CN102064232A - 一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，该工艺首先对硅片进行化学预处理形成绒面结构，接着对硅片进行高温磷扩散或硼扩散形成p-n结结构，再用酸性化学液去除磷硅玻璃或硼硅玻璃，接着对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护，再用酸性化学液去除非保护面即腐蚀面的自然氧化层或腐蚀面的介质膜材料，然后采用碱性化学液对腐蚀面的p-n结或绒面结构进行化学反应腐蚀，最后对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗，保留介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜，避免了重新制备此功能薄膜的过程，有效降低晶体硅太阳电池的生产成本，实现低成本单面腐蚀p-n结或绒面结构，有效提高晶体硅太阳电池的开路电压和短路电流，最终提高电池光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺。
背景技术
随着人类社会的发展，对能源的需求不断增长。但是常规化石能源具有资源有限性和不可再生的缺点，同时对环境造成严重的污染，改变地球气候特点，因此太阳能作为环保的可再生能源之一，近年来越来越受到世界各国的重视和支持。太阳电池光伏发电是太阳能的一种利用形式，它的基本原理是利用光生伏打效应将光直接转换成电。太阳电池光伏发电要成为常规化石能源的替代，太阳电池必须具备生产成本低、生产过程环保、电池光电转换效率高的特点。晶体硅太阳电池是目前主流的太阳电池，因此实现晶体硅太阳电池低成本环保生产并具有高的光电转换效率的工艺研究开发显得尤为重要。单面腐蚀晶体硅硅片p-n结或绒面结构的工艺是有效提高晶体硅太阳电池光电转换效率的工艺之一。
通常，晶体硅太阳电池用硅片在高温扩散后具有双面p-n结结构，如果不针对此双面p-n结结构进行有效处理，太阳电池在实际工作中会产生边缘漏电导致电池光电转换效率的大幅下降。目前，针对晶体硅硅片双面p-n结结构进行防漏电处理的方法包括等离子体边缘刻蚀p-n结法、激光隔离边缘p-n结法和氢氟酸/硝酸(HNO3/HF)混合腐蚀液背面腐蚀p-n结法等。这些方法都能比较有效地处理双面p-n结结构，实现防止太阳电池边缘漏电的目的。但是，对于等离子体边缘刻蚀p-n结法，由于常用的产生等离子体的气体是四氟化碳(CF4)或六氟化硫(SF6)气体，它们既是剧毒气体，也是产生温室效应的有害气体之一，同时气体中的氟元素会破坏地球的臭氧层，恶化人类居住环境，此外，该方法会破坏太阳电池受光面边缘的p-n，减少受光面p-n结的有效面积，降低太阳电池的光电转换效率；对于激光隔离边缘p-n结法，主要是采用激光的局域高温作用对太阳电池受光面边缘p-n结进行熔融隔离，截断了正面和背面p-n结的电学连接而达到防漏电目的，但是此工艺对激光器的精度要求高，对长时间工作状态稳定性要求高，激光设备成本较高，此外，此工艺也同样存在减少受光面p-n结有效面积的缺点，而且硅片在激光高温处理过后容易产生热损伤，降低光电转换效率；对于HNO3/HF混合腐蚀液背面腐蚀p-n结方法，也是晶体硅太阳电池大规模生产中常用的防止边缘漏电的方法之一，该方法主要采用HNO3对p-n结的硅材料进行氧化反应生成SiO2，HF再对SiO2进行腐蚀剥离的循环过程实现背面p-n结的腐蚀，但是，由于化学反应腐蚀液的主要成分HNO3和HF都是易挥发强酸，反应过程是放热过程，因此腐蚀液的成分稳定性控制难度很大，酸性腐蚀液的挥发对工艺操作者的人生安全造成很大威胁；此外，酸性废液处理难度大，处理不当会严重破坏生态环境，而且采用HNO3/HF混合腐蚀液背面腐蚀p-n结的工艺设备昂贵，提高太阳电池的制造成本。因此，这些方法都具有各自的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，该工艺具有生产成本低、工艺过程环境友好、有效防止晶体硅太阳电池边缘漏电并提高电池光电转换效率等优点，适合应用于大规模工业化生产中。
本发明提供的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺是，首先对硅片进行化学预处理形成绒面结构，接着对硅片进行高温磷扩散或硼扩散形成p-n结结构，再用酸性化学液去除磷硅玻璃或硼硅玻璃，接着对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护，再用酸性化学液去除非保护面即腐蚀面的自然氧化层或腐蚀面的介质膜材料，然后采用碱性化学液对腐蚀面的p-n结或绒面结构进行化学反应腐蚀，最后对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗，保留介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜，避免了重新制备此功能薄膜的过程，有效降低晶体硅太阳电池的生产成本，实现低成本单面腐蚀p-n结或绒面结构，有效提高晶体硅太阳电池的开路电压和短路电流，最终提高电池光电转换效率。
本发明所述的硅片为p型或n型单晶硅片或多晶硅片，硅片电阻率为0.1～20Ω·cm，厚度为50～500μm。
本发明所述的绒面结构为金字塔绒面结构、倒金字塔绒面结构、椭圆凹坑绒面结构、长条状凹坑绒面结构或多孔硅绒面结构。
本发明所述的高温磷扩散或硼扩散的扩散温度为500～1100℃。
本发明所述的酸性化学液为氢氟酸化学液或氢氟酸和盐酸、硫酸或硝酸的混合酸性化学液，其中氢氟酸的重量浓度为1％～50％，盐酸、硫酸和硝酸的重量浓度为0％～30％。
本发明所述的介质膜为氮化硅膜、二氧化硅膜、二氧化钛膜、氧化铝膜、氧化锌膜和氟化镁膜中的一种介质膜或几种介质膜的复合膜，膜的总厚度为2～200nm。
本发明所述的碱性化学液为无机碱化学液或有机碱化学液或无机碱化学液和有机碱化学液的混合液，无机碱化学液或有机碱化学液的重量浓度为2％～30％，腐蚀温度为10～100℃。
本发明所述的无机碱化学液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸钠溶液、磷酸钾溶液和磷酸钠溶液中的一种或几种的混合液；所述的有机碱化学液为乙醇胺溶液、四甲基氢氧化铵溶液、甲醇钠溶液和乙醇钾溶液中的一种或几种的混合液。
本发明所述的有效清洗为去离子水清洗或先进行盐酸溶液清洗然后进行去离子水清洗的两步法清洗，去离子水的电阻率为0.1～18MΩ·cm，盐酸溶液的重量浓度为2％～30％。
本发明所述的功能薄膜是指对硅片具有表面钝化功能或体钝化功能或减少表面反射功能或同时具有这三种功能两个以上的介质薄膜。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用碱性化学液对晶体硅太阳电池的硅片进行单面腐蚀p-n结或绒面结构，能够非常有效地避免由于双面p-n结结构带来的电池边缘漏电，大幅提高晶体硅太阳电池的开路电压和短路电流；同时此工艺不存在减少太阳电池受光面p-n结有效面积的问题，能够最大化利用受光面p-n结的面积以提高太阳电池光电转换效率；
(2)本发明采用碱性化学液对晶体硅太阳电池的硅片进行单面腐蚀p-n结或绒面结构，反应腐蚀液即碱性化学液的成分稳定，不存在酸性腐蚀液的易挥发性，工艺过程可控性很高，能够满足大规模工业化生产对产品稳定性的要求；
(3)本发明采用碱性化学液代替酸性腐蚀液进行单面腐蚀p-n结或绒面结构，碱性化学液相对于HNO3、HF等强酸而言对工艺操作者的健康威胁很小，而且碱性废液处理难度低，处理技术成熟，可以降低废液对环境的不良影响，因此本发明工艺具有环境友好性；
(4)本发明采用碱性化学液对晶体硅太阳电池的硅片进行单面腐蚀p-n结或绒面结构，碱性化学液对非腐蚀面的介质保护膜不存在腐蚀反应或者腐蚀速率很低，因此经过短时间的腐蚀反应，能够完全去除腐蚀面的p-n结或绒面结构，而对非腐蚀面的介质保护膜的性质基本不存在影响或者影响很小，能够非常有效地保护非腐蚀面的p-n结和绒面结构；
(5)本发明采用介质膜保护非腐蚀面的p-n结，在完成单面腐蚀p-n结或绒面结构步骤后并不需要进行介质保护膜的腐蚀，该介质膜经过有效的清洗过程被保留下来，作为晶体硅太阳电池的功能薄膜，对硅片具有表面钝化功能或体钝化功能或减少表面反射功能或同时具有这三种功能两个以上，在提高电池光电转换效率的同时避免了重新制备此功能薄膜的过程，有效降低晶体硅太阳电池的生产成本。
具体实施方式
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
以下实施例提及的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺是，首先对硅片进行化学预处理形成绒面结构，接着对硅片进行高温磷扩散或硼扩散形成p-n结结构，再用酸性化学液去除磷硅玻璃或硼硅玻璃，接着对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护，再用酸性化学液去除非保护面即腐蚀面的自然氧化层或腐蚀面的介质膜材料，然后采用碱性化学液对腐蚀面的p-n结或绒面结构进行化学反应腐蚀，最后对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗，保留介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜，避免了重新制备此功能薄膜的过程，有效降低晶体硅太阳电池的生产成本，实现低成本单面腐蚀p-n结或绒面结构，有效提高晶体硅太阳电池的开路电压和短路电流，最终提高电池光电转换效率。
实施例1
本实施例中提到的一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结的工艺，包括以下步骤：
(1)对硅片进行化学预处理形成绒面结构；
(2)对硅片进行高温扩散形成p-n结结构；
(3)对硅片进行酸性化学液处理去除磷硅玻璃；
(4)对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护；
(5)对硅片腐蚀面的自然氧化层(SiO2)或腐蚀面的介质膜材料进行酸性化学液去除；
(6)对硅片腐蚀面的p-n结采用碱性化学液进行化学反应腐蚀；
(7)对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗；
(8)保留上述介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
本实施例所述的硅片为p型单晶硅片，硅片电阻率为1～10Ω·cm，硅片厚度为150～200μm。
本实施例所述的绒面结构为金字塔绒面结构。
本实施例所述的高温扩散为高温磷扩散，扩散温度为700～900℃。
本实施例所述的酸性化学液是氢氟酸化学液，氢氟酸的重量浓度为2％。
本实施例所述的介质膜为氮化硅膜，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)进行氮化硅膜的制备，介质膜的总厚度为75～85nm。
本实施例所述的碱性化学液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的重量浓度为15％～20％，腐蚀温度为70～80℃。
本实施例所述的腐蚀p-n结主要是把硅片双面p-n结结构中其中一面的p-n结以化学反应腐蚀的方式去除，腐蚀深度为0.2～1μm。
本实施例所述的有效清洗为去离子水清洗，去离子水的电阻率为10～18MΩ·cm。
本实施例所述的功能薄膜为氮化硅膜，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的氮化硅膜对硅片具有表面钝化功能、体钝化功能和减少表面反射功能这三种功能，在实现单面腐蚀p-n结并对硅片上的氮化硅膜和硅片腐蚀面进行有效的去离子水清洗后，保留氮化硅膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
实施例2
本实施例中提到的一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结的工艺，包括以下步骤：
(1)对硅片进行化学预处理形成绒面结构；
(2)对硅片进行高温扩散形成p-n结结构；
(3)对硅片进行酸性化学液处理去除硼硅玻璃；
(4)对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护；
(5)对硅片腐蚀面的自然氧化层(SiO2)或腐蚀面的介质膜材料进行酸性化学液去除；
(6)对硅片腐蚀面的p-n结采用碱性化学液进行化学反应腐蚀；
(7)对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗；
(8)保留上述介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
本实施例所述的硅片为n型单晶硅片，硅片电阻率为1～10Ω·cm，硅片厚度为150～200μm。
本实施例所述的绒面结构为金字塔绒面结构。
本实施例所述的高温扩散为高温硼扩散，扩散温度在800～1100℃。
本实施例所述的酸性化学液为氢氟酸和盐酸的混合酸性化学液，氢氟酸的重量浓度为2％，盐酸的重量浓度为5％。
本实施例所述的介质膜为氧化铝膜和氮化硅膜的复合膜，先采用原子层沉积法(ALD)制备厚度为5～10nm的氧化铝膜，然后采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在氧化铝膜上面沉积厚度为70～80nm的氮化硅膜，形成复合膜结构。
本实施例所述的碱性化学液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的重量浓度为15％～20％，腐蚀温度为70～80℃。
本实施例所述的腐蚀p-n结主要是把硅片双面p-n结结构中其中一面的p-n结以化学反应腐蚀的方式去除，腐蚀深度在0.2～1μm。
本实施例所述的有效清洗为去离子水清洗，去离子水的电阻率为10～18MΩ·cm。
本实施例所述的功能薄膜为氧化铝膜和氮化硅膜的复合膜，该复合膜对硅片具有表面钝化功能、体钝化功能和减少表面反射功能这三种功能，在实现单面腐蚀p-n结并对硅片上的复合膜和硅片腐蚀面进行有效的去离子水清洗后，保留氧化铝膜和氮化硅膜复合膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
实施例3
本实施例中提到的一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结及绒面结构的工艺，包括以下步骤：
(1)对硅片进行化学预处理形成绒面结构；
(2)对硅片进行高温扩散形成p-n结结构；
(3)对硅片进行酸性化学液处理去除磷硅玻璃；
(4)对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护；
(5)对硅片腐蚀面的自然氧化层(SiO2)或腐蚀面的介质膜材料进行酸性化学液去除；
(6)对硅片腐蚀面的p-n结及绒面结构采用碱性化学液进行化学反应腐蚀；
(7)对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗；
(8)保留上述介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
本实施例所述的硅片为p型多晶硅片，硅片电阻率为1～10Ω·cm，硅片厚度为150～250μm。
本实施例所述的绒面结构为长条状凹坑绒面结构。
本实施例所述的高温扩散为高温磷扩散，扩散温度为700～900℃。
本实施例所述的酸性化学液为氢氟酸和盐酸的混合酸性化学液，氢氟酸的重量浓度为2％，盐酸的重量浓度为5％。
本实施例所述的介质膜为氮化硅膜，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)进行氮化硅膜的制备，介质膜的总厚度为75～85nm。
本实施例所述的碱性化学液为四甲基氢氧化铵溶液，四甲基氢氧胺溶液的重量浓度为25％，腐蚀温度为80℃。
本实施例所述的腐蚀p-n结及绒面结构主要是把硅片双面p-n结结构中其中一面的p-n结及该腐蚀面的长条状凹坑绒面结构以化学反应腐蚀的方式去除，腐蚀深度在1～10μm。
本实施例所述的有效清洗为先进行盐酸溶液清洗然后进行去离子水清洗的两步法清洗，去离子水的电阻率为10～18MΩ·cm，盐酸溶液的重量浓度为5％。
本实施例所述的功能薄膜为氮化硅膜，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的氮化硅膜对硅片具有表面钝化功能、体钝化功能和减少表面反射功能这三种功能，在实现单面腐蚀p-n结并对硅片上的氮化硅膜和硅片腐蚀面进行有效的去离子水清洗后，保留氮化硅膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
实施例4
本实施例中提到的一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结及绒面结构的工艺，包括以下步骤：
(1)对硅片进行化学预处理形成绒面结构；
(2)对硅片进行高温扩散形成p-n结结构；
(3)对硅片进行酸性化学液处理去除硼硅玻璃；
(4)对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护；
(5)对硅片腐蚀面的自然氧化层(SiO2)或腐蚀面的介质膜材料进行酸性化学液去除；
(6)对硅片腐蚀面的p-n结及绒面结构采用碱性化学液进行化学反应腐蚀；
(7)对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗；
(8)保留上述介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
本实施例所述的硅片为n型多晶硅片，硅片电阻率为1～10Ω·cm，硅片厚度为150～250μm。
本实施例所述的绒面结构为长条状凹坑绒面结构。
本实施例所述的高温扩散为高温硼扩散，扩散温度在800～1100℃。
本实施例所述的酸性化学液为氢氟酸化学液，氢氟酸的重量浓度为2％。
本实施例所述的介质膜为氧化铝膜和氮化硅膜的复合膜，先采用原子层沉积法(ALD)制备厚度为5～10nm的氧化铝膜，然后采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在氧化铝膜上面沉积厚度为70～80nm的氮化硅膜，形成复合膜结构。
本实施例所述的碱性化学液为四甲基氢氧化铵溶液，四甲基氢氧胺溶液的重量浓度为25％，腐蚀温度为80℃。
本实施例所述的腐蚀p-n结及绒面结构主要是把硅片双面p-n结结构中其中一面的p-n结及该腐蚀面的长条状凹坑绒面结构以化学反应腐蚀的方式去除，腐蚀深度在1～10μm。
本实施例所述的有效清洗为先进行盐酸溶液清洗然后进行去离子水清洗的两步法清洗，去离子水的电阻率为10～18MΩ·cm，盐酸溶液的重量浓度为5％。本实施例所述的功能薄膜为氧化铝膜和氮化硅膜的复合膜，该复合膜对硅片具有表面钝化功能、体钝化功能和减少表面反射功能这三种功能，在实现单面腐蚀p-n结并对硅片上的复合膜和硅片腐蚀面进行有效的去离子水清洗后，保留氧化铝膜和氮化硅膜复合膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
Claims (10)
1.一种应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，首先对硅片进行化学预处理形成绒面结构，接着对硅片进行高温磷扩散或硼扩散形成p-n结结构，再用酸性化学液去除磷硅玻璃或硼硅玻璃，接着对硅片非腐蚀面的p-n结进行介质膜保护，再用酸性化学液去除非保护面即腐蚀面的自然氧化层或腐蚀面的介质膜材料，然后采用碱性化学液对腐蚀面的p-n结或绒面结构进行化学反应腐蚀，最后对硅片上的介质膜和硅片腐蚀面进行有效的清洗，保留介质膜作为晶体硅太阳电池的功能薄膜。
2.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的硅片为p型或n型单晶硅片或多晶硅片，硅片电阻率为0.1～20Ω·cm，厚度为50～500μm。
3.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的绒面结构为金字塔绒面结构、倒金字塔绒面结构、椭圆凹坑绒面结构、长条状凹坑绒面结构或多孔硅绒面结构。
4.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的高温磷扩散或硼扩散的扩散温度为500～1100℃。
5.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的酸性化学液为氢氟酸化学液或氢氟酸和盐酸、硫酸或硝酸的混合酸性化学液，其中氢氟酸的重量浓度为1％～50％，盐酸、硫酸和硝酸的重量浓度为0％～30％。
6.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的介质膜为氮化硅膜、二氧化硅膜、二氧化钛膜、氧化铝膜、氧化锌膜和氟化镁膜中的一种介质膜或几种介质膜的复合膜，膜的总厚度为2～200nm。
7.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的碱性化学液为无机碱化学液或有机碱化学液或无机碱化学液和有机碱化学液的混合液，无机碱化学液或有机碱化学液的重量浓度为2％～30％，腐蚀温度为10～100℃。
8.根据权利要求7所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的无机碱化学液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸钠溶液、磷酸钾溶液和磷酸钠溶液中的一种或几种的混合液；所述的有机碱化学液为乙醇胺溶液、四甲基氢氧化铵溶液、甲醇钠溶液和乙醇钾溶液中的一种或几种的混合液。
9.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的有效清洗为去离子水清洗或先进行盐酸溶液清洗然后进行去离子水清洗的两步法清洗，去离子水的电阻率为0.1～18MΩ·cm，盐酸溶液的重量浓度为2％～30％。
10.根据权利要求1所述的应用于晶体硅太阳电池的单面腐蚀p-n结或绒面结构的工艺，其特征在于，所述的功能薄膜是指对硅片具有表面钝化功能或体钝化功能或减少表面反射功能或同时具有这三种功能两个以上的介质薄膜。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110518 |