CN101728457A - 一种太阳能电池片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备太阳能电池片的方法，步骤包括：1)高温烧结条件下，以导电体为衬底沉积熔融硅材料制备含有背电场的硅片；2)将步骤(1)所得硅片制绒；3)将步骤(2)所得硅片制氮化硅膜；4)将步骤(3)所得硅片印刷正电极；5)将步骤(4)所得硅片烧结。本发明的制备工艺方法简单，而且节约资源，较大程度降低生产成本，同时本发明制备的太阳能电池片具有相对较高的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的制备方法，特别涉及一种太阳能电池片的制备方法。
背景技术
太阳能作为一种绿色能源，以其取之不竭、无污染、不受地域资源限制等优点越来越受到人们的重视。
太阳能电池片为太阳能电池的活性部件，属于制备的难点。现有制备太阳能电池片的方法一般采用如下步骤：
硅片去油工艺→去除损伤层→制绒→扩散工艺→周边刻蚀→去除氧化层→制氮化硅膜→丝网印刷背、正电极→烧结→测试分选
上述的丝网印刷是指制备太阳电池的正负极，一般太阳能电池的硅基材的正面电极为负极，背面电极为正极，且电池的正面、背面电极及铝背场通常采用丝网印刷的方法印刷银、银-铝及铝浆等导电浆料，然后经过干燥和烧结等步骤形成银、银-铝电极及铝背场，一般需要经过三次定位、三次丝网印刷、三次干燥和一次烧结等主要步骤，工艺复杂，严重增加设备和人力成本；同时工序时间周期较长，生产效率降低；步骤较多，也增加了成品率降低的机率；印刷铝浆，较易出现涂敷不均匀等相关情况，使浆料中的有机溶剂完全挥发、形成完好的铝硅合金和铝层的铝浆烧结也较易出现局部的受热不均和散热不均，很可能导致起包、起铝珠等不良情况，严重影响电池的性能。
且此工艺方法硅片需要经过切割、去损伤层等工序，都会损失大量的硅料，而目前太阳能级硅源处于短缺状态，价格昂贵，严重增加生产的成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有制备太阳能电池片的工艺方法复杂且造成原料浪费，增加生产成本的缺点，提供一种工艺方法简单，且节约资源，较大程度降低生产成本的制备太阳能电池片的方法。
一种制备太阳能电池片的方法，步骤包括：
1)高温烧结条件下，以导电体为衬底沉积熔融硅材料制备含有背电场的硅片；
2)将步骤(1)所得硅片制绒；
3)将步骤(2)所得硅片制氮化硅膜；
4)将步骤(3)所得硅片印刷正电极；
5)将步骤(4)所得硅片烧结。
本发明所用的硅材料可以不为成片的硅片，可以为各种价格稍低的太阳能级硅粉等原料制备太阳能电池片，节约了成本。本发明简化了生产工艺，不用再定位、印刷铝浆、干燥形成铝背场；能够较随意的制备出任意形状的太阳能电池片；同时避免了印刷、受热不均匀等对电池片的影响；且很好的改善导电浆料与硅基材的附着力，使电极烧结后得到的铝膜与硅基材的附着更牢固，形成的铝膜无裂痕、气泡，电极表面平整，光滑，因此使最终制备得到的太阳能电池具有较高的光电转化效率。
本发明的制备方法不仅适合单晶硅也适合多晶硅，同时不仅适合N型硅也适合P型硅。当硅粉为N型硅时，本发明的步骤(1)可直接制成具有重掺杂和背电场的硅片；当硅粉为P型硅时，本发明的步骤(1)可直接制成具有PN结和背电场的硅片，可以为后续制备太阳能电池简化工艺，能够极大的降低太阳能电池的生产成本。同时本发明制备的太阳能电池片具有相对较高的转换效率。
具体实施方式
本发明的目的是为了克服现有制备太阳能电池片的工艺方法复杂且造成原料浪费，增加生产成本的缺点，提供一种工艺方法简单，且节约资源，较大程度降低生产成本的制备太阳能电池片的方法。
一种制备太阳能电池片的方法，步骤包括：
1)高温烧结条件下，以导电体为衬底沉积熔融硅材料制备含有背电场的硅片；
2)将步骤(1)所得硅片制绒；
3)将步骤(2)所得硅片制氮化硅膜；
4)将步骤(3)所得硅片印刷正电极；
5)将步骤(4)所得硅片烧结。
本发明的步骤(1)中优选高温烧结温度为800～1200℃，能使硅粉熔融，熔硅能够沉积在导电体上，形成直拉带状硅。简单实现硅粉在导电体上的沉积和导电体和硅粉的烧结一体化，简单制备具有背电场的硅片，且制备的硅片避免了印刷、受热不均匀等对电池片的影响，很好的改善导电浆料与硅基材的附着力，使电极烧结后得到的铝膜与硅基材的附着更牢固。高温烧结可以通过常规的加热炉来实现。本发明基于一般导电体为厚度小于2mm的铝箔，易于熔化，在炉中不能实现熔硅的沉积和直拉带状硅，本发明优选导电体铝箔设置在加热炉外，最优设置于加热炉底部，同时在加热炉底部设置液态硅的出口，从而简短实现熔融硅在固态导电体上的沉积。由于液态硅的高温，也能实现导电体铝箔发生反应，化学键相互结合，制备附着更为牢固的背电场。同时可以通过设置液态硅的出口，可以很好的控制沉积在导电体上的硅的量，从而很好的控制铝膜的厚度，且此处整个硅片受热均匀，为后续烧结等处理提供了一个性能优良的具有背电场的硅片。本发明可以通过控制导电体的传送速度和加热炉底部液态硅的出口的大小和流速等来控制制备的硅片的厚度，来满足太阳能电池片的相关要求，制备性能优良的太阳能电池片。本发明优选在加热炉的底部开槽，优选槽的宽度为0.5mm；本发明优选基底的传送速度为0～10mm/s。本发明优选步骤(1)制备得到的硅片的厚度为300微米以下，进一步优选为200微米以下。
为制备性能优良的太阳能电池片，背电场导电体的厚度不能太大，如果导电体的厚度太大，不仅浪费原材料，增加成本，而且制备的电池片厚度过大，对电池片的性能有很大影响，同时对于后续的封装工艺等也会造成不良影响。本发明的步骤(1)中优选导电体为厚度为低于2mm的导电金属箔片。导电金属可以选自铝、铜、锡等中的一种或几种，本发明优选厚度低于0.3mm的铝箔。其中铝箔的形状可以根据实际的太阳能电池片的形状要求自由变化，可以在送入加热炉时裁切出所需形状，减少后续硅片成型后裁切硅片的硅料的损失，节约成本，简化工艺。
因为本发明优选导电体为厚度低于2mm的铝箔，比较薄，较难实现导电体的传送，形成直拉带状硅，本发明优选导电体设置在玻璃基底上，简单实现导电体的传送，实现硅粉在导电体上的沉积和导电体、硅粉的烧结一体化；且能很好的控制传送的速度，从而很好的控制硅片的厚度；且此基底对制备的硅片性能无影响，能很好的将产物取出，提高成品率。
本发明步骤(1)中所选的硅材料可为常规的各种能制备太阳能电池片的硅材料本发明优选简单易得，价格稍低的太阳能级硅粉为原料，制备的太阳能电池片可以根据基底裁切的形状较随意的制备出任意形状的太阳能电池片，同时不用再对硅片进行经过切割、去损伤层等工序，使资源短缺的硅料几乎无损失，节约了生产成本。
本发明优选上述步骤(1)通过以下方案来实现，在用于硅粉熔融的加热炉底部开一条细槽，通过此细槽用匀速前进的传送带将上述导电材料以玻璃为基底穿过加热炉的底部，基底与加热炉底部所开细槽紧密结合，导电体在经过加热炉底部时，与细槽口接触，加热炉中的熔融硅材料经过加热炉底部所开细槽生长在传送的铝箔上，形成具有铝背场的硅带，形成的硅带可以用来制备太阳能电池。若加热炉中硅粉为N型硅，可直接制成具有PN结和背电场的硅片；若坩埚中硅粉为P型硅，可直接制成具有重掺杂和背电场的硅片，可通过后续工艺制备太阳能电池片，均为后续制备太阳能电池简化工艺，能够极大的降低太阳能电池的生产成本。加热炉可以为石英或石墨坩埚，坩埚底部所开细槽长、宽可根据太阳能电池片的形状要求、所制备的太阳能电池片的硅片的厚度要求等变化而做相关设计，本发明优选所开细槽宽度大于0.3mm。
本发明制备太阳能电池片还包括步骤(2)，其中，硅片制绒的方法包括激光刻槽制绒法、等离子刻蚀制绒法或酸洗制绒法中的一种或几种。本发明优选激光刻槽制绒法，目的为制备具有吸光绒面的硅片。
本发明制备太阳能电池片还包括步骤(3)，其中，制氮化硅膜为包括用等离子增强型化学气相沉积方法(PECVD)或其他气相沉积(CVD)方法在硅片上镀氮化硅膜。其条件可为通入SiH4流量为200～300sccm，NH3流量为2000～2700sccm，反应气压为180～220Pa，辉光功率为2000～2600W。目的为制备具有适合硬度和厚度氮化硅薄膜的硅片，此薄膜可以减少电池片对光的反射，增加光的折射，增强电池片对光的吸收，从而使得电池片的性能更优。
本发明制备太阳能电池片还包括步骤(4)，其中，印刷正电极为在具有背电场硅片的反面丝网印刷银浆。本发明采用常规的半自动丝网印刷法，用丝网印刷机(丝网厚度为26微米、200目、张力27牛顿)在上述硅片的背电场的相对立面的整个面上进行丝网印刷，浆料印刷厚度为24-32微米，目的是制备太阳能电池片的正电极。
本发明制备太阳能电池片还包括步骤(5)，其中，此步中的烧结温度800℃～900℃，烧结时间为0～60s。通过传送带在烧结炉中传送进行烧结，一般控制传送带带速在30～50-Hz来实现快速烧结，实现对丝网印刷的银浆烧结，得到厚度为10-14微米的银化合物层正面银电极。
本发明的制备方法不仅适合N型硅也适合P型硅。当硅粉为N型硅时，本发明的步骤(1)可直接制成具有重掺杂和背电场的硅片，还需通过扩散工艺制备太阳能电池片，本发明优选在步骤(2)后进行扩散工艺。本发明优选采用三氯氧磷液态源扩散方法，其中温度为820～900℃，携带小N2为1600～2500sccm，干氧流量为1800～3200sccm，扩散时间为25～40分钟。目的是制备具有良好PN结的硅片，扩散后的硅片表面方块电阻一般在50±5Ω/□。
下面通过实施例更详细地对本发明进行说明。
实施例1
本实施例用于说明用N型硅材料制备太阳能电池片。
(1)在装有N型硅的坩埚底部设有一宽度为0.5mm，长度为12cm的细槽，在坩埚底部紧贴细槽处通过3cm/s速度传送固定有0.3mm的铝箔的玻璃基板，同时在坩埚的后面，每隔4秒用自动机械刀片进行切割，制备120*120mm的硅片，制得的硅片在密闭系统中冷却。
(2)将上述制备得到的硅片，采用激光刻槽法制绒。
(3)将上述制备得到的硅片镀氮化硅膜，采用PECVD方法，通入SiH4流量为230sccm，NH3流量为2500sccm，反应气压为200Pa，辉光功率为2500W。选用的离子增强型化学气相沉积的仪器为Centrotherm公司生产的E2000HT 410-4设备。
(4)将上述制备得到的硅片印刷正电极，采用常规的半自动丝网印刷法，用丝网印刷机(丝网厚度为26微米、200目、张力27牛顿)在上述硅片的背电场的相对立面的整个面上进行丝网印刷，浆料印刷厚度为24-32微米。选用丝网印刷机为Baccini公司的全自动丝网印刷机。
(5)将上述制备得到的硅片烧结，烧结温度为900℃，通过传送带传送实现在加热炉中的快速烧结，传送速度为50Hz，制备太阳能电池片的正电极。所用设备为中国电子科技集团第四十八研究所生产的R079-310M型高温烧结炉。
采用本领域技术人员公知的太阳能模拟器测试制备的太阳能电池片的效率。所用测试仪器为上海交大JD01型太阳能模拟器，测试温度为23℃，湿度为55％。
测得制备的电池片效率为18.5％。
对比例1
硅材料为N型硅，采用背景技术中常规的方法制备太阳能电池片。
(1)用弱氢氟酸溶液清洗硅片去油。
(2)将上述清洗后的硅片用弱氢氧化钠溶液去除损伤层。
(3)采用与实施例1的步骤(2)相同的仪器方法将上述硅片制绒。
(4)将上述制备得到的硅片经过扩散工艺制备具有良好PN结的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散方法，其中温度为860℃，携带小N2为2000sccm，干氧流量为2200sccm，扩散时间为30分钟。选用的扩散炉为Tempress公司生产的TS81004型号的扩散炉。
(5)将上述制备得到的硅片周边刻蚀，用等离子刻蚀机去除上述已制备的具有PN结的硅片边缘PN结，防止最终制备得到的电池片短路。
(6)将上述制备得到的硅片去除氧化层，用弱氢氟酸溶液去除上述制备的硅片表面的磷硅玻璃。
(7)采用与实施例1步骤(3)相同的方法步骤将上述制备得到的硅片制氮化硅膜。
(8)采用与实施例1步骤(4)相同的方法步骤在上述制备得到的硅片一面印刷银-铝浆制备电池片的背电极，并烘干。
(9)采用与实施例1步骤(4)相同的方法步骤在上述制备得到的硅片的银铝面印刷铝浆制备电池片的背电场，并烘干。
(10)采用与实施例1步骤(4)相同的方法步骤在上述制备得到的硅片的铝面的相对立面印刷银浆制备电池片的正电极，并烘干。
(11)采用与实施例1步骤(5)相同的方法步骤将在上述制备得到的硅片烧结。
采用与实施例1相同的测试方法测得制备的电池片效率为15.3％。
实施例2
本实施例用于说明用P型硅材料制备太阳能电池片。
(1)在装有P型硅的坩埚底部设有一宽度为0.5mm，长度为12cm的细槽，在坩埚底部紧贴细槽处通过3cm/s速度传送固定有0.3mm的铝箔的玻璃基板，同时在坩埚的后面，每隔4秒用自动机械刀片进行切割，制备120*120mm的硅片，制得的硅片在密闭系统中冷却。
(2)将上述制备得到的硅片，采用激光刻槽法制绒。
(3)将上述制备得到的硅片经过扩散工艺制备具有良好PN结的硅片，采用三氯氧磷液态源扩散方法，其中温度为860℃，携带小N2为2000sccm，干氧流量为2200sccm，扩散时间为30分钟。选用的扩散炉为Tempress公司生产的TS81004型号的扩散炉。
(4)将上述制备得到的硅片镀氮化硅膜，采用PECVD方法，通入SiH4流量为230sccm，NH3流量为2500sccm，反应气压为200Pa，辉光功率为2500W。选用的离子增强型化学气相沉积的仪器为Centrotherm公司生产的E2000HT 410-4设备/
(5)将上述制备得到的硅片印刷正电极，采用常规的半自动丝网印刷法，用丝网印刷机(丝网厚度为26微米、200目、张力27牛顿)在上述硅片的背电场的相对立面的整个面上进行丝网印刷，浆料印刷厚度为24-32微米。选用丝网印刷机为Baccini公司的全自动丝网印刷机。
(6)将上述制备得到的硅片烧结，烧结温度为900℃，通过传送带传送实现在加热炉中的快速烧结，传送速度为50Hz，制备具有正电极的硅片。所用设备为中国电子科技集团第四十八研究所生产的R079-310M型高温烧结炉。
采用与实施例1相同的测试方法测得制备的电池片效率为14.5％。
对比例2
硅材料为P型硅，采用与对比例1相同的方法制备太阳能电池片。
采用与实施例1相同的测试方法测得制备的电池片效率为13％。
Claims (9)
1.一种太阳能电池片的制备方法，步骤包括，
1)高温烧结条件下，以导电体为衬底沉积熔融硅材料制备含有背电场的硅片；
2)将步骤(1)所得硅片制绒；
3)将步骤(2)所得硅片制氮化硅膜；
4)将步骤(3)所得硅片印刷正电极；
5)将步骤(4)所得硅片烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中烧结温度为800～900℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中导电体为设置在玻璃基底上的导电金属片，所述导电金属片为厚度低于2mm的导电金属箔片。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硅材料为纯度大于99.9999％的N型硅料或P型硅料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中硅片制绒的方法包括激光刻槽制绒法、等离子刻蚀制绒法或酸洗制绒法中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中制氮化硅膜的方法包括用等离子增强型气相沉积的方法在硅片背电场的对立面上镀氮化硅薄膜。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的印刷正电极为在具有背电场硅片的背电场对立面丝网印刷正电极。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的硅片烧结温度800℃～900℃，烧结时间为0～60s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，如步骤(1)中所述硅材料为P型硅，所述制备方法还包括扩散工艺。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100609 |