CN101840952A - 一种制备双面pn结太阳能电池的方法 - Google Patents

一种制备双面pn结太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备双面PN结太阳能电池的方法，包括：在晶硅基板的正反面制备绒面结构；将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，形成双面PN结结构；在晶硅基板背面光刻并腐蚀，形成太阳能电池正极栅槽；在晶硅基板的正反面氧化形成SiO2膜，并沉积Si3N4膜；在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，光刻曝光显影，形成电池背面正负极图形和电池正面负电极图形；在晶硅基板的正反面蒸发金属电极，并进行剥离工艺；合金退火，制备出双面PN结太阳能电池。本发明利用晶硅电池的双PN结来工作，最终达到高效转换的目的，具有工艺步骤少、简单、能与大生产线上的工艺兼容，易于实现大规模生产。

Description

一种制备双面PN结太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及晶硅(多晶硅和单晶硅，此处统称为晶硅)太阳能电池技术领域，尤其涉及一种制备双面PN结太阳能电池的方法。
背景技术
随着世界人口的急剧增加和各国经济的快速发展，对能源的需求越来越多；以石油和煤炭为代表的化石能源由于储量有限，按目前的消耗量在几十年后将会枯竭，同时目前频繁的使用化石能源造成严重的大气污染和温室效应，因此对清洁可再生能源的需求也越来越迫切。太阳能电池作为清洁能源的一种由此得到了快速发展。自1954年贝尔实验室报道第一个商品化的Si太阳能电池以来，各种太阳能电池相继问世。通过数十年来的不断发展，太阳能电池从第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的薄膜太阳能电池到现在第三代的高效太阳能电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。
目前晶硅电池面临着转换效率不是很高(大规模生产能做到17％)、价格昂贵等缺点，但晶硅电池目前在各种太阳能电池中，其市场比重占到了90％以上，大规模的退出市场还需时日，因此提高转换效率是降低成本的一种有效手段。
常规的提高晶硅太阳能电池效率的手段多种多样，比如采用选择性发射极结构、背表面电场、表面钝化技术等，但这些技术手段提升太阳能电池效率的空间有限，再增加转换效率存在着很大的困难。
因此，如何利用新原理、新结构、新技术来提高晶硅电池的转换效率是一个很紧迫的问题，本发明正是基于这样的背景下展开。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种制备双面PN结太阳能电池的方法，以提高太阳能电池的转换效率，降低成本。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种制备双面PN结太阳能电池的方法，该方法包括：
步骤101：在晶硅基板的正反面制备绒面结构；
步骤102：将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，形成双面PN结结构；
步骤103：在晶硅基板背面光刻并腐蚀，形成太阳能电池正极栅槽；
步骤104：在晶硅基板的正反面氧化形成SiO2膜，并沉积Si3N4膜；
步骤105：在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，光刻曝光显影，形成电池背面正负极图形和电池正面负电极图形；
步骤106：在晶硅基板的正反面蒸发金属电极，并进行剥离工艺；
步骤107：合金退火，制备出双面PN结太阳能电池。
上述方案中，所述步骤101具体包括：将厚度为180微米至250微米的晶硅基板放置于氢氧化钠溶液中进行各向异性腐蚀，在腐蚀过程中晶硅基板正、反面均置于腐蚀液中，制备出的正、反面的绒面各方面特性基本一致，绒面结构呈现出传统的金字塔形。
上述方案中，步骤101中所述晶硅基板为商用125单晶或者156多晶，晶硅基板的衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5～3Ω·cm，多晶电阻率为0.5～6Ω·cm。
上述方案中，所述步骤102具体包括：将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，扩散源采用液态POCl3，扩散出的双面PN结其结深在200～500微米之间，扩散完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃。
上述方案中，所述步骤103具体包括：在晶硅基板正面、反面涂覆光刻胶，光刻胶采用AZ5214或BP系列正胶，而后利用光刻的方式在反面或者背面进行图形转移，通过显影、定影，形成正极栅线图形，栅线的宽度在50微米以上；而后进行湿法腐蚀，腐蚀液采用传统的KOH、异丙醇和H2O2的混合液，使背面去掉光刻胶的部分得到腐蚀，腐蚀深度大于500nm，形成太阳能电池正极栅槽。
上述方案中，所述步骤104具体包括：去掉光刻胶，清洗完毕后放入氧化炉中进行氧化，在表面形成SiO2膜；氧化采用干法氧化和湿法氧化，氧化温度为800℃～1000℃，所形成的SiO2膜厚度为10nm～70nm；而后将基板再放入到等离子体增强化学气相沉积设备中生长Si3N4膜，Si3N4膜厚控制在30～70nm之间。
上述方案中，所述步骤105具体包括：在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，并对背面进行二次对准进行光刻，在原先的栅槽位置及其它没有栅槽的位置进行曝光，再对电池正面进行曝光，显影光刻而后形成电池背面正、负极图形和电池正面负电极图形。
上述方案中，所述步骤106具体包括：采用电子束蒸发或热蒸发的方式，在晶硅基板的正反面先蒸发铝电极，再蒸发金电极，而后进行剥离工艺，去掉无用的光刻胶，留下金属电极，电极铝的厚度为大于100nm，电极金的厚度为10nm。
上述方案中，所述步骤107具体包括：采用快速热退火的方式进行退火合金处理，同时形成太阳能电池的正极和负极，进而形成双PN结太阳能电池，合金温度为450℃，合金时间为30s，用氮气气氛进行保护。
(三)有益效果
本发明提供的这种制备双面PN结太阳能电池的方法，利用晶硅电池的双PN结来工作，最终达到高效转换的目的，具有工艺步骤少、简单、能与大生产线上的工艺兼容，易于实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的制备双面PN结太阳能电池的方法流程图；
图2为P型晶硅基板的示意图；
图3为在正反面制备出绒面的示意图；
图4为双面进行扩散后形成双面PN结的示意图；
图5为双面涂覆光刻胶后的示意图；
图6为反面(背面)进行光刻并进行湿法刻蚀去胶后的示意图，制备出正极栅槽线；
图7为正、板面再一次涂覆光刻胶的示意图；
图8为进行二次对准光刻，同时制备出正面的负极图形，反面的正极和负极图形，而后进行蒸发、剥离和合金工艺制备出双面PN结太阳能电池的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对具体实施方式加以说明，详细说明如下：
如图1所示，图1为本发明提供的制备高效双PN结晶硅电池的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：在晶硅基板的正反面制备绒面；
步骤102：将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散形成双面PN结；
步骤103：在晶硅基板背面光刻并腐蚀形成太阳能电池正极栅槽；
步骤104：在晶硅基板的正反面氧化形成SiO2膜，并沉积Si3N4膜；
步骤105：在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，并进行二次光刻，在正反面形成电极；
步骤106：在晶硅基板的正反面蒸发Al、Au电极，并进行剥离工艺；
步骤107：合金退火，制备出双面PN结太阳能电池。
图2至图8是用来说明本发明一个具体实施例的示意图。
如图2中步骤201所示，选取的晶硅基板为商用125单晶或者156多晶，衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5～3Ω·cm，多晶电阻率为0.5～6Ω·cm。
如图3中步骤202所示，利用大规模生产线上制备绒面的方法，将厚度为180微米至250微米之间的晶硅基板放置于按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和无水乙醇混合而成的制绒液中，由于发生化学反应，会对晶硅进行各向异性腐蚀形成绒面，绒面的形状呈现倒金字塔形。因为在制备过程中基板正、反面因为均置于腐蚀液中，因此正反两面制备出的绒面特性基本一致。
如图4中步骤303所示，将正反两面制备好绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散。扩散炉温度可在300℃至1300℃变化。我们远取扩散温度在850～950℃之间，扩散源为液态POCl3。扩散出的双面PN结其结深在200～500nm之间，结深由扩散时间来确定，扩散完毕后所形成的方块电阻约在20～50Ω/□变化。由于扩散过程中，会在电池表面形成磷硅玻璃，它会影响电池的效率，因此用HF酸、HNO3酸和水的混合腐蚀液来消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去离子水清洗干净并烘干，以备接下来的制备减反膜工艺。为了制备减反膜，同时此减反膜也为在表面形成SiO2膜。采取的方法有干法氧化和湿法氧化，氧化温度为800℃左右，所形成的SiO2膜厚度为20nm。而后将基片再放入到等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)中，生长Si3N4膜，膜厚控制在30-70nm之间，这样就形成了SiO2/Si3N4的双层减反膜，其对光的减反效果可达到最佳。
如图5中步骤405所示，在正反面涂覆光刻胶，光刻胶为正性胶。正性胶的种类比较多，可选取国外的，也可选取国产的。光刻胶的涂覆采取旋转涂覆的方法，涂覆完毕后的厚度一般在200～600nm之间。此时正面的光刻胶起到保护正面PN结的作用，而反面的光刻胶则用来曝光出正极栅槽线。
如图6中所示，利用掩模板先对反面进行曝光，曝光方式采用紫外接触式曝光。曝光完毕后经过显影、定影等工艺，将掩模板上的图形转移完毕。先放入到缓冲HF酸溶液中去，去掉SiO2和Si3N4膜，而后将基板放入NaOH溶液中进行腐蚀，如图中606所示，腐蚀的深度为500nm以上。腐蚀完毕后清洗，而后将基板放入到丙酮中进行去胶的工艺。去完胶后，在基板的背面(反面)将会有深的正极栅线槽出现。在这里，栅线的宽度不可太细，否则在下一步的对准工艺中将会变的比较困难。此处，栅线的宽度大于50微米。
如图7中步骤406所示，再一次在正反面涂覆正性光刻胶，涂覆条件和参数与图5中所描述的相类似。此时，在背面(反面)经过湿法刻蚀的栅槽部分也将支被光刻胶所覆盖。
如图8中步骤606、607所示，首先将基板反面进行接触式紫外曝光。由于还将在已形成栅槽的部位进行二次曝光，因此需要较为准确的光刻对准。对准标记为先前形成栅槽刻蚀线时就形成的标记，或者栅槽本身就是标记。栅槽线由于其腐蚀深度为500nm以下，宽度为50微米以上，因此将栅槽线本身作为对准标记也是完全没有问题的。完成对准后进行曝光，这样在原先形成栅槽线部位再一次曝光，同时在栅槽线周围曝光(不同于栅槽线)出负电极图形，其线条宽度为50微米以上。完成背面曝光后，将基板反转过来，正面朝上，进行正面的负电极图形曝光，其线条宽度为50微米以上。全部曝光完毕后统一进行显影、定影等工艺。这样完成了正面负电极图形、背面栅槽线正电极和背面负电极图形的转移。完毕后放入电子束蒸发或者热蒸发设备中，使真空度达到10-6torr以上，这样可以保证蒸发的质量。先蒸发100nm以上的Al电极，再蒸发10nm的Au电极。而后放入丙酮中进行剥离工艺，残胶剥离干净，便剩下正、板面的金属电极。将其放入到快速热退火炉中进行合金处理。合金温度为450℃，时长为30s，这样完成了背面的正电极606和正面、背面的负电极607的制备过程。最终完成双PN结晶硅高效太阳能电池。
以上所述制备工艺，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤101：在晶硅基板的正反面制备绒面结构；
步骤102：将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，形成双面PN结结构；
步骤103：在晶硅基板背面光刻并腐蚀，形成太阳能电池正极栅槽；
步骤104：在晶硅基板的正反面氧化形成SiO2膜，并沉积Si3N4膜；
步骤105：在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，光刻曝光显影，形成电池背面正负极图形和电池正面负电极图形；
步骤106：在晶硅基板的正反面蒸发金属电极，并进行剥离工艺；
步骤107：合金退火，制备出双面PN结太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤101具体包括：
将厚度为180微米至250微米的晶硅基板放置于氢氧化钠溶液中进行各向异性腐蚀，在腐蚀过程中晶硅基板正、反面均置于腐蚀液中，制备出的正、反面的绒面各方面特性基本一致，绒面结构呈现出传统的金字塔形。
3.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，步骤101中所述晶硅基板为商用125单晶或者156多晶，晶硅基板的衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5～3Ω·cm，多晶电阻率为0.5～6Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤102具体包括：
将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，扩散源采用液态POCl3，扩散出的双面PN结其结深在200～500微米之间，扩散完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃。
5.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤103具体包括：
在晶硅基板正面、反面涂覆光刻胶，光刻胶采用AZ5214或BP系列正胶，而后利用光刻的方式在反面或者背面进行图形转移，通过显影、定影，形成正极栅线图形，栅线的宽度在50微米以上；而后进行湿法腐蚀，腐蚀液采用传统的KOH、异丙醇和H2O2的混合液，使背面去掉光刻胶的部分得到腐蚀，腐蚀深度大于500nm，形成太阳能电池正极栅槽。
6.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤104具体包括：
去掉光刻胶，清洗完毕后放入氧化炉中进行氧化，在表面形成SiO2膜；氧化采用干法氧化和湿法氧化，氧化温度为800℃～1000℃，所形成的SiO2膜厚度为10nm～70nm；而后将基板再放入到等离子体增强化学气相沉积设备中生长Si3N4膜，Si3N4膜厚控制在30～70nm之间。
7.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤105具体包括：
在晶硅基板的正反面涂覆光刻胶，并对背面进行二次对准进行光刻，在原先的栅槽位置及其它没有栅槽的位置进行曝光，再对电池正面进行曝光，显影光刻而后形成电池背面正、负极图形和电池正面负电极图形。
8.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤106具体包括：
采用电子束蒸发或热蒸发的方式，在晶硅基板的正反面先蒸发铝电极，再蒸发金电极，而后进行剥离工艺，去掉无用的光刻胶，留下金属电极，电极铝的厚度为大于100nm，电极金的厚度为10nm。
9.根据权利要求1所述的制备双面PN结太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤107具体包括：
采用快速热退火的方式进行退火合金处理，同时形成太阳能电池的正极和负极，进而形成双PN结太阳能电池，合金温度为450℃，合金时间为30s，用氮气气氛进行保护。
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