CN102231408B - 层转移太阳能电池的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层转移太阳能电池的制造方法，包括层转移过程，其层转移过程包含：表面处理、硅沉积、太阳能电池制造、载体接合、剥离工序、基材再利用，牺牲层在可重复使用的基板上沉积，沿着衬底边缘衬垫是由牺牲层材料制成；牺牲层是由一个结构薄弱的中间物质和围绕在基板边缘的作为粘合边的牢固材料构成。采用本发明的技术方案，显著改善剥离工艺窗口，简化了太阳能电池的处理步骤，降低太阳能电池的制造成本。

Description

层转移太阳能电池的制造方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池的制造方法。

背景技术

近年来，为降低太阳能发电成本，人们已经认识到，薄膜太阳能电池板可以降低每瓦峰值功率的成本。因为它原材料的使用量少，制造面板的尺寸适应性比晶圆好。某些成本较低的电池板是由CaTe和CuInGaSe2(铜铟镓硒)和非晶硅(α-Si)制成的。然而，对这种系统的拥有成本实际上是较高的，因为：(1)由于屋顶空间的限制，低效率意味着更高的安装成本和缓慢的投资回报；(2)更短的寿命；(3)尚未证实的效率和不稳定性。因此，在低成本条件下，它们仍然是不成熟的技术，能提高效率和可靠性的问题非常值得怀疑。

一个完善的薄膜太阳能电池制作工艺是和高清晰度液晶使用的显示技术相同的。典型的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺是用来在玻璃基板上沉积小于1微米厚的非晶硅。然而，由于高密度缺陷和层厚薄问题，非晶硅太阳能电池的效率是很低的。由于Staebler-Wronski效应，非晶硅太阳能电池板一旦暴露在光线下，导电性能就会显著衰退。薄膜电池的另一个主要问题是膜层生长速度缓慢。通常的制造工艺像PECVD，物理气相沉积(PVD)，喷涂/溅射技术，其生长率小于1nm/sec，生长1微米厚的膜层需要超过16分钟，还需要另外五个小时的500℃退火以消除残余的氢。因此大规模太阳能电池板的生产，需要高成品率的工艺，但它们成本高又费时。

虽然制造薄膜太阳能电池能的硅使用量少，减少了对硅的依赖，从而降低成本，但都有低效率和寿命不确定的问题。过去三十年中已经开发的各种高效率硅太阳能电池，有以下各优势及特点：

1、大于10微米的芯片能有效地收集光子

2、具有捕光陷阱结构

表面绒面处理

高反射性的背电极

3、表面钝化降低了表面复合速率

4、金属下的少数载流子的反射结构

5、基体复合率低，晶粒尺寸大，硅材料纯度高

6、高温吸除杂质工艺(＞900℃)

磷扩散

铝接触

太阳能电池行业的发展趋势是使用更薄更大的晶圆。人们普遍认识到，只有一小部分晶圆应用到光电上，比如发电。制造高效率的硅薄膜太阳能电池板需要更厚的硅薄膜层。一个25微米厚的硅薄膜只能吸收80％的带间太阳能，而50微米厚的则达到了90％。在这些厚度范围内高效率硅太阳能电池已被证实。制造这样的薄晶圆是不切实际的，且加工设备难以控制。此外，相较在铸锭、切割和抛光过程中的损失，硅成本的节省并不显著。

常见的一种电池制造方法是硅在衬底上生长，但目前还没有合适的基板材料可完全满足这些严格的要求：成本低，纯度高，热膨胀系数与硅相匹配，晶圆加工过程中机械稳定性高等。

另一种制造高效太阳能电池的方法是利用层转移技术，而最有潜力的技术之一是布伦德尔引入的多孔硅(PSI)制造技术。通过电化学腐蚀在晶体硅表面生成两层多孔硅。顶部和底部的孔率约分别为20％和50％。在氢气气氛下，顶层的孔在高温退火过程中被封闭，然后生长外延层作为活性层。太阳能电池就在该活性层上生成并与廉价的衬底结合。最后通过破坏高孔率的多孔层的接合，将硅衬底与活性层分开。衬底的再利用，大大节省了太阳能电池板的成本(通常硅片大约占了其中的50％)。

由于PSI工艺的成品率比较低，通常为30％左右，节省成本的目的并没有实现，而最主要是因其狭隘的工艺窗口的限制。在电池制造过程中，活性层需要有良好的粘附力，而后又很容易剥离。阳极蚀刻工艺的不均匀性将进一步缩小工艺窗口，反之提高蚀刻的均匀性则能使成品率从33％增加至65％。此外，PSI的工艺过程破坏表面绒面，损耗衬底，产生微裂纹，从而进一步降低产量，在每一个PSI太阳能电池的工艺中，抛光和刻蚀工序都需要相当大的制造成本。

发明内容

本发明旨在提供一种高成品率的太阳能电池的制造方法，解决PSI工艺的缺陷，显著改善剥离工艺窗口，简化太阳能电池的处理步骤。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种太阳能电池的制造方法，包括层转移过程，其层转移过程包含：表面处理、硅沉积、太阳能电池制造、载体接合、剥离工序、基材再利用，牺牲层在可重复使用的基板上沉积，沿着衬底边缘衬垫是由牺牲层材料制成。牺牲层的结构特点为中间物质结构薄弱，围绕在基板边缘的接合材料牢固。

剥离工序流程包括：择优湿蚀刻接合点；使用机械力和/或化学辅助刻蚀进行剥离。

通过阳极蚀刻在层转移过程中制造多孔硅层。

硅沉积层的厚度为10-150微米。

采用等离子喷涂沉积牺牲层。

采用本发明的技术方案，可以显著改善剥离工艺窗口，简化了太阳能电池的处理步骤，降低太阳能电池的制造成本。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1层转移流程图；

图2衬底上的薄硅层结构；

图3剥离过程：(a)电池工艺后在晶圆上的接合；(b)择优湿蚀刻接合点；(c)使用机械力和/或化学辅助刻蚀进行剥离；(d)清洗和再利用；

图4改进PSI工艺中对接合层转移接合点的使用：(a)硅基材接合点覆盖；(b)接合点和阳极蚀刻生成于底部一层致密多孔硅多孔层的顶部和非常层层；(c)硅层厚度10-150微米的沉积；(d)太阳能电池的加工，附着在载体上和择优腐蚀移除接合点；(e)剥离与机械力和/或化学蚀刻；

图5背接触层转移技术太阳能电池的过程：(a)PN结和数字手指间形成的顶部硅层的沉积；(b)太阳能电池附着在载体；(c)剥离过程；和(d)清洗步骤；

图6等离子喷涂系统示意图。

具体实施方式

硅晶片与传统的高温工艺是兼容的。该层高纯度和高结晶度。层转移过程流程图如图1所示。它包括表面前处理，层转移过程包括表面处理，硅沉积，太阳能电池制造，载体接合，剥离，基材再利用步骤。

发明的基础是基础层结构如图2所示。牺牲层在一个可重复使用的基板上沉积。具有高强度，低杂质含量的高温金属材料是理想的衬底。制作一定数量的结合点，结合点下没有牺牲材料，衬垫是由牺牲层材料制成的。一个硅层厚度为10-50微米的垫和多孔层的沉积。

基板必须在达到1400度时具有高度的机械稳定性，且具备高纯度以免杂质扩散进入活性层而污染沉积层。电子级硅片是一种很好的基板，它具有与硅沉积层相同的线性热膨胀系数。因此，它是一种满足高效率太阳能电池高温制造工艺需要的理想候选材料。硅晶片作为机械支持的基板；不必成为太阳能电池的一部分，基板的再利用大大节省了太阳能电池板的成本。

牺牲层是由一个结构薄弱的中间物质和围绕在基板边缘作为粘合边的坚固材料构成的。这些物质即使在随后的高温(高达1200度)工序下也能保持它们的性能。硅层沉积在牺牲层上并由它支持，衬底和边缘之间的强接合力使膜层不会被剥离。带有一层牺牲层与硅沉积层的基板，看起来就像一个普通的硅片，可以采用传统的太阳能电池工艺制造加工，而吸收之前提及的所有的优点。

剥离工序流程如图3所示。电池制作完成后，基板首先与太阳能电池接合，如图3(a)所示，它可以是刚性或柔性的，不透明或透明的，一种低成本材料如常规玻璃，塑料，铝，钢，铜等。接合边材料会通过HF清洗，择优腐蚀去除，如图3所示(b)项。若该接合点是二氧化硅制成的，可利用氢氟酸优先刻蚀。该牺牲层的其余部分为弱结合，可以方便地通过机械力/超声波去除，如图3(c)。HF清洗后，如图3所示步骤(d)项，接合在载体上的太阳能电池为钝化层的形成和电极成型做准备。在背接触电池制造过程中，没有电极成形的步骤。基板可以重复使用，如图1所示。

得到开发的一种材料是多孔材料，在半导体电子行业中，其介电常数低，但该材料层易破裂，附着力差。1200度下，它们将变致密甚至烧穿。硅，氧化硅和氮化硅，氧化铝，碳化硅，通常在这样高温下使用，可以做成多孔结构的牺牲层。

如前所述，阳极蚀刻通常用于层转移过程中制造多孔硅层。然而为兼顾牺牲层的坚固性和太阳能电池的工艺需要，PSI工艺的成品率并不尽如人意。在本发明，接合点这一概念的使用将大大提高工艺窗口的结构，满足太阳能电池的处理步骤，轻松地实现剥离。该工艺流程见图4。

在硅衬底上沉积一定数量的接合点(图4(a))，然后以基板边缘为样板(图4(b))。通过阳极蚀刻生成两个多孔硅层。通过改变电流使顶层的密度比底部的大些，常规PSI过程中，顶层和底层孔隙度分别为20％和50％。使用键合点的再保护下在随后的剥离过程，新工艺可达到一个相当高的孔隙率(80％)。随后在800-1200℃下氢气气氛中将硅片退火，表面孔会被封毕，保留完好无损的高孔率的多孔层。10至150微米硅沉积层将如图4(c)。这可以是一种常规的硅外延沉积方式，比如用常压化学气相沉积(APCVD)。在高于1100℃温度下，这种沉积是一种化学迁移机制，具有非常高的沉积速率(1至6微米/分)。PN结也可以用这种沉积方式形成，省略了扩散过程，从而节省了制造成本。晶圆可以跟普通的晶片一样经受太阳能电池制造过程。剥离过程包括支承沉积层在基板上的键合点的剥离，如图4(d)。最后，高孔率的多孔层可以用机械力和/或化学蚀刻破坏。且由于高孔隙率的牺牲层的使用，不必担心硅薄膜分层，剥离过程中可以更轻松。直接地转换得出，每个基板有更高的晶圆成品率。

我们可以用一个背接触太阳能电池的制作过程举例，如图5所示。该电极和PN结在硅沉积层上形成。然后如前将载体接合在太阳能电池。然而，太阳能电池仅吸收多孔层尺寸大小的光子，因此载体和粘合剂树脂不必透明。载体可以是柔性的，比如塑料，只要它提供足够的支持力。接下来的剥离工序与上述相同，只是钝化后需要一步剥离过程，太阳能电池可以安装成普通电池组建进行检测。透明载体设计用于照明有额外安装模块的步骤，使用背接触法则不需要，图3，从而减少太阳能电池组件过程中额外的费用。使用背面光照法，简单地改变沉积或扩散过程的顺序(从p→n到n→p)是可行的。

另一种更为普遍的方法是在薄膜上等离子喷涂，生成多孔层。等离子喷涂系统的原理图如图6所示。这种系统已被广泛使用在许多镀膜系统上。它们非常适合用来沉积牺牲层。人们可以通过控制电源，气体流量，喷嘴与晶圆距离，粉体的材料和尺寸，基板温度和冷却气体流量等，来改变附着力和机械强度7。制造弱附着力又有一定机械强度的膜层，首要原则是需要降低功率、气体流量，增加距离，使用小尺寸粉末，冷基板。有许多种物质可作为减反层材料，如硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅层等，多孔硅作为晶体生长的种子具有额外优势。要生成一个能承受高温外延生长过程(＞1200℃)的硅层，可以在硅粉末颗粒之间引入硅的氧化物。原生氧化层和孔隙可以保持多孔硅层的致密化和再结晶。人们已经证实多孔层达到1300℃不会致密化。因此，该薄膜的附着力和机械强度在随后的高温过程中，如硅外延生长，依然很薄弱。此外，较大的硅粉体在喷涂过程中并没有完全融化。这种鳞片在涂层中仍然保持晶形，而作为在随后的硅沉积过程中的种子。等离子喷涂法过程中不会导致硅衬底的损耗，从而省略了在PSI流程中的表面处理步骤。

为免去每个晶圆必需的毛化处理，最好借助喷涂工艺。众所周知，晶体硅倒金字塔结构是一种非常有效的光陷阱。人们可以利用等离子喷涂技术来沉积非常薄的(＜1微米)多孔层。晶圆结构如图6所示，硅晶片作为基板，硅衬底上蚀刻倒金字塔绒面，薄多孔层则作为牺牲层表面。制作很薄的多孔层是非常困难的，最常见的如玻璃钻孔多孔层具有非常小的10纳米级别的孔隙。如此大的表面积大大改变了材料的性能，其熔点比原板低得多，因此它们在高温下会致密化。传统等离子喷涂法不适用的两个原因之一：(一)粒度非常小的粒子纯度很难满足太阳能电池工艺的需要；(二)亚微米颗粒粉体流动性不能很好地满足喷涂的要求。

等离子喷涂和胶体二氧化硅溶液的使用将达到在蚀刻薄硅片衬底上生成干净、热稳定的薄多孔层的目的。用雾化器将液态前驱体送入等离子枪中，完成纳米粉体材料的合成和沉积。当胶体二氧化硅送入到等离子枪中，就被蒸发飞溅，而液滴中的硅纳米颗粒将被烧结形成更大的粒子，胶体硅微粒的尺寸在20nm的级别。通过控制液滴的大小和浓度，可以喷涂粒径小于100纳米的硅微粒，形成一层多孔涂层。该尺寸下的硅粒子在1300℃下是稳定的。此外，胶体二氧化硅含杂质小于1ppm的比太阳能级硅片更好。薄多孔层作为牺牲层的使用，使人们有可能转移的增长硅层上的结构。在层转移流程周期后，绒面层不会被破坏，与PSI流程顺序相反。硅生长，电池加工和剥离过程与先前的非常相似。

Claims (5)

1.一种层转移太阳能电池的制造方法，包括层转移过程，所述的层转移过程包含：表面处理、硅沉积、太阳能电池制造、载体接合、剥离工序、基材再利用，其特征在于：牺牲层在可重复使用的基板上沉积，沿着衬底边缘的衬垫是由牺牲层材料制成，牺牲层的结构特点为中间物质结构薄弱，围绕在基板边缘的接合材料牢固。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：剥离工序流程包括：择优湿蚀刻接合点；使用机械力和/或化学辅助刻蚀进行剥离。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：通过阳极蚀刻在层转移过程中制造多孔硅层。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：硅沉积层的厚度为10-150微米。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：采用等离子喷涂沉积牺牲层。