技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种TOPCon太阳能电池的制备方法。
相关背景技术
[0002] 隧穿氧化层钝化接触（Tunnel Oxide Passivating Contacts，TOPCon）太阳能电池是在 PERC（Passivated emitter and rear cell）太阳能电池基础上进一步升级而来，其结构由一层超薄的隧穿氧化层和一层掺杂多晶硅（poly‑Si）层组成。Poly‑Si与基底硅界面间的氧化硅可通过化学钝化方式显著降低基底硅与poly‑Si之间的界面态密度，减少金/半接触区域的复合，有效提升该电池的光电转换效率，是继PERC电池后N型主流电池的代表。
[0003] 但同时，现有的TOPCon太阳能电池也存在诸多问题。首先，由于硅片薄片化趋势，N型硅片尺寸已经降至 130 μm，之后经过等多道湿法工序，其硅片厚度会进一步降低，由此~会导致电池光学性能的进一步损耗。其次，TOPCon太阳能电池的制备工艺也较复杂，增加了电池产量以及性能提升的技术难度。
[0004] 综上，如何进一步减少TOPCon太阳能电池制备过程中硅片厚度的降低，同时简化TOPCon太阳能电池制备工艺以提升电池性能、降低生产成本尤为关键。
具体实施方式
[0045] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0046] 一种TOPCon太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：S1、对N型单晶硅片的背面采用链式酸抛机进行单面抛光，抛光过程中只有硅片背面接触腐蚀液，正面朝上不与腐蚀液接触，因而不受腐蚀液的影响。
[0047] 在一些优选的实施案例中，S1中，所述背面抛光具体包括：将硅片在链式酸抛机中进行单面背抛光，减重为0.1 0.2 g。~
[0048] 在一些更为优选的实施案例中，所述链式酸抛机的酸槽中HF溶液（浓度45 55 ~wt%）和HNO3溶液（浓度65~75 wt%）的体积比为 1:2~1:8；温度为常温，带速1~10 m/min。
[0049] S2、通过PVD方式在硅片背面依次沉积隧穿氧化层、磷掺杂非晶硅层、掩膜层；其中，采用含磷硅靶材沉积磷掺杂非晶硅层。
[0050] 采用PVD独特的板式沉积方式，其过程不存在正面和侧面磷掺杂非晶硅层绕镀问题，因而后续过程无需去除正面和侧面绕镀层，可减少制备步骤。（常规管式LPCVD、PECVD沉积过程中不可避免会在硅片侧面以及正面同时生成绕镀层，因而需要增加一个步骤去除正面和侧面绕镀层）。
[0051] 此外，该沉积过程中掩膜层需较厚，主要由于：一方面在正面硼扩散过程中需要阻挡硼原子内扩到背面磷掺杂非晶硅层，另一方面在紧接着湿法链式酸刻蚀机去除侧面BSG层过程中背面掩膜层同步只能被部分去除，仍要保留部分掩膜层，否则后续碱清洗过程中背面含磷多晶硅层也会被破坏。
[0052] 在一些优选的实施案例中，S2中，所述隧穿氧化层的沉积条件为：磁控溅射设备射频功率100~200 W，反应气体为O2，O2流速300~500 sccm，反应腔室温度300~400℃，利用氧气电离形成隧穿氧化层，反应时间20 100 s，生长厚度1 5 nm。~ ~
[0053] 在一些优选的实施案例中，S2中，所述磷掺杂非晶硅层的沉积条件为：采用含磷硅靶材，功率30000~40000 W，反应气体为Ar、PH3，Ar:PH3流量=1:1~5:1 sccm，腔室温度200~300℃，反应时间1000 8000 s，生长厚度100 500 nm。
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[0054] 在一些优选的实施案例中，S2中，所述掩膜层的沉积条件为：采用纯硅靶材，反应气体为Ar、O2，Ar:O2流量=2:1~6:1 sccm，腔室温度200~300℃，反应时间800~3000 s，生长厚度100 300 nm。~
[0055] S3、硅片正面碱制绒。在制绒过程中，硅片正面受到碱刻蚀，从而形成金字塔绒面；而硅片背面由于受到掩膜层保护，因此可阻挡碱的刻蚀，从而实现了单面制绒的效果。
[0056] 在一些优选的实施案例中，S3具体包括：将硅片浸入碱溶液中制绒，时间6 9 ~min，温度75 85℃；碱制绒后硅片正面形成正金字塔绒面（1 2 μm）、反射率为9 10%，减重为~ ~ ~
0.15 0.25 g。
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[0057] S4、在硅片正面依次沉积隧穿氧化层、本征非晶硅层。
[0058] 在一些优选的实施案例中，S4具体包括：采用LPCVD方式在制绒后的硅片正面沉积隧穿氧化层，O2流量10000~80000 sccm，温度400~800℃，时间200~1000 s，隧穿氧化层厚度2~10 nm；在隧穿氧化层上沉积本征非晶硅层：SiH4流量300~2000 sccm，温度500~700℃，时间2 4 h，工作气压100 500 mTorr，本征非晶硅层厚度100 300 nm。~ ~ ~
[0059] S5、将硅片背靠背放入硼扩散炉中进行正面硼扩散，使本征非晶硅层的内层和表层分别转化为低晶化率硼扩散层和BSG层；并且由于硅片背面掩膜层的存在，在硼扩过程中可有效阻止硼原子绕扩到背面磷掺杂非晶硅层中，防止该层反型为硼扩散层。同时，在硼扩散的温度环境中，硅片背面的磷掺杂非晶硅层可同步实现晶化以及磷原子激活，从而转变为含磷多晶硅层。
[0060] 在一些优选的实施案例中，S5中，所述低温硼扩散的条件为：温度800 860℃，时~间20~80 min，BCl3气体流量100~1000 sccm，O2气体流量1000~3000 sccm；氧化推进温度860~895℃，O2气体流量5000~80000 sccm，推进时间50~100 min，BSG厚度20~50 nm。
[0061] 在一些优选的实施案例中，S5中，所述低晶化率硼扩散层的晶化率为20 70%。~
[0062] S6、通过激光晶化方式使低晶化率硼扩散层转变为高晶化率硼扩散层。
[0063] 由于本发明采用低温硼扩散工艺，因此只能获得低晶化率硼扩散层。为此，本发明通过激光晶化的方式，进一步提高硼扩散层的晶化率。激光晶化的优点在于：（1）正面激光晶化可避免背面磷掺杂多晶硅层受到二次高温的影响；（2）正面先采用低温硼扩散工艺可使初始本征非晶硅层转变低晶化率多晶硅层，后续只需搭配较低激光功率可有效使该部分转变为高晶化率硼扩散多晶硅层，避免了较大激光功率损伤问题。
[0064] 在一些优选的实施案例中，S6中，所述激光晶化的条件为：激光波长400 600 nm、~脉冲时间10 20 ns、频率10 20 KHz、功率1 10 W，时间1 20 s；所述高晶化率硼扩散层的晶~ ~ ~ ~
化率为70 90%。
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[0065] S7、去除硅片侧面BSG层及背面掩膜层的表层部分。由于初始背面掩膜层较厚，在去除硅片侧面BSG层同时背面掩膜层仍有部分存在，如此可为后续在碱腐蚀侧面硼扩散层过程中，确保硅片背面含磷多晶硅层不被破坏。
[0066] 在一些优选的实施案例中，S7具体包括：将硅片正面朝上采用链式酸刻蚀机去除硼扩散过程中硅片侧面形成的BSG层及背面掩膜层的表层部分；其中链式酸刻蚀机中HF溶液的浓度为20 80 wt%，带速为0.5 5 m/min。~ ~
[0067] S8、碱洗去除硅片侧面硼扩散层，再酸洗去除硅片正面BSG层和背面残留掩膜层。在硼扩散后，硅片侧面不可避免同步也会形成硼扩散层，去除侧面硼扩散层可减少后续电池侧面漏电影响。由于硅片正面存在BSG层以及背面也存在残余掩膜层，在碱抛过程中可保护硅片正面和背面不被破坏。随后通过酸洗去除正面BSG层和背面残留掩膜层。
[0068] 在一些优选的实施案例中，S8具体包括：将硅片放入碱溶液中去除侧面硼扩散层，温度75 85℃，时间3 7 min；随后硅片经酸洗去除正面BSG层和背面残留掩膜层。~ ~
[0069] S9、双面镀膜：采用ALD沉积方式在处理后的硅片双面沉积AlOx薄膜，其由Al(CH3)3与水汽反应生成，厚度为8~10 nm，工艺温度控制在220~280℃。随后采用管式PECVD设备在硅片双面沉积SiNx膜，厚度为80~120 nm，折射率为1.9~2.1；管式腔内反应气体为SiH4、NH3，工作压力为1500~1700 mTorr，功率为10000~15000 W，温度为400~600℃，SiH4气体流速为900~2000 sccm，NH3气体流速为7000~12000 sccm，沉积时间为5~20 min。
[0070] S10、将镀膜后的硅片经过丝网印刷在背面形成金属接触，之后在700 800℃烧结~形成Ag‑Si欧姆接触，最后经过光注入修复得到最终TOPCon成品太阳能电池。
[0071] 具体实施例和对比例。
[0072] 实施例1一种TOPCon太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、对N型单晶硅片1的背面进行单面抛光，如图1所示。具体包括：将N型单晶硅片在链式酸抛机中进行单面背抛光，减重为0.15 g。上述过程中，抛光过程中只有硅片背面接触腐蚀液，正面朝上不与腐蚀液接触，因而不受腐蚀液的影响。其中，链式酸抛机的酸槽中HF溶液（浓度49 wt%）和HNO3溶液（浓度69 wt%）的体积比为 1:4；温度为常温，带速1.3 m/min。
[0073] S2、通过PVD方式在硅片背面依次沉积隧穿氧化层2、磷掺杂非晶硅层3、掩膜层4，如图2所示。具体地：隧穿氧化层的沉积条件为：磁控溅射设备射频功率170 W，反应气体为O2，O2流速360 sccm，反应腔室温度360℃，利用氧气电离形成隧穿氧化层，反应时间60 s，生长厚度约3 nm。磷掺杂非晶硅层的沉积条件为：采用含磷硅靶材，功率37000 W，反应气体为Ar、PH3，Ar:PH3流量=3:1 sccm，腔室温度230℃，反应时间4500 s，生长厚度约280 nm。掩膜层的沉积条件为：采用纯硅靶材，反应气体为Ar、O2，Ar:O2流量=4:1 sccm，腔室温度280℃，反应时间2300 s，生长厚度约220 nm。
[0074] S3、将硅片浸入碱溶液中制绒，时间7 min，温度82℃。碱制绒后硅片正面形成正金字塔绒面5（1.2 μm）、反射率为9.3%，减重为0.17 g，如图3所示。
[0075] S4、在硅片正面依次沉积隧穿氧化层、本征非晶硅层，具体包括：采用LPCVD方式在制绒后的硅片正面沉积隧穿氧化层，O2流量40000 sccm，温度600℃，时间600 s，隧穿氧化层厚度约3 nm；在隧穿氧化层上沉积本征非晶硅层：SiH4流量920 sccm，温度550℃，时间3.3 h，工作气压300 mTorr，本征非晶硅层厚度约290 nm。
[0076] S5、将硅片背靠背放入硼扩散炉中进行正面低温硼扩散，使本征非晶硅层的内层和表层分别转化为低晶化率硼扩散层6和BSG层7；由于硅片背面掩膜层4的存在，在硼扩过程中可有效阻止硼原子绕扩到背面磷掺杂非晶硅层中，防止该层反型为硼扩散层。同时，在硼扩散的温度环境中，硅片背面的磷掺杂非晶硅层可同步实现晶化以及磷原子激活，从而转化为含磷多晶硅层8（如图4所示）。其中，硼扩散的条件为：温度820℃，时间50 min，BCl3气体流量300 sccm，O2气体流量2000 sccm；氧化推进温度890℃，O2气体流量9500 sccm，推进时间60 min，BSG厚度47 nm。所得低晶化率硼扩散层的晶化率约为63%。
[0077] S6、通过激光晶化方式使低晶化率硼扩散层转变为高晶化率硼扩散层9，如图5所示。激光晶化的条件为：激光波长532 nm、脉冲时间12 ns、频率15 KHz、功率8 W，时间5 s；所述高晶化率硼扩散层的晶化率约为89%。
[0078] S7、将硅片正面朝上采用链式酸刻蚀机去除硼扩散过程中硅片侧面形成的BSG层及背面掩膜层的表层部分；其中链式酸刻蚀机中HF溶液的浓度为40 wt%，带速为3 m/min。
[0079] S8、碱洗去除硅片侧面硼扩散层，再酸洗去除硅片正面BSG层7和背面残留掩膜层，如图6所示。具体包括：将硅片放入碱溶液中去除侧面硼扩散层，温度75℃，时间5 min；随后硅片经酸洗去除正面BSG层和背面残留掩膜层。
[0080] S9、双面镀膜，形成钝化减反层10：采用原子层沉积ALD方式先在处理后的硅片双面沉积AlOx薄膜，其由Al(CH3)3与水汽反应生成，厚度约为8 nm，工艺温度控制在250℃。随后采用管式PECVD设备在硅片双面沉积SiNx薄膜，SiNx薄膜的厚度约为90 nm，折射率为2.0。沉积SiNx薄膜时管式腔内反应气体为SiH4、NH3，工作压力为1600 mTorr，功率为12000 W，温度为440℃，SiH4气体的流量为980 sccm，NH3气体的流量为8000 sccm，沉积时间为10 min。
[0081] S10、将镀膜后的硅片经过丝网印刷在背面形成金属接触（电极层11），之后在780℃烧结形成Ag‑Si欧姆接触，最后经过光注入修复得到最终TOPCon成品太阳能电池，结构如图7所示。
[0082] 实施例2实施例2与实施例1的区别在于S2（其余步骤一样）中，采用通过板式PECVD方式在硅片背面依次沉积隧穿氧化层、磷掺杂非晶硅层、掩膜层。具体条件为：隧穿氧化层的沉积条件为：功率为9500 W，反应气体为N2O，其流量为20000 sccm，温度为450℃，时间为300 s，工作压力为1800 mTorr，生成隧穿氧化层的厚度约为3 nm。磷掺杂非晶硅层的沉积条件为：
PH3流量1700 sccm，SiH4流量2300 sccm，H2流量7000 sccm，温度460℃，时间18 min，工作压力2200 mTorr，生成硼掺杂非晶硅层的厚度约为280 nm。掩膜层的沉积条件为：SiH4流量
2500 sccm，N2O流量9300 sccm，温度460℃，时间15 min，工作压力2700 mTorr，掩膜层厚度约为220 nm。
[0083] 实施例3实施例3与实施例1的区别在于S7和S8（其余步骤一样），采用激光去绕镀的方式去除硅片侧面绕镀的硼扩散层。具体条件为：
S7、将多片S6所得硅片层状堆叠。层状堆叠后下层硅片的正面与上层硅片的背面相贴，且层状堆叠后所有硅片四个侧面齐平。随后通过激光依次处理层状堆叠后所有硅片四个侧面的BSG层。在激光处理完一个侧面后，可将堆叠硅片顺时针旋转90°紧接着处理下一个侧面的BSG层，共依次处理4个侧面；其中激光条件为：采用皮秒激光，激光波长532 nm，频率600 KHz，打标速度45000 mm/s，功率50 W，处理时间3 s。
[0084] S8、将激光处理后的硅片放入碱溶液中清洗，温度为75℃，去除侧面硼扩散层；由于硅片正面存在BSG层以及背面存在掩膜层，在碱抛过程中可保护硅片正面和背面不被破坏。随后通过酸洗去除正面BSG层和背面掩膜层。
[0085] 对比例1对比例1采用标准TOPCon电池流程，具体包括以下步骤：
S1、将切割后的N型单晶硅片进行双面碱制绒，其中碱浓度为1.7 wt%，温度为80℃，时间为7 min，减重为0.36 g，从而在硅片正/背面同时形成金字塔绒面。
[0086] S2、在硅片正面依次沉积隧穿氧化层、本征非晶硅层，具体包括：采用LPCVD方式在制绒后的硅片正面沉积隧穿氧化层，O2流量40000 sccm，温度600℃，时间600 s，隧穿氧化层厚度约为3 nm；在隧穿氧化层上沉积本征非晶硅层：SiH4流量920 sccm，温度550℃，时间3.3 h，工作气压300 mTorr，本征非晶硅层厚度约为290 nm。
[0087] S3、在硅片正面生成硼扩散层和BSG层。硼扩散的条件为：硼扩散温度930℃，扩散时间25 min，BCl3气体流量200 sccm，O2气体流量1200 sccm，氧化推进温度1050℃，O2气体流量为20000 sccm，推进时间60 min，所得BSG层厚度约为48 nm。
[0088] S4、将硅片正面朝上采用链式酸刻蚀机去除硼扩散过程中硅片侧面和背面在硼扩散过程中绕扩形成的BSG层；其中链式酸刻蚀机中HF溶液的浓度为40 wt%，带速为3 m/min。
[0089] S5、随后采用碱抛光的形式将硅片侧面和背面绕扩的硼扩散层去除，同时使硅片背面形成较为平整的抛光面，为后续沉积磷掺杂非晶硅层做铺垫；其中碱抛光条件为：2.0 wt%，温度为75℃，时间为5 min，减重为0.27 g；过程中由于硅片正面存在BSG层，可有效保护BSG层底部硼扩散层不被碱溶液破坏。
[0090] S6、采用PECVD形式在抛光后的硅片背面依次沉积隧穿氧化层、磷掺杂非晶硅层、掩膜层；其中隧穿氧化层的沉积条件为：功率为9500 W，反应气体为N2O，其流量为20000 sccm，温度为450℃，时间为300 s，工作压力为1800 mTorr，生成隧穿氧化层的厚度约为3 nm。磷掺杂非晶硅层的沉积条件为：PH3流量1700 sccm，SiH4流量2300 sccm，H2流量7000 sccm，温度460℃，时间18 min，工作压力2200 mTorr，生成硼掺杂非晶硅层的厚度约为280 nm；过程中由于硅片正面存在BSG层，可有效阻挡磷原子内扩到硼扩散层，防止该层被反型。掩膜层的沉积条件为：SiH4流量2500 sccm，N2O流量9300 sccm，温度460℃，时间15 min，工作压力2700 mTorr，掩膜层厚度约为220 nm。
[0091] S7、之后将硅片进行高温晶化，使磷掺杂非晶硅转变为含磷多晶硅层，其中高温晶化的条件为：N2流量为5000 sccm，温度为890℃，时间为55 min。
[0092] S8、将硅片背面朝上采用链式酸刻蚀机去除硅片正面和侧面在沉积磷掺杂非晶硅过程中绕扩形成的掩膜层，其中链式酸刻蚀机中HF溶液的浓度为30 wt%，带速为5 m/min。
[0093] S9、随后将去完正面和侧面掩膜层的硅片再次放入碱抛光溶液中进行去绕镀处理，其中碱浓度2.2 wt%，温度为72℃，时间为4 min，减重为0.017 g；过程中由于硅片正面存在BSG层、背面存在掩膜层，可分别有效保护硼扩散层和含磷多晶硅层不被碱溶液破坏。随后通过酸洗去除正面BSG层和背面掩膜层。
[0094] S10、采用原子层沉积ALD方式先在处理后的硅片双面沉积AlOx薄膜，其由Al(CH3)3与水汽反应生成，厚度约为8 nm，工艺温度控制在250℃。随后采用管式PECVD设备在硅片双面沉积SiNx薄膜，SiNx薄膜的厚度约为90 nm，折射率为2.0。沉积SiNx薄膜时管式腔内反应气体为SiH4、NH3，工作压力为1600 mTorr，功率为12000 W，温度为440℃，SiH4气体的流量为980 sccm，NH3气体的流量为8000 sccm，沉积时间为10 min。
[0095] S11、将镀膜后的硅片经过丝网印刷在背面形成金属接触，之后在780℃烧结形成Ag‑Si欧姆接触，最后经过光注入修复得到最终TOPCon成品太阳能电池。
[0096] 对比例2对比例2与实施例1的区别仅在于：S5低温硼扩散过程中，温度过低，导致磷掺杂非晶硅层转变含磷多晶硅层的晶化率偏低，从而导致电池性能下降。
[0097] 具体条件为：S5、低温硼扩散的条件为：温度780℃，时间25 min，BCl3气体流量300 sccm，O2气体流量1500 sccm；氧化推进温度850℃，O2气体流量为10000 sccm，推进时间
70 min，BSG厚度约为39 nm。
[0098] 对比例3对比例3与实施例1的区别仅在于：不包括S6激光晶化步骤，S5采用高温硼扩散工艺，高温硼扩散过程中，温度过高，导致磷掺杂非晶硅层转变含磷多晶硅层过程中磷原子大量内扩到硅基底中，从而导致电池性能下降。
[0099] 具体条件为：S5、高温硼扩散的条件为：温度910℃，时间25 min，BCl3气体流量300 sccm，O2气体流量1500 sccm；氧化推进温度1070℃，O2气体流量为10000 sccm，推进时间70 min，BSG厚度约为60 nm。
[0100] 性能对比对上述各实施例和对比例所制得的TOPCon太阳能电池进行各项性能测试，结果如下表所示：
[0101] 由上表数据对比可知：首先，对于实施例1而言，由于采用了单面制绒的方式，硅片的减薄量较少，电池的光学性能得以进一步提升。
[0102] 其次，采用了低温硼扩散搭配激光晶化形式处理正面硼掺杂非晶硅层，一方面在正面低温硼扩散过程中，由于该过程工艺温度完美匹配背面磷掺杂非晶硅层转变为磷掺杂多晶硅层所需温度，可实现背面磷掺杂非晶硅层同步晶化；另一方面，激光晶化可修复正面由于初始低温导致的硼扩散层晶化率较低的问题，同时避免了背面受到二次高温的影响，因而整体电池性能最佳。
[0103] 对于实施例2和实施例3而言，则分别提供了另一种利用板式PECVD单面无绕镀的磷掺杂非晶硅沉积方法以及激光去除侧面硼扩散层的方式，两者也可制备性能较佳的TOPCon电池，但与实施例1相比，性能稍低。
[0104] 对于对比例1，由于采用的是常规管式PECVD方式沉积磷掺杂非晶硅的路线，过程中需要经过双面制绒、背面抛光、去正面和侧面绕镀等多道湿法步骤，且需要额外增加背面高温晶化过程，整体工艺较复杂，且硅片减薄量也较大，影响了电池的性能，相比实施例1‑3而言偏低。
[0105] 对于对比例2而言，由于硼扩散过程温度较低，导致硅片背面磷掺杂非晶硅层无法充分转变为含磷多晶硅层，使得该层对光的寄生吸收较大，同时也影响了后续金/半接触性能，使得整体性能较低。
[0106] 对于对比例3而言，由于硼扩散过程温度较高，导致硅片背面磷掺杂非晶硅转变含磷多晶硅层过程中磷原子向硅基底内扩严重，不仅加剧了硅片背面载流子复合速率，且过程中背面掩膜层在硼扩散过程也无法有效阻挡硼原子进入背面含磷多晶硅层中，使得电池性能最低。
[0107] 本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0108] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
