CN101673782B - 冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，涉及一种太阳能电池。提供一种可采用较低纯度(5～6N)的硅材料，大幅度降低生产成本的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法。将待处理的冶金法多晶硅片通磷源进行磷吸杂处理并去除吸杂层；将进行磷吸杂处理并去除吸杂层后的冶金法多晶硅片通入带有水蒸汽的氧气进行湿氧氧化处理并去除氧化层；将进行湿氧氧化处理并去除氧化层后的冶金法多晶硅片按常规工艺制备电池，再将制备好的电池片退火。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种低成本硅太阳能电池(尤其是基体电阻率偏低的硅片)的制备方法。
背景技术
由于太阳能光伏发电具有技术成熟、资源永不枯竭、无污染和无噪声等特点，因此太阳能电池被认为是21世纪最重要的新能源。太阳能电池主要以半导体材料硅为基础，多晶硅太阳能电池由于其材料成本低于单晶硅太阳能电池，效率高于薄膜电池，且易于制备成方形，因此在晶体硅太阳能电池中的比例正逐渐增加。
目前，太阳能电池的原料太阳能级硅主要来自单晶硅生产过程中的边角废料或者改进西门子等化学方法提纯出来的材料，但是采用这种材料制备硅电池，成本非常高。冶金法是目前发展的制备太阳能级硅的一种最有前景的方法之一，其特点是成本非常低，纯度约在5～6N，电阻率较低(一般在0.1～0.5Ω·cm)。现在一般用作拉制单晶硅的原料或与高纯硅混合铸成硅锭。然而，采用常规工艺直接用冶金法多晶硅(UMG-Si)来制备电池，发现电池光电转换效率很低，原因是材料本身含有较多的金属杂质和缺陷，而且硼和磷的含量也较高。因此，开发一种直接用冶金法多晶硅(UMG-Si)来制备具有一定光电转换效率且无明显衰减的多晶硅太阳能电池的方法是有很大的商业意义。
公开号为CN101295749的发明专利申请公开一种粉末冶金金属硅太阳能电池衬底制备工艺，将3N及以下的金属硅原材料经过制粉、成型与烧结，制成特定形状的金属硅锭子，切割成300～500微米厚的薄膜太阳能电池衬底
发明内容
本发明的目的是提供一种可采用较低纯度(5～6N)的硅材料，大幅度降低生产成本的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法。
本发明包括如下步骤：
1)将待处理的冶金法多晶硅片通磷源进行磷吸杂处理并去除吸杂层；
2)将进行磷吸杂处理并去除吸杂层后的冶金法多晶硅片通入带有水蒸汽的氧气进行湿氧氧化处理并去除氧化层；
3)将进行湿氧氧化处理并去除氧化层后的冶金法多晶硅片按常规工艺制备电池，再将制备好的电池片退火。
在步骤1)中，所述冶金法多晶硅片的电阻率最好为0.1～0.15Ω·cm，冶金法多晶硅片的厚度最好为180～190μm，冶金法多晶硅片的面积最好为2cm×2cm，导电类型最好为P型；所述磷源最好是POL3，大氮流量为1～3L/min，小氮流量为0.5～0.9L/min，氧气流量为0.1～0.3L/min，去除吸杂层的腐蚀液是体积比为HNO3∶HF∶CH3COOH＝5∶1∶1的酸腐蚀液，再用去离子水冲洗至少1遍，烘干后备用；所述通磷源的时间最好为1～4h，所述磷吸杂处理的温度最好为800～1000℃。
在步骤2)中，所述通入带有水蒸汽的氧气最好是在700～1000℃下通入带有水蒸汽的氧气，通入带有水蒸汽的氧气的时间最好为1～4h；所述湿氧氧化处理的具体做法是将氧气通入90～100℃的去离子水中，再通入氧化炉内对冶金法多晶硅片进行湿氧氧化处理，氧气流量为0.5～2L/min，用体积比为HF∶去离子水＝1∶(1～20)的HF溶液去除氧化层，最后用去离子水冲洗至少1遍，烘干后备用。
在步骤3)中，所述电池片退火最好用快速热退火炉在400～750℃氮气气氛中退火1～20min；所述快速热退火炉的光源最好采用卤钨灯，氮气流量最好为1～3L/min。
在冶金法多晶硅(UMG-Si)的材料中，含有大量杂质和晶体缺陷，使得材料的少子寿命非常低，不适于制备太阳能电池，若采用常规工艺制备太阳能电池，得到的电池的光电转换效率非常低。本发明采用的磷吸杂方法可以有效地去除金属杂质，减少复合，提高少子寿命；湿氧氧化处理可以降低表面的硼含量，利于后序工艺中扩散的进行，并且可以减少铁硼对和硼氧对。有研究表明，现有商用多晶硅存在衰减的主要原因是由于铁硼对和硼氧对的产生，对用PECVD生长SiNx后的电池片进行退火处理，可以对电池片进行氢钝化，使电池光电转换效率有一定提高。实际试验表明，采用上述方法后，可以将纯度为5～6N的低阻冶金法多晶硅(UMG-Si)制成光电转换效率大于10％的太阳能电池，且该电池无明显光致衰减现象。
由于采用上述技术方案，因此与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
1.本发明的磷吸杂处理可以有效地去除金属杂质，减少复合，提高少子寿命，增加了电池的短路电流。
2.本发明的湿氧氧化处理可以降低表面的硼、铝含量，有利于扩散工艺的进行。
3.本发明的退火处理可以有效钝化电池片，增加了电池的短路电流和提高开路电压。
4.本发明制备的太阳能电池几乎没有衰减现象。
5.本发明适用于纯度为5～6N、电阻率为0.10～0.5Ω·cm的P型冶金法多晶硅(UMG-Si)材料。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
冶金法多晶硅(UMG-Si)太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将一组清洗后的P型、纯度为5.4N、电阻率0.10Ω·cm、厚度约为180μm的冶金法多晶硅片(UMG-Si)在900℃下通磷源3h进行吸杂处理，大氮流量为1L/min，小氮流量为0.5L/min，氧气流量为0.2L/min，去除吸杂层并用去离子水冲洗3遍，烘干；
(2)将上述处理后的硅片在750℃下通入带有水蒸汽的氧气2h进行氧化处理，氧气流量为0.5L/min，去除氧化层并用去离子水冲洗3遍，烘干；
(3)常规工艺制备电池，即扩散制结、去除周边、刻蚀背面、前后电极制备、生长SiNx减反膜；
(4)用快速热退火炉对电池片进行450℃氮气退火10min，氮气流量为1L/min。
随机选取一片，在AM1.5条件下，不光照和光照0.5h后分别测定其电学特性，结果如表1所示。
表1
| Isc(A) | Voc(V) | FF(％) | Rs(Ohm) | Rsh(Ohm) | η(％) | |
| 不光照 | 0.07421 | 0.6789 | 71.10 | 2.599 | 549.27 | 11.06 |
| 光照 | 0.06704 | 0.6643 | 70.50 | 1.942 | 176.83 | 10.26 |
实施例2：
冶金法多晶硅(UMG-Si)太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将一组清洗后的P型、纯度为5.4N、电阻率0.10Ω·cm的冶金法多晶硅片(UMG-Si)在950℃下通磷源2h进行吸杂处理，大氮流量为1.5L/min，小氮流量为0.7L/min，氧气流量为0.3L/min，去除吸杂层并用去离子水冲洗2遍，烘干；
(2)将上述处理后的硅片在850℃下通入带有水蒸汽的氧气1h进行氧化处理，氧气流量为1L/min，去除氧化层并用去离子水冲洗3遍，烘干；
(3)常规工艺制备电池，即扩散制结、去除周边、刻蚀背面、前后电极制备、生长SiNx减反膜；
(4)用快速热退火炉对电池片进行400℃氮气退火10min，氮气流量为3L/min。
随机选取一片，在AM1.5条件下，不光照和光照0.5h后分别测定其电学特性，结果如表2所示。
表2
| Isc(A) | Voc(V) | FF(％) | Rs(Ohm) | Rsh(Ohm) | η(％) | |
| 不光照 | 0.07721 | 0.6685 | 68.41 | 1.878 | 94.80 | 11.21 |
| 光照 | 0.07426 | 0.6775 | 71.51 | 3.137 | 302.31 | 11.10 |
实施例3：
冶金法多晶硅(UMG-Si)太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将一组清洗后的P型、纯度为5.4N、电阻率0.10Ω·cm冶金法多晶硅片(UMG-Si)在1000℃下通磷源2.5h进行吸杂处理，大氮流量为3L/min，小氮流量为0.9L/min，氧气流量为0.3L/min，去除吸杂层并用去离子水冲洗3遍，烘干；
(2)将上述处理后的硅片在900℃下通入带有水蒸汽的氧气1.5h进行氧化处理，氧气流量为2L/min，去除氧化层并用去离子水冲洗3遍，烘干；
(3)常规工艺制备电池，即扩散制结、去除周边、刻蚀背面、前后电极制备、生长SiNx减反膜；
(4)用快速热退火炉对电池片进行450℃氮气退火10min，氮气流量为1.5L/min。
随机选取一片，在AM1.5条件下，不光照和光照0.5h后分别测定其电学特性，结果如表3所示。
表3
| Isc(A) | Voc(V) | FF(％) | Rs(Ohm) | Rsh(Ohm) | η(％) | |
| 不光照 | 0.07723 | 0.6670 | 68.18 | 1.847 | 89.53 | 11.15 |
| 光照 | 0.07264 | 0.6668 | 66.62 | 3.041 | 69.99 | 10.24 |
对比例：
将清洗后的P型、纯度为5.4N、电阻率0.10Ω·cm冶金法多晶硅片(UMG-Si)按常规工艺制备电池，即扩散制结、去除周边、刻蚀背面、前后电极制备、生长SiNx减反膜。
随机选取一片，在AM1.5条件下，不光照测定其电学特性，结果如表4所示。
表4
| Isc(A) | Voc(V) | FF(％) | Rs(Ohm) | Rsh(Ohm) | η(％) | |
| 不光照 | 0.05866 | 0.5917 | 63.92 | 3.209 | 109.53 | 7.133 |
从上述的实施例和对比例可以看出，由于采用本发明的方案，可以将低纯低阻冶金法多晶硅(UMG-Si)材料制备成一定效率的太阳能电池，并且基本没有衰减现象。
Claims (5)
1.冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将待处理的冶金法多晶硅片通磷源进行磷吸杂处理并去除吸杂层，所述冶金法多晶硅片的电阻率为0.1～0.15Ω·cm，冶金法多晶硅片的厚度为180～190μm，冶金法多晶硅片的面积为2cm×2cm，导电类型为P型，所述磷源为POL3，大氮流量为1～3L/min，小氮流量为0.5～0.9L/min，氧气流量为0.1～0.3L/min，所述去除吸杂层的腐蚀液是体积比为HNO3∶HF∶CH3COOH＝5∶1∶1的酸腐蚀液；
2)将进行磷吸杂处理并去除吸杂层后的冶金法多晶硅片通入带有水蒸汽的氧气进行湿氧氧化处理并去除氧化层，所述湿氧氧化处理的具体做法是将氧气通入90～100℃的去离子水中，再通入氧化炉内对冶金法多晶硅片进行湿氧氧化处理，氧气流量为0.5～2L/min，用体积比为HF∶去离子水＝1∶1～20的HF溶液去除氧化层，最后用去离子水冲洗至少1遍，烘干后备用；
3)将进行湿氧氧化处理并去除氧化层后的冶金法多晶硅片按常规工艺制备电池，再将制备好的电池片退火，所述电池片退火用快速热退火炉在400～750℃氮气气氛中退火1～20min。
2.如权利要求1所述的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述通磷源的时间为1～4h，所述磷吸杂处理的温度为800～1000℃。
3.如权利要求1所述的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述通入带有水蒸汽的氧气是在700～1000℃下通入带有水蒸汽的氧气，通入带有水蒸汽的氧气的时间为1～4h。
4.如权利要求1所述的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述快速热退火炉的光源采用卤钨灯。
5.如权利要求1所述的冶金法多晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述氮气的流量为1～3L/min。
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