CN101814547A - 一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤为：去除晶体硅片表面损伤层，重扩散，印刷栅线掩膜，制绒，去除掩膜，轻扩散，刻边，沉积减反膜。本发明方法采用先重扩、后制绒，背面平坦化的方法，克服了选择性发射结电池需要掩膜开槽或者光刻技术的成本高的缺点，具有设备投资低、生产效率高，电池转换效率高的优点。

Description

一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
目前普通晶体硅太阳电池制造工艺为七大步骤，1.去除硅片表面损伤层；2.形成绒面结构；3.扩散形成PN结；4.去除磷硅玻璃；5.沉积减反膜；6.丝网印刷正背面电极；7.烧结形成欧姆接触。该流程制造的晶硅电池，其转换效率受其结构及物理机制的限制，很难超过17.5％。普通晶硅电池制约光电转换效率的原因主要有四个：1.扩散；2.前表面金属化欧姆接触；3.背场欧姆接触及镜面反射；4.电池表面形貌。对P型硅片，制PN结时，低浓度表面掺杂可以降低少数载流子的复合机率，提高电池的短路电流；但是，低浓度的掺杂给后续金属化欧姆接触带来困难，浓度越低，串联电阻越大，会降低电池的开路电压。普通硅电池考虑掺杂浓度与欧姆接触的需要，方块电阻在45Ω/口左右，限制了电池效率的提高。
为解决上述问题，大量文献中提到了电极接触区重掺、受光区轻掺的电池，即选择性发射极太阳电池的制造方法，其中以专利CN101101936公开的一种低成本的选择性发射极太阳电池工艺为代表。该专利公布的制造流程是：1.去除硅片表面损伤；2.形成绒面；3.热氧化生长SiO2层；4.印刷腐蚀型浆料形成电极窗口；5.在POCl3中重扩散；6.去除氧化膜，在POCl3中轻扩散；7.去除磷硅玻璃；8.沉积减反膜；9.丝网印刷电极和背场；10.烧结实现金属化；该方法的优越性在于采用印刷腐蚀的方法在SiO2上形成重扩窗口，取代了昂贵的光刻工艺。其缺点是，采用了三次高温热处理工艺，温度高达850℃，能源消耗大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服目前通用选择性发射极电池存在多次高温热处理以及接触区存在接触电阻偏大的缺陷，提供一种更节省能源、转换效率更高的选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤为：去除晶体硅片表面损伤层，重扩散，印刷栅线掩膜，制绒，去除掩膜，轻扩散，刻边，沉积减反膜。
进一步地，所述去除晶体硅片表面损伤层步骤为将晶体硅片放入70-90℃的质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中减薄30-150秒，然后再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行70-90℃酸洗5-10分钟。
所述重扩散步骤为将晶体硅片采用常规的管式扩散方法在800-1000℃进行中重扩散工艺，其中扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的氮气与氧气的混合气体，时间10-30分钟，扩散方阻为10-40Ω/口，扩散之后浸入1-10wt％的氢氟酸中进行洗磷30-200s。
所述印刷栅线掩膜步骤为采用常规的晶体硅太阳能电池正面栅线电极丝网印刷的方法在晶体硅片上印刷一层掩膜浆料，其中，该浆料由质量比为4∶1的玻璃粉与有机载体组成，其玻璃粉由二氧化硅60wt％、二氧化锆5wt％、三氧化二铋6wt％、三氧化二铝0.5wt％、二氧化锡5wt％、氧化钙3.5wt％、三氧化二铬5wt％、二氧化钛10wt％和三氧化二镧5wt％组成，有机载体由重量比为1∶4的甘油和无水乙醇组成，印刷之后在100-600℃进行热处理。
所述制绒步骤为将晶体硅片浸入70℃-90℃的质量浓度为0.5％-10％的氢氧化钠溶液中反应10-30分钟。
所述去除掩膜步骤为将晶体硅片浸入有机溶剂二甲苯、丙酮或无水乙醇或者2-10wt％氢氟酸溶液中溶解5-10分钟，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸溶液、30wt％过氧化氢溶液和去离子水的混合溶液进行70-90℃酸洗5-10分钟。
所述轻扩散步骤为采用常规的管式扩散方法在800-1000℃对晶体硅片进行中轻扩散，扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的氮气与氧气的混合气体，扩散方阻为50-100Ω/口。
所述刻边步骤为采用常规的等离子体刻蚀方法对晶体硅片边缘处进行刻蚀，刻蚀完再用1-10wt％的氢氟酸溶液进行洗磷30-200秒。
所述沉积减反膜步骤为采用常规的等离子增强化学气相淀积方法对晶体硅片正面进行沉积氮化硅减反膜工艺，气源为体积比为1∶10的硅烷与氨气，氮化硅的厚度为60-80nm，折射率为1.9-2.1。
本发明方法中硅片先重扩，印刷掩膜浆料后，再制绒，可以避免硅片的高温氧化过程，在栅线接触区实现重掺杂的同时实现平坦化接触，与普通选择性发射极电池相比，其填充因子更高；硅片减薄，重扩后，在一面形成阻挡层，在整个电池完成后，电池背面仍保持平坦化，这样可以提高电池背场的作用，形成好的欧姆接触，并且由于绒面结构的消失，铝浆烧结后可以形成好的镜面效果，提高电池在红外波段的响应，从而提高电池的转换效率。
附图说明
图1为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第1步示意图；
图2为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第2步示意图；
图3为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第3步示意图；
图4为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第4步示意图；
图5为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第5步示意图；
图6为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第6步示意图；
图7为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第7步示意图；
图8为选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法第8步示意图；
具体实施方式
下面以P型单晶硅为基体进一步说明本发明。
实施例1
一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其具体步骤为：
1.去除损伤层及表面油污：因晶体硅在被切片过程中会带来有机油污与表面损伤，用现有常规生产方法将原始晶体硅片1放入约80℃的质量浓度为30％NaOH溶液中进行反应减薄150秒，以去除损伤层及表面油污，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行80℃酸洗10分钟。结果如图1所示。
2.重扩散：采用现有常规的管式扩散方法在1000℃对已清洗干净的晶体硅片1进行中重扩散工艺。扩散源为POCl3，通入体积比为50∶1的氮气与氧气的混合气体，时间30分钟，扩散方阻为20Ω/口，扩散之后须浸入质量浓度为2％HF中进行洗磷150s。结果如图2所示，在晶体硅片1表面形成一层重扩散N+层2。
3.印刷栅线掩膜：采用现有的晶体硅太阳能电池正面栅线电极丝网印刷的方法对已重扩散的晶体硅片1进行印刷一层掩膜浆料，该浆料为玻璃粉与有机载体质量比为4∶1的混合浆料，其玻璃粉的配方为：SiO260wt％，ZrO25wt％，Bi2O36wt％，Al2O30.5wt％，SnO25wt％，CaO 3.5wt％，Cr2O35wt％，TiO210wt％，La2O35wt％。印刷完成之后进行400℃的热处理，以备制备绒面时保护正面栅线电极的区域不被腐蚀。结果如图3所示，在重扩散N+层2上形成了掩膜3。
4.制绒：在步骤3的基础上，将制备好掩膜3的晶体硅片1浸入80℃的质量浓度为1％NaOH溶液中反应制绒20分钟得到绒面4，如图4所示。
5.去除掩膜：将完成步骤4的晶体硅片1浸入丙酮溶液中溶解10分钟。再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行80℃酸洗10分钟。结果如图5所示，在晶体硅1正面电极区域内形成平坦的重扩散N+层2，而区域外，即受光区域，形成绒面4。以减小太阳光的反射率。
6.轻扩散：采用现有常规的管式扩散方法在900℃对已清洗干净的晶体硅片1进行中轻扩散工艺。扩散源为POCl3，通入体积比为50∶1的氮气与氧气的混合气体，扩散方阻为80Ω/口，如图6所示，在晶体硅正面电极区域内形成平坦的重扩散N+层2，而区域外，即受光区域，形成轻扩散绒面5。
7.刻边：采用现有常规的等离子体刻蚀方法对已完成步骤6的晶体硅片边缘处进行刻蚀工艺。刻蚀完再用质量浓度为2％的HF溶液进行洗磷150秒，结果如图7所示。
8.沉积减反膜：采用现有常规的大规模运用的PECVD方法对已完成步骤7的晶体硅片1正面进行沉积SiNx减反膜工艺，气源为体积比为1∶10的SiH4与NH3，SiNx的厚度为70nm，折射率为2.0。以进一步减小太阳光的反射率，并且获得一定的晶体硅太阳能电池的钝化效果。如图8所示，晶体硅片1表面形成SiNx减反膜6。
利用本方法所制备的晶体硅太阳能电池，电池的最大功率有较大的提高；尤其是短路电流Isc与填充因子FF；S125*125单晶硅太阳能电池测试结果表明：最大功率Pm为2.78w，比不使用该工艺的单晶硅太阳能电池提高1％以上；填充因子FF由原来的0.76提高到0.80。
实施例2
一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
1.去除晶体硅片表面损伤层：将晶体硅片放入70℃的质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中减薄30秒，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行70℃酸洗5分钟。
2.重扩散：将晶体硅片采用常规的管式扩散方法在800℃进行中重扩散工艺，其中扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的N2与O2，时间10分钟，扩散方阻为10Ω/口，扩散之后须侵入质量浓度为1％HF中进行洗磷30s。
3.印刷栅线掩膜：采用常规的晶体硅太阳能电池正面栅线电极丝网印刷的方法在晶体硅片上印刷一层掩膜浆料，其中，该浆料由质量比为4∶1的玻璃粉与有机载体组成，其玻璃粉由二氧化硅60wt％、二氧化锆5wt％、三氧化二铋6wt％、三氧化二铝0.5wt％、二氧化锡5wt％、氧化钙3.5wt％、三氧化二铬5wt％、二氧化钛10wt％和三氧化二镧5wt％组成，有机载体由重量比为1∶4的甘油和无水乙醇组成，印刷之后在100℃进行热处理。
4.制绒：将晶体硅片浸入70℃的质量浓度为0.5％的氢氧化钠溶液中反应10分钟。
5.去除掩膜：将晶体硅片浸入有机溶剂二甲苯中溶解5分钟，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行70℃酸洗5分钟。
6.轻扩散：采用常规的管式扩散方法在800℃对晶体硅片进行中轻扩散，扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的N2与O2，扩散方阻为50Ω/口。
7.刻边：采用常规的等离子体刻蚀方法对晶体硅片边缘处进行刻蚀，刻蚀完再用1wt％的氢氟酸溶液进行洗磷30秒。
8.沉积减反膜：采用常规的等离子增强化学气相淀积方法对晶体硅片正面进行沉积氮化硅减反膜工艺，气源为体积比为1∶10的硅烷与氨气，氮化硅的厚度为60nm，折射率为1.9。
利用本方法所制备的晶体硅太阳能电池，电池的最大功率有较大的提高；尤其是短路电流Isc与填充因子FF；S125*125单晶硅太阳能电池测试结果表明：最大功率P m为2.78w，比不使用该工艺的单晶硅太阳能电池提高1％以上；填充因子FF由原来的0.76提高到0.80。
实施例3
一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
1.去除晶体硅片表面损伤层：将晶体硅片放入90℃的质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中减薄150秒，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行90℃酸洗10分钟。
2.重扩散：将晶体硅片采用常规的管式扩散方法在1000℃进行中重扩散工艺，其中扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的N2与O2，时间30分钟，扩散方阻为40Ω/口。扩散之后须浸入质量浓度为10％HF中进行洗磷200s。
3.印刷栅线掩膜：采用常规的晶体硅太阳能电池正面栅线电极丝网印刷的方法在晶体硅片上印刷一层掩膜浆料，其中，该浆料由质量比为4∶1的玻璃粉与有机载体组成，其玻璃粉由二氧化硅60wt％、二氧化锆5wt％、三氧化二铋6wt％、三氧化二铝0.5wt％、二氧化锡5wt％、氧化钙3.5wt％、三氧化二铬5wt％、二氧化钛10wt％和三氧化二镧5wt％组成，有机载体由重量比为1∶4的甘油和无水乙醇组成，印刷之后在600℃进行热处理。
4.制绒：将晶体硅片浸入90℃的质量浓度为10％的氢氧化钠溶液中反应30分钟。
5.去除掩膜：将晶体硅片浸入质量浓度为5％的氢氟酸溶液中溶解10分钟，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸、30wt％过氧化氢和去离子水的混合溶液进行90℃酸洗10分钟。
6.轻扩散：采用常规的管式扩散方法在1000℃对晶体硅片进行中轻扩散，扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的N2与O2，扩散方阻为100Ω/口。
7.刻边：采用常规的等离子体刻蚀方法对晶体硅片边缘处进行刻蚀，刻蚀完再用质量浓度为10％的氢氟酸溶液进行洗磷200秒。
8.沉积减反膜：采用常规的等离子增强化学气相淀积方法对晶体硅片正面进行沉积氮化硅减反膜工艺，气源为体积比为1∶10的硅烷与氨气，氮化硅的厚度为80nm，折射率为2.1。
利用本方法所制备的晶体硅太阳能电池，电池的最大功率有较大的提高；尤其是短路电流Isc与填充因子FF；S125*125单晶硅太阳能电池测试结果表明：最大功率P m为2.78w，比不使用该工艺的单晶硅太阳能电池提高1％以上；填充因子FF由原来的0.76提高到0.80。
本发明电池的电极接触区平坦化，受光面栅线接触区平坦化，比绒面区高出数微米，本发明同样适用于N型衬底电池。

Claims (9)

1.一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤为：去除晶体硅片表面损伤层，重扩散，印刷栅线掩膜，制绒，去除掩膜，轻扩散，刻边，沉积减反膜。
2.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述去除晶体硅片表面损伤层步骤为将晶体硅片放入70-90℃的质量浓度为30％的氢氧化钠溶液中减薄30-150秒，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸溶液、30wt％过氧化氢溶液和去离子水的混合溶液进行70-90℃酸洗5-10分钟。
3.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述重扩散步骤为将晶体硅片采用常规的管式扩散方法在800-1000℃进行中重扩散，其中扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的氮气与氧气混合气体，时间10-30分钟，扩散方阻为10-40Ω/口，扩散之后浸入1-10wt％的氢氟酸中进行洗磷30-200s。
4.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述印刷栅线掩膜步骤为采用常规的晶体硅太阳能电池正面栅线电极丝网印刷的方法在晶体硅片上印刷一层掩膜浆料，其中，该浆料由质量比为4∶1的玻璃粉与有机载体组成，其玻璃粉由二氧化硅60wt％、二氧化锆5wt％、三氧化二铋6wt％、三氧化二铝0.5wt％、二氧化锡5wt％、氧化钙3.5wt％、三氧化二铬5wt％、二氧化钛10wt％和三氧化二镧5wt％组成，有机载体由重量比为1∶4的甘油和无水乙醇组成，印刷之后在100-600℃进行热处理。
5.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制绒步骤为将晶体硅片浸入70℃-90℃的质量浓度为0.5％-10％的氢氧化钠溶液中反应10-30分钟。
6.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述去除掩膜步骤为将晶体硅片浸入有机溶剂二甲苯、丙酮或无水乙醇或者2-10wt％氢氟酸溶液中溶解5-10分钟，再用体积比为1∶1∶6的36.5wt％盐酸溶液、30wt％过氧化氢溶液和去离子水的混合溶液进行70-90℃酸洗5-10分钟。
7.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述轻扩散步骤为采用常规的管式扩散方法在800-1000℃对晶体硅片进行中轻扩散，扩散源为三氯氧磷，通入体积比为50∶1的氮气与氧气的混合气体，扩散方阻为50-100Ω/口。
8.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述刻边步骤为采用常规的等离子体刻蚀方法对晶体硅片边缘处进行刻蚀，刻蚀完再用1-10wt％的氢氟酸溶液进行洗磷30-200秒。
9.如权利要求1所述的一种选择性发射极晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述沉积减反膜步骤为采用常规的等离子增强化学气相淀积方法对晶体硅片正面进行沉积氮化硅减反膜工艺，气源为体积比为1∶10的硅烷与氨气，氮化硅的厚度为60-80nm，折射率为1.9-2.1。
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