CN101478013A - 一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法以及用该方法制造的太阳电池 - Google Patents
一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法以及用该方法制造的太阳电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法以及用该法制造的太阳电池。具体而言，涉及通过包含至少两种含卤素的气体和氧化性气体的反应离子刻蚀气体在反应离子刻蚀腔中进行反应离子刻蚀的方法以及用该法制造的太阳电池。用该法制备的硅片绒面均一、反射率低。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池制造领域，特别涉及利用反应离子刻蚀进行单晶硅或多晶硅表面制绒的方法以及用该方法制造的太阳电池。
背景技术
在晶体硅太阳电池的制造过程中，由于单晶硅片和多晶硅片与溶液反应不易控制，溶液腐蚀工艺不能在单晶硅和多晶硅表面上产生足够均匀一致和足够低反射率的绒面。利用掩膜腐蚀法制备硅片绒面需要相当复杂的工艺。首先要在硅片上氧化出一层二氧化硅掩膜，然后在掩膜上开一系列大约4微米的小孔，再进行酸腐蚀。尽管掩膜腐蚀法可以制备出反射率很低的绒面，由于工艺复杂性，掩膜腐蚀法还不能在工业生产中得到应用。传统方法制造单晶硅绒面一般需要使用与多晶硅制绒不同的设备或工艺，给产品的切换带来困难。另外，溶液腐蚀法需要使用大量的化学品溶液，给减少废液排放或实现零排放带来较大压力。虽然已有反应离子刻蚀技术方面的报道，但是已有的反应离子刻蚀技术采用含一种卤素气体与其他气体的组合制造单晶或多晶绒面，这种方法仍不能得到足够低反射率的绒面，已有技术制备的绒面的反射率在10％～20％。并且已有的反应离子刻蚀技术制造速度较慢，无法实现每小时1200片以上连续制造。
发明内容
本发明人在研究中，通过大量实验发现：当使用包含至少两种含卤素的气体和氧化性气体的反应离子刻蚀气体进行晶体硅绒面制备时，制备的硅片的绒面，与已有的反应离子刻蚀技术所制备的硅片的绒面相比，绒面的反射率显著地降低，且能够实现大批量连续生产。基于此实验成果，完成了本发明。
因此，本发明的一个目的是提供一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法。
本发明的另一目的是提供一种太阳电池，该电池的基质材料如多晶硅或单晶硅片采用上述方法来制备绒面。
本发明提供的一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，该方法是将硅片放入反应离子刻蚀腔，然后通入反应离子刻蚀气体进行硅片表面刻蚀，其中，所述反应离子刻蚀气体中包含至少两种含卤素的气体和氧化性气体。
上述方法中，所述含卤素的气体的总量和氧化性气体的体积比为3～18:5～25，优选为5～17:9～23，最优选为6～15:10～19。
上述方法中，所述至少两种含卤素的气体为Cl2、CF4、HBr、C2F6、SF6、F2、CHF3和NF3中的至少两种的任意组合；所述氧化性气体为O2或O3。
优选地，上述方法中，所述至少两种含卤素的气体中至少一种为Cl2；所述氧化性气体为O2。
进一步优选地，所述反应离子刻蚀气体中包含两种含卤素的气体，且Cl2与另一种含卤素的气体的体积比为1～6:2～12，优选为1～5:5～11，最优选为2～5:6～10。
上述方法中，所述硅片包括单晶硅片和多晶硅片。
在上述方法中，所述反应离子刻蚀气体被激发形成等离子体，并由电场控制其方向。
具体地，所述方法为：把硅片放入反应离子刻蚀腔中，抽真空至1.5×10-8～1.5×10-1帕，然后，以300～1800毫升/分钟的流量通入含卤素的气体以及以500～2500毫升/分钟的流量通入氧化性气体，待腔体内压力稳定后，加射频功率200～1500瓦，刻蚀0.2～1.5分钟，停止供气，抽真空至1.5×10-8～1.5×10-1帕，然后以600～1500毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，之后打开工艺腔，将硅片取出。
通过上述方法制备的硅片的绒面反射率在7.90％～9.30％。
本发明提供的一种太阳电池，其中使用的硅片的绒面通过上述的方法制造。
具体实施方式
本发明提供了一种反应离子刻蚀硅片(包括单晶硅片和多晶硅片)的方法。该反应离子刻蚀方法的特征是：采用包含至少两种含卤素气体与氧化性气体的反应离子刻蚀气体，产生由电场控制方向的等离子体撞击，形成各向异性微观侧壁图形和粗糙表面，撞击出来的微颗粒对部分表面的撞击产生阻挡作用，进一步强化表面粗糙，反应离子刻蚀气体中的氧化和化学活性基团同时与单晶硅片或多晶硅片表面产生氧化和腐蚀化学反应，使硅原子受物理撞击脱离硅片表面更容易，加速粗糙表面的形成。这样，在硅片表面形成非常均匀一致的绒面。这种绒面表面反射率比已有技术制造的绒面反射率更低，本发明制造的绒面反射率在7.90％～9.30％。并且本发明的制造速度快，可以实现每小时2500片以上的连续制造。
本发明的制绒过程是一个反应离子刻蚀过程。本发明的反应离子刻蚀过程是把硅片放入一种等离子体气氛中刻蚀。本发明所使用的等离子体是由至少两种含卤素的气体和氧化性气体经过激发所形成。所述含卤素的气体选自Cl2、CF4、HBr、C2F6、SF6、F2、CHF3和NF3中；所述氧化性气体包括O2或O3。优选地，所述含卤素的气体中至少一种为Cl2；所述氧化性气体为O2。例如，本发明所使用的含卤素气体以及氧化性气体可以是Cl2和SF6以及O2。但本发明的含卤素气体以及氧化性气体并不局限于Cl2和SF6以及O2。本发明例如，还可以使用CF4、C2F6以及O2或者NF3、HBr以及O3的混合物。
当把硅片放入反应离子刻蚀腔中，抽真空至1.5×10-8～1.5×10-1帕，以300～1800毫升/分钟的流量通入含卤素的气体(其中，以100～600毫升/分钟的流量通入Cl2和以200～1200毫升/分钟的流量通入另一种含卤素化合物气体)以及以500～2500毫升/分钟的流速通入氧化性气体，待腔体内压力稳定后，加射频功率200～1500瓦，刻蚀0.2～1.5分钟，停止供气，抽真空至1.5×10-8到～1.5×10-1帕，以600～1500毫升/分钟的流速通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。硅片表面被受控的等离子体撞击并发生反应。由于等离子体方向受控，部分微观表面的受撞击程度和反应生成气化产物的速度快于相邻微观表面。所以形成受控形貌均匀一致的绒面。绒面的大小可以通过气体种类，加工功率和反应离子刻蚀时间来调节。
所述方法中，所述的激发是通过射频方法或装置达到的。
所述方法中，所述的射频是通过通电形成高频交流变化的电磁波方法或装置达到的。
所述方法中，所述的等离子体方向可控是通过阳极和阴极极化方法或装置达到的。
硅片在经过本发明的反应离子刻蚀后，表面形成了大小为0.1～15微米的尺寸可控的绒面。这种绒面能非常有效的降低硅片表面的反射率。使包括利用该法制造硅片绒面的太阳电池的转换效率大大提高。
另外，由于本发明的反应离子刻蚀处理过程有效地去除损伤层的缺陷和杂质，因而可以提高晶体硅太阳电池的转换效率。再有，本发明的反应离子刻蚀形成尺寸可控的均匀一致绒面，并且实现了硅片的单面制绒，背面制成平整光滑的表面。因此本发明的反应离子刻蚀绒面有效地避免了表面高低不平的现象。所以本发明所制得的绒面对后续工艺，特别对正面电极印刷和形成高质量的背场，有很好的帮助。从而进一步提高了硅片太阳电池的转换效率。由于在制绒过程中反应物和生成物均为气态，因而不存在液态腐蚀制绒对硅片的机械冲击损伤。这不仅提高了硅太阳电池的机械强度，大大降低碎片率，也有助于提高电流密度，即提高了硅片太阳电池的转换效率。由于在制绒过程中反应物和生成物均为气态，排放物用洗气装置即可很容易实现符合环保要求的排放。
实施例1
将156×156平方毫米的P型多晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.1×10-2帕，以160毫升/分钟的流量通入Cl2和以370毫升/分钟的流量通入CF4以及以930毫升/分钟的流量通入O2，待腔体内压力稳定后，加射频功率675瓦，刻蚀0.3分钟，停止供气，抽真空至1.1×10-2帕，然后以870毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。制得硅片的绒面反射率7.99％。然后把该多晶硅片进行扩散、去边、沉积钝化膜、印刷、烧结，制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为16.33％、0.79、624毫伏和8.09安培。而用现有技术的反应离子刻蚀法制备的硅片绒面得到的太阳电池的各项参数为15.50％、0.73、602毫伏和7.01安培。
实施例2
将156×156平方毫米的P型多晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.6×10-3帕，以230毫升/分钟的流量通入Cl2和以350毫升/分钟的流量通入HBr以及以520毫升/分钟的流量通入O3，待腔体内压力稳定后，加射频功率330瓦，刻蚀0.2分钟，停止供气，抽真空至1.6×10-3帕，然后以920毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。制得硅片的绒面反射率7.90％。然后把该多晶硅片制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为16.47％、0.79、623毫伏和8.12安培。
实施例3
将156×156平方毫米的P型多晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.7×10-2帕，以310毫升/分钟的流量通入Cl2和以570毫升/分钟的流量通入C2F6以及以620毫升/分钟的流量通入O2，待腔体内压力稳定后，加射频功率730瓦，刻蚀0.6分钟，停止供气，抽真空至1.7×10-2帕，然后以920毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。制得硅片的绒面反射率7.93％。然后把该多晶硅片制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为16.27％、0.79、623毫伏和8.01安培。
实施例4
将156×156平方毫米的P型多晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.2×10-3帕，以150毫升/分钟的流量通入Cl2和以690毫升/分钟的流量通入SF6以及以870毫升/分钟的流量通入O2，待腔体内压力稳定后，加射频功率573瓦，刻蚀0.5分钟，停止供气，抽真空至1.2×10-3帕，然后以790毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。制得硅片的绒面反射率9.30％。然后把该多晶硅片制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为15.70％、0.77、609毫伏和7.95安培。
实施例5
将156×156平方毫米的P型多晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.0×10-3帕，以155毫升/分钟的流量通入F2和以670毫升/分钟的流量通入CHF3以及以860毫升/分钟的流量通入O2，待腔体内压力稳定后，加射频功率570瓦，刻蚀0.6分钟，停止供气，抽真空至1.1×10-3帕，然后以760毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。绒面反射率8.20％。然后把该多晶硅片制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为16.43％、0.79、623毫伏和8.02安培。
实施例6
将125×125平方毫米的P型单晶硅片放入反应离子刻蚀腔，抽真空至1.5×10-2帕，以170毫升/分钟的流量通入Cl2和以550毫升/分钟的流量通入SF6以及以730毫升/分钟的流量通入O2，待腔体内压力稳定后，加射频功率590瓦，刻蚀0.2分钟，停止供气，抽真空至1.5×10-2帕，然后以750毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，打开工艺腔，将硅片取出。制得硅片的绒面反射率9.23％。然后把该单晶硅片制成太阳电池。该太阳电池的转换效率、填充因子、开路电压和短路电流分别为17.0％、0.77、608毫伏和5.6安培。
Claims (14)
1、一种反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，该方法是将硅片放入反应离子刻蚀腔，然后通入反应离子刻蚀气体进行硅片表面刻蚀，其特征在于，所述反应离子刻蚀气体中包含至少两种含卤素的气体和氧化性气体。
2、根据权利要求1所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述含卤素的气体的总量和氧化性气体的体积比为3～18:5～25。
3、根据权利要求2所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述含卤素的气体的总量和氧化性气体的体积比为5～17:9～23。
4、根据权利要求3所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述含卤素的气体的总量和氧化性气体的体积比为6～15:10～19。
5、根据权利要求1～4中任意一项所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述至少两种含卤素的气体为Cl2、CF4、HBr、C2F6、SF6、F2、CHF3和NF3中的至少两种的任意组合；所述氧化性气体为O2或O3。
6、根据权利要求5所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述至少两种含卤素的气体中至少一种为Cl2；所述氧化性气体为O2。
7、根据权利要求6所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀气体中包含两种含卤素的气体，其中Cl2与另一种含卤素的气体的体积比为1～6:2～12。
8、根据权利要求7所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，其中Cl2与另一种含卤素的气体的体积比为1～5:5～11。
9、根据权利要求8所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，其中Cl2与另一种含卤素的气体的体积比为2～5:6～10。
10、根据权利要求1～4中任意一项所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述硅片包括单晶硅片和多晶硅片。
11、根据权利要求1～4中任意一项所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀气体被激发形成等离子体，并由电场控制其方向。
12、根据权利要求1～4中任意一项所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，具体为：把硅片放入反应离子刻蚀腔中，抽真空至1.5×10-8～1.5×10-1帕，然后以300～1800毫升/分钟的流量通入含卤素的气体以及以500～2500毫升/分钟的流量通入氧化性气体，待腔体内压力稳定后，加射频功率200～1500瓦，刻蚀0.2～1.5分钟，停止供气，抽真空至1.5×10-8～1.5×10-1帕，然后以600～1500毫升/分钟的流量通入氮气至1个大气压，之后打开工艺腔，将硅片取出。
13、根据权利要求1～4中任意一项所述的反应离子刻蚀制备太阳电池硅片绒面的方法，其特征在于，通过该法制备的硅片的绒面反射率为7.90％～9.30％。
14、一种太阳电池，其特征在于，该太阳电池中使用的硅片的绒面通过权利要求1～13中的任意一项所述的方法制造。
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