CN102110740B - 定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法 - Google Patents

定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳电池技术领域的定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法，通过对硅片先进行预处理后依次进行预热处理和第二道次热处理，并经酸洗后用于太阳电池制作。本发明借助红外光谱技术，利用氧在热处理过程中形成的适量沉淀能够吸除金属杂质的特点，有针对性地选择定向凝固多晶硅锭底部材料，以达到提高多晶硅太阳电池效率的目的。

Description

定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法
技术领域
本发明涉及的是一种太阳电池技术领域的方法，具体是一种定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法。
背景技术
多晶硅作为一种低成本材料占据了目前50％以上的商业化晶体硅太阳电池市场，其光电转换效率一般为14％至17％，低于直拉单晶硅太阳电池1-2％。而多晶硅中氧、碳等杂质是导致其电池效率低于单晶硅的主要原因。适量的氧沉淀虽然可以起到吸除金属杂质的作用，进而提高电池效率，但过量的氧沉淀会诱生缺陷，减少少子寿命。同时，高浓度碳会形成碳化硅沉淀，损害电池的电学性能，在一定条件下，还会成为氧的成核中心，促进氧的沉淀。
任丙彦等人在2003年中国太阳能学会学术年会上发表的“太阳能直拉硅片衬底中氧的热行为及其对光电转换效率的影响”一文中提出：将两次热处理工艺引入单晶硅太阳电池的制备，可以形成具吸杂作用的氧沉淀，有效改善电池性能，提高光电转换效率。但对于市场份额更大的多晶硅太阳电池是否适合两次热处理工艺并未阐述。
目前，太阳电池级多晶硅材料的主要生产方式为定向凝固法。在定向凝固多晶硅锭中，由于氧、碳的分凝系数不同，使得不同部位的氧、碳含量不同，氧含量的分布从底部向顶部依次降低，碳含量则相反。高浓度的氧杂质会降低硅片的少子寿命，使得硅锭底部硅片的少子寿命低于中部硅片。然而，Kvande R等人在《Journal of Crystal Growth》(晶体生长杂志)第311卷(2009)第765页上发表的“Influence of crucible and coating quality on the properties ofmulticrystalline silicon for solar cells”(坩埚及涂层质量对太阳电池级多晶硅性能的影响)一文中的数据显示：制成电池后，有着高含量氧的底部硅片太阳电池效率较其它部位高。可见在电池制作过程中，多晶硅中的碳在热处理时很可能影响了氧的沉淀量，进而影响了最终的电池效率。
基于多晶硅锭中氧、碳的复杂行为，考虑到定向凝固多晶硅锭不同部位材料中的氧、碳在热处理过程中形成沉淀的作用不同，适当地将两次热处理工艺引入多晶硅锭底部材料的太阳电池制备过程中，可以有效地提高太阳电池效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法，借助红外光谱技术，利用氧在热处理过程中形成的适量沉淀能够吸除金属杂质的特点，以达到提高多晶硅太阳电池效率的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过对硅片先进行预处理后依次进行预热处理和第二道次热处理，并经酸洗后用于太阳电池制作。
所述的预处理是指：用氢氟酸对多晶硅锭底部1/3处位置的多晶硅片进行清洗，再用去离子水洗净硅片上的氢氟酸后，将硅片甩干。
所述的预热处理是指：以1200℃以上的温度对预处理后的硅片进行预热1小时。
所述的第二道次热处理是指：在650～1150℃的环境下进行4小时的热处理。
所述的酸洗是指：用酸溶液腐蚀和织构硅片表面。
本发明具有显著优点和进步，本发明不改变原有的电池制备工艺，仅在原有流程前增加一道工艺，便可以有效提高定向凝固多晶硅太阳电池的效率。同时本发明还考虑到了定向凝固多晶硅锭中不同部位氧、碳含量不同引起的沉淀量差异，对两次热处理方法的适用部位进行了选择，使得该方法在提升定向凝固多晶硅太阳电池的性能方面更具针对性。另外，本发明提供的通过红外光谱技术测量第二道次热处理前后氧含量变化来确定第二道次热处理温度的方法，由于仅需少量样品且可以省略研究过程中制作电池的步骤，大大降低了研究成本和时间，应用方便。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
使用Nicolet Nexus 870傅立叶变换红外光谱仪在室温下测量热处理前后的氧、碳浓度。取定向凝固多晶硅锭顶部、中部、底部三个部位各三个样品硅片(T1、T2、T3；M1、M2、M3；B1、B2、B3)进行红外光谱的测量。将硅锭中与每个样品紧邻的硅片看作具有相同的氧、碳含量，采用如下工艺将硅片制成太阳电池：用酸溶液腐蚀和织构硅片表面，清洗后进行磷扩散，使用氢氟酸去除硅片表面磷硅玻璃后进行清洗和刻蚀，用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在表面沉积氮化硅减反膜进行表面钝化，再在电池背面镀上一层铝背场，用丝网印刷技术制作电极，最后进行烧结。对制成的太阳电池使用陕西众森电能科技有限公司XJCM-9单片电池测试仪测量电池效率。
本实施例具体包括如下步骤：
1.对三个部位共九个定向凝固多晶硅样品进行与扩散条件相同的热处理，并在热处理前后进行红外光谱测量，定量计算出氧、碳浓度的变化(ΔO和ΔC)，即氧、碳沉淀的含量(ΔOT1＝1.48×1015cm-3，ΔOT2＝1.87×1015cm-3，ΔOT3＝3.28×1015cm-3：ΔCT1＝1.508×1016cm-3，ΔCT2＝2.149×1016cm-3，ΔCT3＝2.518×1016cm-3；ΔOM1＝6.26×1015cm-3，ΔOM2＝2.385×1016cm-3，ΔOM3＝3.267×1016cm-3；ΔCM1＝1.38×1015cm-3，ΔCM2＝3.61×1015cm-3，ΔCM3＝4.01×1015cm-3；ΔOB1＝6.03×1015cm-3，ΔOB2＝5.02×1015cm-3，ΔOB3＝4.61×1015cm-3；ΔCB1＝1.52×1015cm-3，ΔCB2＝7.5×1014cm-3，ΔCB3＝7.3×1014cm-3)。对每个样品相应的太阳电池进行效率η的测量(ηT1＝14.43％，ηT2＝14.17％，ηT3＝13.85％；ηM1＝14.6％，ηM2＝14.52％，ηM3＝14.45％；ηB1＝14.89％，ηB2＝14.84％，ηB3＝14.78％)。对比结果后发现，顶部样品碳沉淀较多，电池效率随碳沉淀的增加而降低，不适合两次热处理方法；中部样品由于碳对氧沉淀的促进作用，形成了过多的氧沉淀，其效率随氧沉淀的增加而降低，也不适合两次热处理方法；只有底部样品的效率随氧沉淀的增加而有所提高，故两次热处理方法仅适用于定向凝固多晶硅锭的底部材料。取定向凝固多晶硅锭底部的材料，用10％浓度的氢氟酸进行清洗，再用去离子水将氢氟酸洗净后，将硅片甩干。
2.将清洗甩干后的多晶硅片在1200℃下进行1小时的预热处理。
3.取少量多晶硅锭的底部1/3处位置的材料，清洗甩干后进行实施步骤2的预热处理，然后再分别进行4小时650、860、950、1050和1150℃的第二道次热处理，并在第二道次热处理前后进行红外光谱测量，定量计算出氧浓度的变化(ΔO)，即氧沉淀的含量(分别为ΔO＝5×1014cm-3，3.2×1015cm-3，1.17×1016cm-3，2.7×1016cm-3和3.45×1016cm-3)。根据实施步骤1中的结果，以1050℃和1150℃进行第二道次热处理所形成的氧沉淀过量，会诱生缺陷，降低电池效率，故选择950℃对选定的多晶硅锭底部硅片进行第二道次热处理。
4.用酸溶液腐蚀和织构经过两次热处理的多晶硅片表面，然后用于正常的太阳电池制作工序。对比使用两次热处理方法制成的电池以及只经过预热处理制成的电池，转换效率提高了2.9％，说明两次热处理方法对提高定向凝固多晶硅电池效率是有效的。

Claims (1)

1.一种定向凝固多晶硅太阳电池的两次热处理方法，其特征在于，通过对定向凝固多晶硅锭的底部材料先进行预处理后依次进行预热处理和第二道次热处理，并经酸洗后用于太阳电池制作，所述的预处理是指：用10％浓度的氢氟酸对多晶硅锭底部1/3处位置的多晶硅片进行清洗，再用去离子水洗净硅片上的氢氟酸后，将硅片甩干；所述的预热处理是指：以1200℃以上的温度对预处理后的硅片进行预热1小时；所述的第二道次热处理是指：在950℃的环境下进行4小时热处理；所述的酸洗是指：用酸溶液腐蚀和织构硅片表面。
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