CN101840953A - 一种制备表面混合调制晶硅太阳能电池的方法 - Google Patents

一种制备表面混合调制晶硅太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备表面混合调制晶硅太阳能电池的方法,包括:在晶硅基板正面和背面制备绒面结构;将正面和背面均有绒面结构的晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散,形成双面PN结;在晶硅基板正面淀积Si薄膜,退火形成硅纳米晶;在晶硅基板正面淀积金属薄膜,退火形成金属纳米晶;在晶硅基板正面和背面生长Si3N4减反膜;采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极,并进行热处理固化;然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极,并进行热处理固化;合金退火,制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。本发明通过表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制方式,充分地转换短波长范围内的光,使其被晶硅电池吸收,达到高效转换的目的。

Description

一种制备表面混合调制晶硅太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及晶硅太阳能电池技术领域,尤其涉及一种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制光子能量大于硅禁带宽度(1.1eV)的光(305nm~1000nm),特别是短波长的光,使其充分被晶硅电池本身吸收利用,以此来达到高效太阳能电池的目的,进而降低成本。
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,能源问题已成为一个国家长久快速发展的战略性问题。目前大规模使用的传统能源如石油和煤炭由于储量有限,按目前的消耗量在几十年后至一百多年后将会枯竭,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(单晶和多晶)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。
从光吸收角度来看,能量大于Si禁带宽度(1.1eV)以上的光子,特别是高能量(短波长,比如450nm左右)的光子,很大一部分由于晶格振动而损失掉。根据报导,在短波长方面造成的损失达33%,如何有效地利用这些损失掉的光谱来提高效率是一项重要课题。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,本发明的主要目的在于提供一种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,以提高晶硅太阳能电池的转换效率。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明提供了一种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,该方法包括:
步骤101:在晶硅基板正面和背面制备绒面结构;
步骤102:将正面和背面均有绒面结构的晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散,形成双面PN结;
步骤103:在晶硅基板正面淀积Si薄膜,退火形成硅纳米晶;
步骤104:在晶硅基板正面淀积金属薄膜,退火形成金属纳米晶;
步骤105:在晶硅基板正面和背面生长Si3N4减反膜;
步骤106:采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极,并进行热处理固化;然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极,并进行热处理固化;
步骤107:合金退火,制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。
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、背两面均置于腐蚀液中,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,扩散源为液态POCl3,扩散出的双面PN结的结深在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:利用磁控溅射或者电子束蒸发在晶硅基板表面淀积一层非晶Si薄膜,薄膜厚度在2nm~10nm之间,而后进行快速热退火处理,并通过快速热退火的方式形成硅纳米晶。
上述方案中,所述步骤104具体包括:利用磁控溅射或者电子束蒸发在晶硅基板表面淀积一层金属薄膜,金属薄膜厚度在2nm~10nm,而后进行快速热退火处理,形成金属纳米晶薄膜。
上述方案中,所述金属薄膜采用Ag、Au、Pt或者Cu。
上述方案中,所述步骤105具体包括:将晶硅基板放置于等离子体增强化学气相沉积设备中,在晶硅基板的正面和背面生长Si3N4减反膜,Si3N4减反膜的厚度为70~120nm。
上述方案中,所述步骤106具体包括:利用丝网印刷技术,在晶硅基板背面和正面分别进行丝网印刷,先在晶硅基板背面印刷正电极图形,再进行低温固化热处理,接着在晶硅基板正面印刷负电极图形,再进行低温固化热处理。
上述方案中,所述步骤107具体包括:采用常规阶梯式升温方式进行正面、背面的电极合金处理,无特殊气氛保护,最终制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。
(三)有益效果
1、本发明的提供的这种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,通过表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制方式,充分地利用、转换短波长范围内的光,使其被晶硅电池吸收,最终达到高效转换的目的,具有增加的工艺步骤少、能与大生产线上的工艺兼容,易于实现大规模生产等特点。
2、本发明的提供的这种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,是在大生产线上的生产的半成品晶硅电池基片上,通过制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶,来达到混合调制短波长的光的目的,使其充分被晶硅电池本身吸收利用,以此来提高现有的晶硅电池转换效率。本方法具有制备技术简单,所增加的设备和工艺步骤不多,易于大规模生产并产业化,最终达到降低成本的目的。
附图说明
图1为本发明提供的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅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为热扩散后形成PN结的示意图;
图5为利用磁控溅射或者电子束蒸发形成Si薄膜后,再经过热处理形成硅纳米晶的示意图;
图6为利用磁控溅射或者电子束蒸发形成金属薄膜后,再经过热处理形成硅纳米晶的示意图;
图7利用PECVD生长Si3N4减反膜的示意图;
图8为利用丝网印刷技术在正面和背面分别印刷负电极和正电极的示意图。
具体实施方式
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:
本发明是利用大规模生产线生产的半成品太阳能电池片,在此基础上加入表面硅纳米晶和金属纳米晶混合纳米晶层,来充分地吸收、转换短波长的光,并被晶硅的PN结吸收,最终达到高效的目的。
如图1所示,图1为本发明提供的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法流程图,该方法包括以下步骤:
步骤101:在晶硅基板正面和背面制备绒面结构;
步骤102:将正面和背面均有绒面结构的晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散,形成双面PN结;
步骤103:在晶硅基板正面淀积Si薄膜,退火形成硅纳米晶;
步骤104:在晶硅基板正面淀积金属薄膜,退火形成金属纳米晶;
步骤105:在晶硅基板正面和背面生长Si3N4减反膜;
步骤106:采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极,并进行热处理固化;然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极,并进行热处理固化;
步骤107:合金退火,制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。
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多晶都可,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;其中多晶硅制备绒面的方式略有不同。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。本实施例远取扩散温度在850~950℃之间,扩散源为液态POCl3。可以实现单面PN结扩散,也可实现双面PN结扩散。在此例中,本实施例以单面PN结扩散为例,扩散出的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。
如图5中步骤401所示,制备出硅纳米晶。在制备之前,基板一定要放到缓冲HF酸中进行晶硅基板表面去氧化层的工作。去完氧化层后,要尽快地将基板放入到磁控溅射或者电子束蒸发设备的腔体中并快速抽真空,一般抽到10~6Torr便可;空气的减少有助于减小晶硅表面的氧化。而后蒸发一层厚度在2~10nm的Si薄膜。蒸发完毕后利用快速热退火的方式,便可形成硅纳米晶,纳米晶的大小、密度可由Si薄膜的厚度、退火温度和退火时间来综合控制。
如图6中步骤501所示,再利用磁控溅射或者电子束蒸发设备蒸发2~10mm厚的金属薄膜。此处,为了达到最佳的表面等离体共振,首选的金属分别是Ag、Au、Pt、Cu。选取其中的一个金属并形成薄膜后,通过500度,30s的快速热退火处理,便可以形成金属纳米晶,其尺寸一般在5~10nm之间。其大小也可以通过温度、厚度和时间来调节。
如图7中步骤601所示,为了制备减反膜,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70~120nm之间。对于晶硅电池的单层减反膜情况来说,其对光的减反效果可达到最佳。此时减反膜会覆盖住硅纳米晶层和金属纳米晶层。
如图8中,先如步骤701所示,利用丝网印刷将铝浆料印刷于电池背面,形成铝背场电极,印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。接着再如步骤702所示,用丝网印刷机在正面涂覆负电极银浆料,形成栅线和汇流条,印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。
最后按照大规模生产线的退火合金方式,对正面的负电极、背面的正电极进行从300℃至900℃的阶梯式热退火处理,最终完成表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅高效太阳能电池的制备。
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 (10)

1.一种制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,该方法包括:
步骤101:在晶硅基板正面和背面制备绒面结构;
步骤102:将正面和背面均有绒面结构的晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散,形成双面PN结;
步骤103:在晶硅基板正面淀积Si薄膜,退火形成硅纳米晶;
步骤104:在晶硅基板正面淀积金属薄膜,退火形成金属纳米晶;
步骤105:在晶硅基板正面和背面生长Si3N4减反膜;
步骤106:采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极,并进行热处理固化;然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极,并进行热处理固化;
步骤107:合金退火,制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,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、背两面均置于腐蚀液中,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所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,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所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,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,扩散源为液态POCl3,扩散出的双面PN结的结深在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所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤103具体包括:
利用磁控溅射或者电子束蒸发在晶硅基板表面淀积一层非晶Si薄膜,薄膜厚度在2nm~10nm之间,而后进行快速热退火处理,并通过快速热退火的方式形成硅纳米晶。
6.根据权利要求1所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤104具体包括:
利用磁控溅射或者电子束蒸发在晶硅基板表面淀积一层金属薄膜,金属薄膜厚度在2nm~10nm,而后进行快速热退火处理,形成金属纳米晶薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述金属薄膜采用Ag、Au、Pt或者Cu。
8.根据权利要求1所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤105具体包括:
将晶硅基板放置于等离子体增强化学气相沉积设备中,在晶硅基板的正面和背面生长Si3N4减反膜,Si3N4减反膜的厚度为70~120nm。
9.根据权利要求1所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤106具体包括:
利用丝网印刷技术,在晶硅基板背面和正面分别进行丝网印刷,先在晶硅基板背面印刷正电极图形,再进行低温固化热处理,接着在晶硅基板正面印刷负电极图形,再进行低温固化热处理。
10.根据权利要求1所述的制备表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤107具体包括:
采用常规阶梯式升温方式进行正面、背面的电极合金处理,无特殊气氛保护,最终制备出表面硅纳米晶和金属纳米晶混合调制晶硅太阳能电池。
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