CN101707225B - 改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法，其特征是，该方法为：采用晶体硅原料，经过常规的清洗制绒、扩散、刻蚀和二次清洗工序后，经过间歇式放电，在脉冲发生器频率为40KHz，脉冲功率Pf为2500w，占空比toff/on为6.5的条件下，由PECVD沉积出氮化硅膜。沉积出的膜均匀，致密性好，性能稳定，很好的匹配后续烧结工艺，形成稳定的金属合金，做出的电池的转换效率好且稳定。

Description

改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法
技术领域
本专利属于晶体硅太阳能电池制造领域，更具体涉及一种改善太阳能电池中的减反射膜特性的方法，该方法广泛应用于晶体硅太阳能电池的制造过程。
背景技术
目前晶体硅太阳能电池的主要制造工艺已经标准化。其经历的主要步骤为：
1.化学清洗及表面结构化处理(制绒)：通过化学反应使原始硅片表面形成金字塔状结构以增强光的吸收，在效果好的情况下，这一步骤可以将硅片表面的反射率由35％降低至10％左右；
2.扩散：这是太阳能电池制造过程的核心步骤之一，P型硅片在扩散后表面变成N型，从而形成PN结。扩散的浓度，深度以及均匀性直接影响电池的电性能，扩散的好坏宏观上用方块电阻来衡量，更细致的了解需要借助专用设备，测量扩散浓度分布、深度等；
3.周边刻蚀：该步骤主要去掉扩散时在硅片边缘形成的PN结两端短路的导电层，大部分厂家都使用等离子刻蚀，无论设备还是工艺都相对成熟，效果较好；
4.沉积减反射膜：目前主要用的是氮化硅和氧化钛，氮化硅本身性质稳定，对硅片有很好的钝化效果，有利于后续工序的进行，外观上也较氧化钛更好，质量效果好的氮化硅膜可以把表面反射率由制绒后的10％降低至4％左右，目前光伏行业沉积氮化硅膜时基本上都采用等离子加强化学气相沉积(PECVD)(管式或者平板式)；氧化钛膜的制作过程比氮化硅要简单，使用它的最大好处是成本低廉，但随着PECVD长膜工艺的不断成熟，氧化钛已逐渐被取代。PECVD也是核心工序之一；
5.印刷电极：这是一种被广泛采用的，成本低廉，可以用于大规模工业生产的方法，原理和在纸张上印刷文字相同，由于目前硅片原料越来越薄(200μm左右)，手工操作已不再使适用，出现了各式各样的自动印刷设备，目标也很清楚：在提高印刷质量的同时将碎片控制在可接受的范围；
6.烧结：这是使印刷的电极与硅片之间形成合金的过程，具体参数取决于扩散时PN结的形成情况和PECVD沉积的氮化硅膜的情况；
如上所述，由于氮化硅膜的硬度大，外观好，生成自由能低，从化学热力学的观点来看，它是一种容易生成的、稳定的化合物。由于氧化钛的成分不易控制，均匀性需要提高，条件好的企业用MOCVD方法来进行沉积，这为工业化生产提供了难度。与CVD、LPCVD技术相比，PECVD技术具有沉积温度低，对少数载流子的寿命影响较小，沉积速率快，生产效率高，工艺参数灵活可调，它还能，获得均匀组分和特性的介质膜。对于PECVD，射频功率以及电源占空比对薄膜特性影响最大。
发明内容
发明目的是，真对现有技术存在的不足，提出一种改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法，它通过改变工艺参数来改变氮化硅膜的性能，使其能更好匹配生产线工艺，提高太阳能电池转换效率。
本发明的技术方案是，所述改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法为：采用晶体硅原料，经过常规的清洗制绒、扩散、刻蚀和二次清洗工序后，经过间歇式放电，在脉冲发生器频率为40KHz，脉冲功率Pf为2500w，占空比toff/ton为6.5的条件下，由PECVD沉积出氮化硅膜。
上述方法制备完的氮化硅膜呈深蓝色，膜性能稳定。
本发明通过调整电源的功率和占空比，改善沉积的氮化硅减反射膜的致密性和均匀性，得到较好的减反射效果，从而提高电池的转化效率。PECVD制备完后的氮化硅膜颜色为深蓝色，厚度为70～80nm，折射率为2.0左右，电池的转化效率可提高至16.5％。
由以上可知，本发明为一种改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法，它通过改变工艺参数来改变氮化硅膜的性能，使其能更好匹配生产线工艺，提高太阳能电池转换效率；沉积出的氮化硅膜呈深蓝色，膜性能稳定，而且能够非常好地进行后道工序，做出的电池平均效率为16.5％，非常适合于大规模工业化生产。
附图说明
图1是电源功率的变化对少子寿命的影响曲线图；
图2是多晶硅太阳能电池片的图片；
图3是单晶硅太阳能电池片的图片；
图4是沉积上Si3N4膜的单晶硅片的图片。
具体实施方式
采用晶体硅原料，经过常规的清洗制绒、扩散、刻蚀和二次清洗工序后，经过间歇式放电，在脉冲发生器频率为40KHz，脉冲功率Pf为2500w，占空比toff/ton为6.5的情况下，由PECVD沉积出氮化硅膜，为减反射Si3N4膜。
设备采用四十八所研制的III型大容量管式PECVD，射频发生器采用脉冲方式，频率为40KHz。温度、SiH4/NH3比例、沉积时间等其它参数在通常最合适情况下，改变射频功率Pf和电源脉冲占空比toff/ton，测量膜厚和折射率n，做成电池测量转换效率Eff，同时用一定浓度的HF酸来测量对氮化硅膜的腐蚀速度t(s)，从而评定膜的致密性。
以上实验每批数量均为300片，其中膜的光学特性用得是每批5片抛光片，求得的数据为平均数据。
1.电源功率对膜性能的影响
从表1可以看出，在较高的功率下，膜的折射率好，转化效率较高。而且功率的改变对膜的致密性的影响不显著。
表1功率改变对膜特性的影响(占空比为9/1)
 Pf(W)   1100   1500   1700   2000   2500
 n   2.30   2.25   2.23   2.10   1.98
 Eff   15.10   15.45   15.80   16.25   16.50
 t(s)   280   250   230   220   210
机理性分析：
等离子体电源的功率变化对转换效率有如此大影响，主要是Si和N的比率以及膜的致密性发生了变化，如果功率不够大的话，SiH4和NH3并没有充分电离，存在SiH3、SiH2、SiH、NH2、NH的离子态，在这种情况下，即使折射率一样，吸光系数也会很高。这样形成的膜直接影响电池的转换效率。
等离子体电源的功率同时也改变了少子寿命，表面钝化降低硅表面活性，使表面的复合速度大大降低。功率与少子寿命关系见图1
从图1可以看出，少子寿命随功率变化，先增大后降低。首先钝化起主要作用，钝化表面的氢悬挂键，降低表面的复合速率。随着功率的增大，辉光放电产生的等离子体增多，等离子体对体硅的晶格造成损伤，造成少数载流子运用受阻。故随着电源功率进一步增大，少子寿命呈现降低的趋势。
2.电源占空比对膜性能的影响
本发明中所采用的正弦波一个脉冲周期是30ms，高电平时间为ton，低电平时间为toff，目前大多文献指出，在间断式放电情况下，占空比为13时，沉积的Si3N4膜致密，且均匀性好。由表2可知，在高功率下，当电源占空比为6.5时效率好，致密性也较好。
表2脉冲占空比对膜特性的影响(峰值功率为2500w)
  占空比toff/ton   14   9   6.5   5   4
  N   2.0   2.21   1.95   2.15   1.80
  Eff   14.5   15.8   16.5   15.3   14.0
  T(s)   420   380   350   300   150
机理性分析：高电平时产生气体辉光放电，形成了等离子体。在高的占空比下，高电平时间ton少，导致形成的等离子体少，膜的沉积速度慢，且膜呈红色。虽然膜的致密性最好，但在后续的烧结过程中，容易烧穿，导致转换效率低。而在低的占空比下，高电平形成的等离子体多，沉积速率快，膜的均匀性和致密性均差，附着力也不好，
容易脱落。在适中的占空比下，膜的致密性和均匀性都较好，性能稳定。在后续的烧结过程中，形成较好的Al-Si合金，有利于提高电池的转换效率。而且适当的占空比有利于提高射频发生器的使用寿命。
在后续的重复性实验中，此工艺参数做出的膜性能稳定，转换效率也较好。电池片的良品率达到95％，非常有利于大规模工业化生产。本发明是在PECVD长膜过程中，采用中等的频率，间歇式的放电方式，高的脉冲功率和适中的电源占空比，沉积出的Si3N4膜均匀，致密性好，性能稳定，很好的匹配后续烧结工艺，形成稳定的金属合金，做出的电池的转换效率好且稳定。

Claims (2)

1.一种改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法，其特征是，该方法为：采用晶体硅原料，经过常规的清洗制绒、扩散、刻蚀和二次清洗工序后，经过间歇式放电，在脉冲发生器频率为40KHz，脉冲功率Pf为2500w，占空比toff/ton为6.5的条件下，由PECVD沉积出氮化硅膜。
2.根据权利要求1所述改善单晶硅太阳能电池减反射膜特性的方法，其特征是，所述氮化硅膜呈深蓝色。
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