅片正面P型掺杂层；蚀刻硅片背面去除硅片背面上形成的P型掺杂层；在所述硅片的所述背面沉积氧化层和非晶硅层，所述非晶硅层为与所述硅片相同类型且更重的掺杂并且其厚度在40-200nm的范围内；通过如上所述的任一所述的非晶硅晶化的方法将所述非晶硅晶化成多晶硅；在所述硅片的正面沉积钝化减反膜，且在背面沉积减反膜；以及在所述硅片的正面和背面形成电池电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的方法和设备能够解决高温晶化非晶硅导致的爆膜问题，并通过整合去氢过程减少退火过程中氢气形成的气泡和多晶硅中的空隙，能改善退火后多晶硅的致密度和缺陷及其电学性能；本发明还整合了氢气氛围下退火，能消除多晶硅和晶体硅界面的悬挂键，从而有效改善钝化效果。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为本发明的TOPCon太阳能电池的组成结构示意图；

图2为本发明的用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的设备的实施例的组成结构示意图；

图3为进入图2所示的非晶硅晶化的设备的未完成的TOPCon太阳能电池的硅片的组成结构示意图；

图4为本发明的用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的方法的实施例的流程图；以及

图5为本发明的TOPCon太阳能电池的制造方法的实施例的流程图。

具体实施方案

以下结合附图和

具体实施方式

对本发明作详细描述，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。

参见图1，其显示了本发明的非晶硅晶化的方法和设备所应用的TOPCon太阳能电池的实施例的组成结构示意图，TOPCon太阳能电池1包括N型硅片10、依次形成在N型硅片10正面的P型扩散层11、正面钝化减反膜12以及与N型硅片10的正面形成欧姆接触的正面电极13。正面钝化减反膜12包括氧化硅膜和氮化硅膜。TOPCon太阳能电池1在其背面还包括氧化层14、N型多晶硅层15和背面减反膜16以及与N型硅片10的背面形成欧姆接触的背面电极17，背面减反膜16包括氮化硅膜。TOPCon太阳能电池1各构件的具体厚度及特性对于本领域的技术人员为已知的，在此不再赘述。本发明的非晶硅晶化的方法和设备用于将图3中的未完成的TOPCon太阳能电池1”中的N型非晶硅层15”晶化成N型多晶硅层15。

参见图2，结合参见图1和图3，图2显示了本发明的用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的设备2的实施例的组成结构示意图，所述设备2用于对如图3所示的未完成的TOPCon太阳能电池1”进行热处理，未完成的TOPCon太阳能电池1”的硅片10正面扩散形成有P型扩散区11，硅片10背面沉积有氧化层14和非晶硅层15”。

如图2所示，所述设备2包括上片区20、去氢热处理区21、晶化热处理区22、第一降温热处理区23、第一高温应力释放区24、第二降温热处理区25、第二高温应力释放区26、氢钝化处理区27、下片区28。上片区20用于加载装载在如石英材质的器具(例如石英舟)中的如图3所示的TOPCon太阳能电池1”，而下片区28用于承载装载在如石英材质的器具(例如石英舟)中的完成非晶硅晶化的所述TOPCon太阳能电池1”。在一实施例中，所述设备2可为热处理炉或炉管。在其他实施例中，用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的设备也可选择性地不设置去氢热处理区21和/或氢钝化处理区27。

去氢热处理区21用于接收如图3所示的TOPCon太阳能电池1”的形成有非晶硅层15”的硅片10，并将所述硅片10在450-600℃的温度下进行10至30分钟的热处理，以去除氢并防止氢在所述非晶硅层15”中聚集形成气泡，其中所述硅片10的背面依次沉积有氧化层14和非晶硅层15”，所述非晶硅层15”为与所述硅片相同类型且更重的掺杂且其厚度在40-200nm的范围内。所述去氢热处理区21在真空条件下对如图3所示的硅片10进行热处理。

晶化热处理区22用于接收所述硅片10，并将所述硅片10在800-950℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以将所述非晶硅层15”晶化成如图1中所示的多晶硅层15。所述晶化热处理区22在真空条件下对如图3所示的硅片10进行热处理。

所述设备2可在晶化热处理区22之后设置一组或多组彼此相邻的降温热处理区23、25和高温应力释放区24、26，其用于接收所述硅片10并对所述硅片10依次进行一组或多组先后进行的降温热处理和应力释放热处理，其中所述降温热处理区23、25将所述硅片在比所述晶化热处理区22中的温度低50-300℃的一个或多个降低温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述高温应力释放区24、26在每个降温热处理之后将所述硅片在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层15中的应力。所述一组或多组彼此相邻的降温热处理区23和25和高温应力释放区24和26在氮气气氛下对如图3所示的硅片10进行热处理。

所述一组或多组彼此相邻的降温热处理区23、25和高温应力释放区24、26包括依次相连的第一降温热处理区23、第一高温应力释放区24、第二降温热处理区25、第二高温应力释放区26，其中所述第一降温热处理区23用于将所述硅片10在700-800℃的降低温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述第一高温应力释放区24用于将所述硅片10在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力；所述第二降温热处理区25用于将所述硅片10在500-600℃的降温温度下进行1至5分钟的降温热处理，所述第二高温应力释放区26用于将所述硅片10在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。所述第一降温热处理区23、第一高温应力释放区24、第二降温热处理区25、第二高温应力释放区26均在真空条件下对所述硅片10进行热处理，所述第一降温热处理区23中的热处理的温度比所述第二降温热处理区25中热处理的温度高50-200℃，所述第一高温应力释放区24中热处理的温度与所述第二高温应力释放区26中热处理的温度相同。

氢钝化处理区27用于接收所述硅片10，并在经氢气稀释的氮气气氛下，将所述硅片10在300-450℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以释放所述多晶硅层15中的应力，并利用氢原子消除所述多晶硅层15的悬挂键。在所述氢钝化处理区27中氢气与氮气的体积比为1:19-2:8，在所述氢钝化处理区27中氢原子扩散到所述硅片的多晶硅层15和硅片的界面处和所述多晶硅层15的内部，从而消除硅原子的悬挂键。

参见图4，结合参见图1至图3，图4示出了本发明的用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的方法的实施例的流程图。如图4所示的方法40包括步骤S410，提供TOPCon太阳能电池1”的形成有N型非晶硅层15”的N型硅片10，其中所述硅片10的背面依次沉积有氧化层14和N型非晶硅层15”，所述非晶硅层15”的厚度在40-200nm的范围内，所述非晶硅层15”的掺杂可重于所述硅片10。在一实施例中，步骤S410在真空条件下进行。

所述方法40还包括步骤S420，接收所述硅片10，并将硅片10在450-600℃的温度下进行10至30分钟的热处理，以去除氢并防止氢在所述非晶硅层中聚集形成气泡，所述硅片10如图3所示。在一实施例中，步骤S420具体在真空条件下进行。

所述方法40还包括步骤S430，将所述硅片10在800-950℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以将所述非晶硅层15”晶化成多晶硅层15。在一实施例中，步骤S430在真空条件下进行。

所述方法40还包括步骤S440，接收所述硅片10，并将所述硅片10在700-800℃的降低温度下进行1至5分钟的降温热处理。在一实施例中，步骤S440在真空条件下进行。

所述方法40还包括步骤S450，接收所述硅片10，并将所述硅片10在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。在一实施例中，步骤S450在真空条件下进行，并且热处理的温度可为900℃。

所述方法40还包括步骤S460，接收所述硅片10，并将所述硅片10在500-600℃的降温温度下进行1至5分钟的降温热处理。在一实施例中，步骤S460在真空条件下进行，步骤S440中热处理的温度比步骤S460中热处理的温度高50-200℃。

所述方法40还包括步骤S470，接收所述硅片10，并将所述硅片10在800-1000℃的温度下进行10秒至5分钟的热处理，以释放所述多晶硅层中的应力。在一实施例中，步骤S470在真空条件下进行，步骤S470中热处理的温度与步骤S450中热处理的温度相同，步骤S470中热处理的温度也可为900℃。

所述方法40还包括步骤S480，接收所述硅片10，并在经氢气稀释的氮气气氛下，将所述硅片10在300-450℃的温度下进行20至40分钟的热处理，以释放所述多晶硅层15中的应力，并利用氢原子消除所述多晶硅层的悬挂键。步骤S480中氢气与氮气的体积比为1:19-2:8，氢原子扩散到所述硅片的多晶硅层和硅片的界面处和所述多晶硅层的内部，从而消除硅原子的悬挂键。在一实施例中，步骤S480中氢气与氮气的体积比为1:9。

在其他实施例中，用于TOPCon太阳能电池的非晶硅晶化的方法也可选择性地不进行步骤S420和/或步骤S480。

参见图5，结合参见图1至图4，图5示出了本发明的TOPCon太阳能电池的制造方法的实施例的流程图。如图5所示，所述方法50还包括步骤S510，提供用于制造TOPCon太阳能电池的N型硅片10。在一实施例中，所述N型硅片10为N型单晶硅片。在其他实施例中，所述硅片10可为N型多晶硅片。

所述方法50还包括步骤S520，湿法去除所述硅片10的损伤层并形成绒面。在一实施例中，通过碱腐蚀溶液(例如氢氧化钠溶液、异丙醇和Na₂SiO₃的混合液)对单晶硅片进行去损伤层和形成类似金字塔形的绒面，所述绒面结构如图1和3所示，图1和图3仅示出了硅片10正面的金字塔绒面，硅片10的背面也可存在着类似的金字塔绒面，也可通过后续的抛光工艺将硅片10背面的金字塔绒面抛光去除。

所述方法50还包括步骤S530，对所述硅片10进行扩散工艺以在所述硅片正面形成P型掺杂层。在一实施例中，通过在扩散炉管中进行硼扩散而在N型硅片上形成P型掺杂层，从而形成PN结11，步骤S530还可包括通过氢氟酸熔液去除扩散所形成的硼硅玻璃BSG。

所述方法50还包括步骤S540，蚀刻硅片10的背面去除硅片背面上形成的P型掺杂层。在一实施例中，可以通过化学刻蚀工艺将所述硅片背面的P型掺杂层刻蚀去除，同时也可延长刻蚀过程一并将硅片背面的绒面抛光去除。在不对硅片背面进行抛光的实施例中，也可通过干法刻蚀去除背面的P型掺杂层。

所述方法50还包括步骤S550，在所述硅片10的所述背面沉积氧化层14和N型非晶硅层15”，所述N型非晶硅层15”为比所述N型硅片10更重的N型掺杂并且其厚度在40-200nm的范围内。在一实施例中，所述非晶硅层15”为N⁺非晶硅。

所述方法50还包括步骤S560，通过如图4所述的非晶硅晶化的方法40将所述非晶硅15”晶化成多晶硅15。

所述方法50还包括步骤S570，在所述硅片10的正面沉积正面钝化减反膜12，且在背面沉积背面减反膜16。在一实施例中，所述正面钝化减反膜12包括依次沉积的AL₂O₃膜和氮化硅膜，所述背面减反膜16为氮化硅膜。

所述方法50还包括步骤S580，在所述硅片10的正面和背面形成电池电极13和17。在一实施例中，通过丝网印刷工艺在硅片的正面和背面印刷电极，然后通过烧结来最终形成与硅片形成欧姆接触的正面电极和背面电极。

本发明的方法和设备能够解决高温晶化非晶硅导致的爆膜问题，并通过整合去氢过程减少退火过程中氢气形成的气泡和多晶硅中的空隙，改善多晶硅的致密性和缺陷，还能改善退火后多晶硅的致密度及其电学性能；本发明还整合了氢气氛围下退火，能消除多晶硅和晶体硅界面的悬挂键，从而有效改善钝化效果。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。