TWI555221B

TWI555221B - 光伏電池及其製造方法

Info

Publication number: TWI555221B
Application number: TW102137893A
Authority: TW
Inventors: 腓特列巴姆伯格
Original assignee: 德國電池公司
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2016-10-21
Also published as: US20140150849A1; CN103855250B; TW201427063A; CN103855250A

Description

光伏電池及其製造方法

本發明涉及一種通過如下過程在矽襯底的表面上形成金屬層的方法：在矽襯底表面上形成第一層第一組成物，以及然後在第一層上形成第二層第二組成物，所述第一組成物包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)金屬，和/或B，或者(ii)N、P、和/或Sb，所述第二組成物包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)金屬和/或B，或者(ii)N、P、和/或Sb，其中第一組成物包括具有比第二組成物的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑的顆粒。此外，本發明還涉及光伏電池以及能夠利用本發明的方法獲得的太陽能模組。

在曝光時，在p-n結光伏電池中產生電子-空穴對。通過耗盡區的電場，將電子和空穴朝向其各自的n摻雜區域和p摻雜區域分開。為了提高光伏電池的性能，避免通過例如電荷載流子的表面再結合而發生的損耗是重要的。降低高的頂面再結合通常是通過在頂面上形成鈍化層(通常為氮化矽)來實現的。在後表面處採用類似的效果以使後表面再結合的影響最小化。“背面場”(BSF)由在太陽能電池的後部上處於底層金屬接觸部(contact)的相同電荷的更高摻雜區域構成。高摻雜區域和低摻雜區域之間的交界面p++ - p+或者n++ - n+表現如p-n結，並且電場形成在將少數載流子流的勢壘引至後表面的交界面處。因此，在低摻雜區域中少數載流子濃度保持在較高的水準，並且BSF具有鈍化後表面的淨效應。此外，相反電荷的運動被朝向電池前側處的p-n結引導。

在Si太陽能電池中，BSF能夠通過後表面的金屬化來形成，例如使用鋁，使金屬原子擴散到下層中並且得到接近後表面的更高摻雜區域。同時，鋁層用作背側接觸部。

常見地，鋁以包含鋁顆粒的漿料的形式印刷在太陽能電池的後表面上並且在高溫下退火。可供用於這些用途的鋁漿料包括各種直徑的鋁顆粒，這些鋁顆粒基本上是多分散的以實現高的封裝密度以及因此實現更佳的橫向傳導性。

儘管為了獲得良好的導電性期望使用較大的顆粒和高封裝密度，但是如果使用較小的顆粒BSF的生成更加高效。因此，具有各種直徑的金屬顆粒的可用漿料的使用代表了高導電性和良好的接觸/摻雜特性之間的折衷。

因此，本領域中對於克服現有技術的已知缺陷的方法和組成物存在需求。本發明提供了這些方法。

本發明的目的是提供用於在襯底的表面上生成金屬層的方法以及包括這種襯底的器件。本發明基於發明人的如下發現：通過形成兩個單獨的包含顆粒的層，在光伏電池的表面上形成層，從而提供了具有展現出強的背面場(BSF)和高的導電率的背側金屬化的光伏電池，其中直接地形成在光伏電池表面上(尤其在不連續介電層位於金屬接觸部和摻雜襯底之間的情況下形成在接觸區域中)的第一層包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)金屬和/或B，或者(ii)P和/或Sb，該顆粒具有比形成在第一層之上的第二層的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑。

在第一方案中，本發明因此涉及一種在矽襯底上形成層的方法，所述方法包括：(i)在矽襯底的表面上形成第一層第一組成物；以及(ii)在第一層上形成第二層第二組成物；其中兩層彼此電接觸，第一組成物包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb和/或Bi，第二組成物包括金屬顆粒，並且其中，第一層的顆粒具有比第二組成物的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑。

在另一方案中，本發明涉及一種能夠根據本發明的方法製造或獲得的光伏電池。

在又一方案中，本發明涉及包括後表面金屬層的光伏電池，其中所述金屬層包括第一層和第二層，其中所述第一層包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb和/或Bi，其中所述第二層包括金屬顆粒，其中第一層夾在光伏電池的矽底層和第二層之間，並且其中第一層包括具有比第二層的顆粒的平均直徑小的平均直徑的顆粒。

在又一方案中，本發明涉及包括一個或多個根據本發明所述的光伏電池的太陽能模組。

101、201、301、401‧‧‧第二層

102、202、304、404‧‧‧第一層

103、203、303、403‧‧‧矽襯底

104、105‧‧‧顆粒

302、402‧‧‧另一層

圖1是示出在矽襯底103的表面上的包括顆粒104的第一層102以及包括具有比第一層102的顆粒104的平均直徑大的平均直徑的顆粒105的第二層101的剖面圖的示意性圖示，由此第二層101沉積在第一層102之上，並且兩層彼此電接觸。

圖2是剖面圖的示意性圖示，其中沉積在矽襯底203上的包括顆粒的第一層202是不連續的且由包括顆粒的第二層201覆蓋。第一層202的顆粒具有比第二層201的顆粒的平均直徑小的平均直徑。

圖3是剖面圖的示意性圖示，其中在第二層301和矽襯底303之間佈置有第一層304和諸如鈍化層之類的另一層302。

圖4是剖面圖的示意性圖示，其中在第二層401和矽襯底403之間佈置有第一層404和諸如鈍化層之類的另一層402。

本發明基於發明人的驚人發現，即，通過以包括形成具有不同顆粒尺寸的兩個單獨層的兩步式工藝在光伏電池的後表面處生成金屬層，能夠改善背側金屬化的傳導率以及背面場和光伏電池的電場。不希望受特定理論約束，認為該改善是由於第一層包括具有較小平均直徑的顆粒，這允許下層的矽層與提供改進的導電率的具有較大顆粒的第二層的更好的接觸和摻雜。因此，本發明通過避免僅使用一種包含金屬的漿料用於後表面金屬化所施加的限制來允許高的BSF強度以及高的傳導率。

基於該發現，本發明因此涉及一種在矽襯底(諸如光伏電池)的表面上形成接觸層的方法，包括以下步驟：(i)在襯底的表面上形成第一層第一組成物；以及(ii)在第一層上形成第二層第二組成物，其中兩層彼此電接觸，其中第一組成物包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb和/或Bi，其中第二組成物包括包含金屬或由金屬組成的顆粒，並且其中第一層的顆粒具有比第二組成物的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑。

第一層的顆粒選自相同的元素組，即(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb和/或Bi。顆粒中所包含的元素的類型取決於矽層是p型矽層(在該情況下，元素選自第一組)，還是n型矽層(在該情況下，元素選自第二組)。

在第一層上形成第二層的步驟意味著，兩層至少部分地彼此接觸。因此，第一層、第二層或者兩層都可以是不連續的。還可設想的是，另一層佈置在第一層和第二層之間，使得第一層和第二層僅在一些區域中彼此接觸。在一個實施例中，第一層僅形成在襯底的一些區域中，而在襯底的其它表面區域中形成諸如鈍化層之類的另一不同層，並且第二層形成在兩者之上，例如，使得其不直接接觸襯底表面。在圖1-4中示意性地圖示出了在襯底上的兩層的示例性佈置。

形成在矽襯底的表面上的層因此由至少兩個單獨層構成，一層具有較細的顆粒，稱為第一層，其至少部分地接觸下層的矽層。該層能夠在較小的區域中(例如，在點狀區域中)接觸下層，小的區域能夠彼此隔離或連接，或者能夠在較大的部分上接觸下層並且形成廣布層。第二層佈置在該較細的顆粒層之上並且包括較大的金屬顆粒，該層被稱為第二層。第二層能夠直接地形成在第一層之上，但是如上文所述，還可設想的是，存在形成於第一層和第二層之間的一個或多個附加層。類似地，本發明還涵蓋了，在光伏電池的表面上的接觸層包括多於兩層(即，第一層和第二層)的層。因此，本發明的方法還能夠包括：在第二層之上形成第三層、第四層等的步驟。

層的形成能夠通過本領域技術人員已知的各種技術來完成，包括但不限於印刷、諸如電鍍沉積之類的電鍍、滴塗、噴塗、粉末塗覆和/或包括化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)等氣相沉積。印刷可以為例如絲網印刷或擠壓印刷。

一般地，用於層的形成的組成物呈允許通過所選技術來形成層的形式。這意味著，組成物可以呈粉末形式、液體形式或氣態形式。如在該背景下使用的術語“液體”包括分散體、凝膠體和漿料。

所形成的層可以為導電的。

在本發明的一個實施例中，第一組成物中所包括的顆粒可以選自鋁(Al)、硼(B)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)和/或它們的組合物，優選地為Al或B，更優選地為Al。在另一實施例中，第一組成物中所包括的顆粒可以選自磷(P)、砷(As)、鉍(Bi)和/或它們的組合物，優選地為P。

在各個實施例中，第二組成物的顆粒可以包括導電的金屬或由導電的金屬組成，該導電的金屬諸如鋁(Al)、銀(Ag)或銅(Cu)。可選地，獨立於第一組成物的顆粒，第二組成物中所包括的金屬顆粒可以選自上文所列出的作為第一組成物的成分的任何金屬，即，可以選自鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)和/或它們的組合物，優選地為Al，或者可選地為鉍(Bi)。在另一可選方案中，第二組成物的顆粒能夠選自任意導電金屬。

通常，顆粒可以基本上為單分散的。這意味著，其直徑從平均直徑變化僅達到大約50%，或達到大約100%。本文所使用的“單分散”因此意味著，在組成物中所包含的顆粒中的大約90%具有位於平均直徑範圍內的直徑、位於平均直徑±100%的範圍內的直徑或平均直徑±50%的範圍內的直徑。

可選地，在其它實施例中，顆粒可以為多分散的。

在本文中結合顆粒所使用的術語“直徑”涉及顆粒的最大尺寸的直徑(如果顆粒不是球形的)。

在各個實施例中，第一組成物的顆粒可具有 <5μm(例如，<3μm)的平均直徑，或者其在大約0.01μm至大約5μm、大約0.02μm至大約4μm或大約0.03μm至大約3μm的範圍內。第二組成物的金屬顆粒可具有大約0.1μm至大約20μm、大約1μm至大約15μm或大約3μm至大約10μm的平均直徑。

在本發明中所描述的顆粒可具有任意形狀，包括但不限於球形、立方體、矩形、針狀、纖維狀、片狀、菱形、和角錐狀。優選的形狀包括球形、立方體、矩形、菱形和片狀。

兩層可具有相同或不同的厚度。在各個實施例中，第一層的平均厚度小於第二層的平均厚度。例如，第一層的平均厚度可以為<20μm，例如<10μm,<5μm或<1μm，或者可以在大約0.1μm至大約20μm、大約0.5μm至大約15μm、大約1μm至大約10μm、或大約1μm至大約5μm之間的範圍內。在各個實施例中，第二層的平均厚度可以在大約2μm至大約70μm、大約3μm至大約40μm或大約5μm至大約30μm之間的範圍內。

本發明的方法還可以包括附加步驟，包括但不限於在例如通過絲網印刷包含顆粒的漿料形成第一層之後實施的乾燥步驟，並且在形成第二層之前將第一層乾燥。類似地，也可以在第二層一旦已經形成時，實施乾燥步驟。另外，在形成第一層和/或第二層之後，可以實施加熱步驟或燒結步驟(“灼燒”)。還可以在100-300℃(例如，在大約200℃)的高溫下實施乾燥步驟。可以在大約400至1000℃或大約550-850℃的範圍內的溫度下執行燒結步驟。

除了上文限定的顆粒之外，用於形成層的組成物可以包括一種或多種附加成分。在這種組成物中使用的示例性的成分包括但不限於溶劑、分散劑、添加劑、流變調節劑、填充劑、玻璃及其混合物。而且，還可能的是，組成物包含用於影響所形成層的導電率的其它金屬。如上所述，組成物可以為漿料的形式。在各個實施例中，組成物為可印刷的、優選地為可絲網印刷的漿料的形式。

形成在光伏電池的表面上的層可以為塗層。這意味著該層覆蓋了整個表面。可選地，該層可僅覆蓋表面的部分，例如在接觸區域中的部分。

在各個實施例中，矽襯底是矽光伏電池。在一個具體的實施例中，形成有層的表面為Si光伏電池的p型層。該表面可以為後表面，即，在使用時未暴露於光的表面。

本發明還涉及能夠通過實施上述方法獲得或通過實施上述方法獲得的光伏電池。

通常，本發明還涉及包括後表面金屬層的光伏電池，後表面金屬層包括第一層和第二層，第一層包括包括如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或(ii)P、As、Sb和/或Bi，第二層包括包含任意金屬或由任意金屬組成的顆粒，例如Al、Ag或Cu，並且第一層夾在光伏電池的矽底層和第二層之間，其中第一層包括具有比第二層的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑的顆粒。

在這種光伏電池中，層中的一個或多個可以彼此電接觸。

第一層的顆粒和第二層的顆粒在其尺寸、分散度和材料方面如上文結合第一組成物和第二組成物的顆粒進行了如上所述的限定。而且，光伏電池可以包括多於上述限定的兩層的層。

類似地，光伏電池的層的厚度與上文結合本發明方法所公開的類似地被限定。儘管如此，如上文所公開的層的厚度會由於在乾燥或燒結步驟期間發生的收縮而進一步減小。

層可具有塗層的形式。

最後，本發明的特徵還在於包括一個或多個根據本發明所述的光伏電池的太陽能模組。

儘管已經公開了本發明的特定的優選的和可選的實施例，但對於本領域普通技術人員顯而易見的是，可利用本文所描述的本發明的教導來實現上述技術的許多不同的變型例和延伸例。意在所有這樣的變型例和延伸例都包含在如隨附權利要求書中限定的本發明的真正主旨和範圍內。

101‧‧‧第二層

102‧‧‧第一層

103‧‧‧矽襯底

104、105‧‧‧顆粒

Claims

一種在矽襯底的表面上形成層的方法，所述方法包括：(i)在所述矽襯底的所述表面上形成背面場層作為第一組成物之第一層；以及(ii)在所述第一層上形成導電金屬層作為第二組成物之第二層；其中兩層彼此電接觸，所述第一組成物包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In、和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb、和/或Bi，所述第二組成物包括包含金屬或由金屬組成的顆粒，並且其中，所述第一層的所述顆粒具有比所述第二組成物的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑；並且施予灼燒步驟，其溫度範圍係介於400℃至1000℃間，以驅使從所述第一組成物之所述第一層之成分進入所述矽襯底而形成一背面場。
如請求項1所述的方法，其中所述第一層和/或所述第二層是通過將所述第一組成物和/或所述第二組成物絲網印刷、擠壓印刷和/或電鍍沉積到所述矽襯底上而形成的。
如請求項1所述的方法，其中所述第一組成物的所述顆粒包含(i)B和/或Al，或者(ii)P和/或Sb；和/或其中所述第二組成物的所述顆粒包含導電金屬。
如請求項3所述的方法，其中所述第二組成物的所述顆粒包含Al。
如請求項1所述的方法，其中所述第一組成物的所述顆粒和/或所述第二組成物的所述金屬顆粒基本上是單分散的。
如請求項1所述的方法，其中所述第一層的平均厚度小於所述第二層的平均厚度。
如請求項1所述的方法，其中所述第一組成物和/或所述第二組成物還包括選自溶劑、分散劑、添加劑、流變調節劑、填充劑、玻璃及其混合物中的至少一種組分。
如請求項1所述的方法，其中所述矽襯底為光伏電池。
一種光伏電池其係能夠根據如請求項1所述的方法獲得。
一種光伏電池，其包括背面接觸層堆疊，所述背面接觸層堆疊包括作為第一層之背面場層和作為第二層之導電金屬層，所述背面場層包括包含如下成分或由如下成分組成的顆粒：(i)B、Al、Ga、In和/或Tl，或者(ii)P、As、Sb和/或Bi，所述第二層包括包含金屬或由金屬組成的顆粒，並且所述第一層夾在所述光伏電池的矽襯底和所述第二層之間，其中所述第一層包括具有比所述第二層的金屬顆粒的平均直徑小的平均直徑的顆粒。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第一層的所述顆粒和/或所述第二層的所述金屬顆粒基本上是單分散的。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第一層的平均厚度小於所述第二層的平均厚度。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第一層的厚度在大約0.1μm-20μm之間的範圍內。
如請求項13所述的光伏電池，其中所述第一層的厚度在大約0.5μm-15μm之間的範圍內。
如請求項14所述的光伏電池，其中所述第一層的厚度在大約1μm-10μm之間的範圍內。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第二層的厚度在大約2μm-70μm之間的範圍內。
如請求項16所述的光伏電池，其中所述第二層的厚度在大約3μm-40μm之間的範圍內。
如請求項17所述的光伏電池，其中所述第二層的厚度在大約5μm-30μm之間的範圍內。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第一層的所述顆粒具有大約0.01μm至大約5μm的平均直徑。
如請求項19所述的光伏電池，其中所述第一層的所述顆粒具有大約0.02μm至大約4μm的平均直徑。
如請求項20所述的光伏電池，其中所述第一層的所述顆粒具有大約0.03μm至大約3μm的平均直徑。
如請求項10所述的光伏電池，其中所述第二層的所述金屬顆粒具有大約0.1μm至大約20μm的平均直徑。
如請求項22所述的光伏電池，其中所述第二層的所述金屬顆粒具有大約1μm至大約15μm的平均直徑。
如請求項23所述的光伏電池，其中所述第二層的所述金屬顆粒具有大約3μm至大約10μm的平均直徑。
一種太陽能模組，包括一個或多個如請求項10所述的光伏電池。