CN102237434B

CN102237434B - 一种埋栅太阳能电池的制备方法

Info

Publication number: CN102237434B
Application number: CN201010154631.0A
Authority: CN
Inventors: 赵磊
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: CN102237434A

Abstract

本发明公开了一种埋栅太阳能电池的制备方法，涉及太阳能应用技术领域，为能够有效降低生产成本和工艺复杂度，而且利于环保而发明。所述埋栅电极的制备方法，包括：在硅基片表面设置开有电极窗口的掩模层；采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽。本发明可用于埋栅太阳能电池的制备工艺中。

Description

一种埋栅太阳能电池的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，尤其涉及一种埋栅太阳能电池的制备方法。

背景技术

埋栅太阳能电池是一种高效太阳能电池，其典型结构如图1所示，包括P型基体1、N型轻掺杂层2、埋栅电极3、埋栅电极3下方的N型重掺杂层4、减反射层5和背电极6。相比于传统的印刷电极的太阳能电池结构而言，埋栅太阳能电池通过埋栅结构，能够避免传统结构中正面的栅极对太阳光的遮挡，减少遮光损失，提高进入电池的光通量。另外，如图1可知，埋栅太阳能电池具有选择性发射极结构，电极栅线下及其附近区域为重掺杂深扩散区，其他区域为低掺杂浅扩散区。埋栅太阳能电池的选择性发射极结构可以有效提高太阳能电池的开路电压Voc，短路电流Isc和填充因子FF，从而提高了电池的光电转换效率。

目前，通常采用专利号为US4726850的专利公开的埋栅太阳能电池的制备方法制备埋栅太阳能电池，其主要工艺流程如下：去除硅片表面损伤并进行清洗→浅掺杂磷扩散→HF(氟化氢)清洗→沉积高质量的二氧化硅(SiO2)→沉积氮化硅(SiNx)减反射膜→激光刻槽→用氢氧化钾(KOH)溶液清洗激光刻出的槽→槽内进行浓磷扩散，实现重掺杂→沉积铝(Al)背电极→退火形成背电场→通过化学镀在槽内沉积镍(Ni)薄层→Ni层烧结→通过化学镀在槽内沉积铜(Cu)或者银(Ag)填满沟槽→烧结。

在实现上述制备埋栅太阳能电池的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中采用激光刻槽工艺制备埋栅电极所需要的沟槽，成本昂贵；另外，激光刻槽还需要后续对刻槽进行强碱溶液的清洗，使制备工艺复杂，造成了时间和成本的浪费，而且强碱溶液有较强的毒性和腐蚀性，不符合环保的要求。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种埋栅太阳能电池的制备方法，能够有效地降低生产成本和工艺复杂度，而且利于环保。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种埋栅太阳能电池的制备方法，包括：

在硅基片表面设置开有电极窗口的掩模层；

采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽。

采用上述技术方案后，本发明提供的埋栅太阳能电池的制备方法，采用等离子刻蚀技术制备埋栅电极所需要的沟槽，有效降低了工艺成本，而且不需要后续对沟槽的强碱清洗，降低了工艺复杂度，还符合环保的要求。

附图说明

图1为埋栅太阳能电池的典型结构示意图；

图2为本发明实施例的工艺流程图；

图3(a)为本发明实施例一的工艺流程图；

图3(b)为与图3(a)所示的工艺流程相对应的实施效果图；

图4(a)为本发明实施例二工艺流程图。

图4(b)为与图4(a)所示的工艺流程相对应的实施效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的埋栅太阳能电池的制备方法，如图2所示的流程图，包括：

S11，在硅基片上设置开有电极窗口的掩模层；

S12，采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽。

本发明实施例提供埋栅太阳能电池的制备方法，采用等离子刻蚀技术制备埋栅电极所需要的沟槽，有效降低了工艺成本，而且不需要后续对沟槽的强碱清洗，降低了工艺复杂度，还符合环保的要求。另外，等离子刻蚀技术能够使沟槽的宽度和深度精确可控，利于提高电池的性能。

其中，S11步骤中，可应用丝网印刷技术，采用包括所述掩膜层材料的印刷浆料，在所述硅基片表面非电极区域丝网印刷开有电极窗口的掩模层。通常采用的掩膜层材料为SiO₂，也可采用SiNx作为掩膜层。采用丝网印刷技术设置掩膜层，可以有效降低工艺成本，适应大规模的工业生产。当然，本发明的实施例还可采用其他方法在所述硅基片上设置掩膜层，例如采用热氧化和光刻的方法，这里不做限定。

进一步的，如果S11步骤中，采用了丝网印刷技术设置了掩膜层，由于印刷浆料中通常包含有机成分，容易在工艺过程中产生污染物，因此，为了有效避免污染物的产生，S12步骤具体可为：

首先，采用等离子体刻蚀技术对所述印刷浆料中的有机成分进行刻蚀；然后，采用等离子体刻蚀技术进行所述埋栅电极沟槽的刻蚀。

如果在S12步骤之前，所述硅基片上已经沉积了减反射层，通常为SiNx减反射层，S12步骤中，需要先采用等离子体刻蚀技术进行所述电极窗口区域的减反射层的刻蚀，将减反射层打开，然后采用等离子体刻蚀技术进行所述埋栅电极沟槽的刻蚀。

此外，本发明实施例提供的制备方法，在S12步骤后，可一次性在所述埋栅电极沟槽内填充金属电极，避免多次填充和烧结，这样，即不影响电池成品的性能，而且能够降低工艺复杂度，避免时间和成本的浪费。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明。

实施例一

本实施例提供的埋栅太阳能电池的制备方法，如图3所示，其中，图3(a)为本实施例的工艺流程图，图3(b)为与图3(a)的工艺流程相对应的实施效果图，包括下列步骤：

S21、去除硅片损伤，形成表面减发射结构并进行化学清洗；

本步骤的实施效果见S21′。

S22、淡磷扩散；

本步骤中，在硅基片表面均匀涂布低浓度的磷浆进行热扩散，实现硅基片表面的轻掺杂，实施效果见S22′。

S23、去除磷硅玻璃及侧面PN结；

本步骤中，将S22步骤扩散后的硅片用质量分数为2～20％的氢氟酸(HF)溶液进行清洗，去除淡磷扩散的副产物磷硅玻璃，并采用等离子体去边去除侧面PN结，实施效果见S23′。

S24、表面钝化及沉积减反射层；

本步骤中，在S23步骤处理后的硅基片表面沉积SiNx膜作为减反射钝化层，实施效果见S24′。

S25、丝网印刷SiO₂掩膜层；

本步骤中，采用SiO₂作为印刷浆料，在硅基片表面的非电极区域印刷开有电极窗口的SiO₂掩模层，同时SiO₂层也将作为后续工艺中的保护层，所印刷的SiO₂掩模层的厚度范围是1000～3000纳米(nm)，本步骤的实施效果见S25′。

S26、等离子体刻蚀埋栅电极所需要的沟槽；

本步骤的实施效果见S26′。

由于S25步骤中，采用丝网印刷技术印刷了SiO₂掩膜层，所使用的印刷浆料通常含有有机成分，易污染等离子体刻蚀设备的反应腔室，并且容易在工艺过程中产生污染物；另外，硅基片的电极窗口区域覆盖了SiNx减反射层，因此本步骤分为三步进行，包括：

第一步，采用O₂作为刻蚀工艺气体，采用电容耦合等离子体(CCP)或者电感耦合等离子体(ICP)的放电模式，在等离子体放电的条件下，采用干法刻蚀技术对印刷浆料中的有机成分进行刻蚀，防止下一步刻蚀过程中污染物的产生；

其中，该步骤具体的工艺参数如下：若采用ICP模式，启辉压力为1-15Pa，若采用CCP模式，启辉压力为30-300Pa，O₂流量为100-3000标况毫升每分(Sccm，standard-state cubic centimeter per minute)，启辉功率为100-2000瓦(W)，刻蚀时间0.5-2分钟(min)左右。另外，工艺气体中还可加入部分惰性气体，如：N₂、Ar、He等，起到控制起辉压力、稀释刻蚀气体和控制刻蚀速率的作用。可根据实际情况选择并调整工艺参数，以得到期望的刻蚀效果。

第二步，采用SF₆和O₂作为刻蚀工艺气体，采用CCP或者ICP的放电模式，在等离子体放电的条件下，采用干法刻蚀技术对SiNx减反射层进行刻蚀，打开SiNx层，形成电极刻蚀窗口；

其中，该步骤具体的工艺参数如下：若采用ICP模式，启辉压力为1-15Pa，若采用CCP模式，启辉压力为30-300Pa，SF₆的流量为40-4000Sccm，O₂的流量为10-1500Sccm，通常情况下使SF₆和O₂流量比SF₆/O₂在1至10之间，启辉功率100-4500W，刻蚀时间在0.5-2min左右。另外，工艺气体中还可加入部分惰性气体，如：N₂、Ar、He等，流量在100-4000Sccm，起到控制起辉压力、稀释刻蚀气体和控制刻蚀速率的作用。可根据实际情况选择并调整工艺参数，以得到期望的刻蚀效果。

需要指出的是，还可选择其他含卤族元素的气体，如：CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈等，替代SF₆，和O₂一起作为刻蚀SiNx形成刻槽窗口的刻蚀工艺气体，即可选择SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃和C₂F₈中的至少一种气体和O₂作为工艺气体。需要指出的是，刻蚀工艺气体还可有其他的多种选择，可根据实际情况选择。

第三步，采用对Si/SiO₂刻蚀选择比较高的Cl₂+HBr+O₂作为工艺气体，在等离子体放电的条件下，采用干法刻蚀的技术进行埋栅电极沟槽的刻蚀，刻蚀深度10-70微米(um)。

刻蚀选择比是指是对Si/SiO₂的刻蚀速率的比值，该数值越大，选择比越高，即刻蚀Si的速率远大于刻蚀SiO₂的速率，刻蚀选择比高是形成埋栅电极沟槽的必备条件。

其中，该步骤具体的工艺参数如下：若采用ICP模式，启辉压力为1-15Pa，若采用CCP模式，启辉压力为30-300Pa，Cl₂的流量为10-1000Sccm，HBr的流量为50-3000Sccm，O₂的流量为10-1000Sccm，通常情况下气体流量比Cl₂/HBr/O₂大约为1-5/5-30/1-5，启辉功率100-4500W，刻蚀时间为3-10min左右。另外，工艺气体中还可加入部分惰性气体，如：N₂、Ar、He等，流量在100-4000Sccm，起到控制起辉压力、稀释刻蚀气体和控制刻蚀速率和刻蚀沟槽的深度的作用。可根据实际情况选择并调整工艺参数，以得到期望的刻蚀效果。

需要指出的，也可以选择其他含卤族元素的气体，如：SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈等，用于替代Cl₂或者HBr，实现沟槽的刻蚀；而且为了达到要求的刻蚀深度和刻蚀速率，还可以采用多种刻蚀性气体组合的方式，比如说SF6+Cl2+O2等，即可选择SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈、Cl₂和HBr中的至少一种气体和O₂作为刻蚀工艺气体。当然，刻蚀工艺气体还可有其他的多种选择，可根据实际情况选择。

另外，在第二步后，可以不更改工艺气体成分，在第三步中同样采用SF₆和O₂作为工艺气体，通过调节SF₆和O₂的气体比例，得到对Si/SiO2不同的刻蚀选择比，实现埋栅电极所需沟槽的刻蚀。同样，SF6可以使用其他的含卤族元素的气体进行替代，如：CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈等，通过调节和O₂的气体配比得到不同的刻蚀选择比实现沟槽的刻蚀。

S27、在刻蚀所得沟槽内浓磷重掺杂；

本步骤中，在所得的埋栅电极沟槽内，涂布高浓度的磷浆，然后放入扩散炉中进行热扩散，实现电极区域的重掺杂，实施效果见S27′。

S28、去除SiO₂掩模层以及磷硅玻璃；

本步骤中，将扩散后的硅片用质量分数为2～20％的HF溶液进行清洗，去除SiO₂掩模层以及掺杂扩散的副产物磷硅玻璃，实施效果见S28′。

S29，填充沟槽形成电极；

本步骤中采用光诱导化学镀技术一次性在获得的埋栅电极沟槽内填充Ni/Ag电极，实施效果见S29′。需要指出的是，形成电极的方法不限于光诱导化学镀技术，可采用其他实施方式。

S210，印刷背电极及背表面场，烧结；

本步骤采用丝网印刷的技术，印刷背电极以及背表面电场，并烧结，实施效果见S210′。

本实施例提供的埋栅太阳能电池的制备方法，在所述在硅基片上设置开有电极窗口的掩模层的步骤S25前，对所述硅基片表面进行轻掺杂；在所述采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片的电极窗口区域刻蚀出埋栅电极沟槽的步骤使6后，对所述硅基片的埋栅电极沟槽区域进行重掺杂。

实施例二

本实施例提供的埋栅太阳能电池的制备方法，如图4所示，其中，图4(a)为本实施例的工艺流程图，图4(b)为与图4(a)的工艺流程相对应的实施效果图，包括下列步骤：

S31、去除硅片损伤，形成表面减发射结构并进行化学清洗；

本步骤的实施效果见S31′。

S32、在硅基片表面设置SiO₂掩膜层；

本步骤中，采用SiO₂作为印刷浆料，在硅基片表面的非电极区域印刷开有电极窗口的SiO₂掩模层，同时SiO₂层也将作为后续工艺中的保护层，所印刷的SiO₂掩模层的厚度范围是1000～3000nm，本步骤的实施效果见S32′。当然，还可采用其他方式设置掩膜层。

S33、等离子体刻蚀埋栅电极所需要的沟槽；

本步骤的实施效果见S33′。

由于S32步骤中，采用丝网印刷技术印刷了SiO₂掩膜层，所使用的印刷浆料通常含有有机成分，易污染等离子体刻蚀设备的反应腔室，容易在工艺过程中产生污染物，因此本步骤分为二步进行，包括：

第一步，采用O₂作为刻蚀工艺气体，采用CCP或者ICP的放电模式，在等离子体放电的条件下，采用干法刻蚀技术对印刷浆料中的有机成分进行刻蚀，防止下一步刻蚀过程中污染物的产生；

其中，该步骤具体的工艺参数如下：若采用ICP模式，启辉压力为1-15Pa，若采用CCP模式，启辉压力为30-300Pa，O2流量为100-3000标况毫升每分(Sccm，standard-state cubic centimeter per minute)，启辉功率为100-2000瓦(W)，刻蚀时间0.5-2分钟(min)左右。刻蚀工艺气体中还可加入惰性气体，如：N₂、Ar、He等，起到控制起辉压力、稀释刻蚀气体和控制刻蚀速率的作用。可根据实际情况选择并调整工艺参数，以得到期望的刻蚀效果。

第二步，采用对Si/SiO₂刻蚀选择比较高的Cl₂+HBr+O₂作为工艺气体，在等离子体放电的条件下，采用干法刻蚀的技术进行埋栅电极沟槽的刻蚀，刻蚀深度10-70um。

其中，该步骤具体的工艺参数如下：若采用ICP模式，启辉压力为1-15Pa，若采用CCP模式，启辉压力为30-300Pa，Cl2的流量为10-1000Sccm，HBr的流量为50-3000Sccm，O2的流量为10-1000Sccm，通常情况下气体流量比Cl₂/HBr/O₂大约为1-5/5-30/1-5，启辉功率100-4500W，刻蚀时间为3-10min左右。另外，工艺气体中还可加入部分惰性气体，如：N₂、Ar、He等，流量在100-4000Sccm，起到控制起辉压力、稀释刻蚀气体和控制刻蚀速率和刻蚀沟槽的深度的作用。可根据实际情况选择并调整工艺参数，以得到期望的刻蚀效果。

需要指出的，也可以选择其他含卤族元素的气体，如：SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈等，用于替代Cl₂或者HBr，实现沟槽的刻蚀；而且为了达到要求的刻蚀深度和刻蚀速率，还可以采用多种刻蚀性气体组合的方式，比如说SF₆+Cl₂+O₂等，即可选择SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈、Cl₂和HBr中的至少一种气体和O₂作为刻蚀工艺气体。当然，刻蚀工艺气体还可有其他的多种选择，可根据实际情况选择，这里不做限定。

S34、去除SiO₂掩模层；

本步骤采用质量分数为2～20％的HF溶液对经过上述步骤处理的硅基片进行清洗，去除SiO₂掩模层，实施效果见S34′。

S35、沟槽内浓磷，其他区域淡磷同时扩散；

本步骤中，在刻蚀所得的电极沟槽内涂布高浓度的磷浆，在硅基片其余部分涂布低浓度的磷浆，然后放入扩散炉中进行热扩散。浓磷和淡磷同时扩散，实现硅片表面轻掺杂，电极区域重掺杂，实施效果见S35′。

S36、去除磷硅玻璃及侧面及背面的PN结；

本步骤中，将S35步骤扩散后的硅片用质量分数为2～20％的氢氟酸(HF)溶液进行清洗，去除淡磷扩散的副产物磷硅玻璃，并采用等离子体去边去除侧面PN结，实施效果见S36′。

S37、沉积减反射层；

本步骤中，采用PECVD(等离子体辅助化学气相沉积)法沉积SiNx减反射层，实施效果见S37′。

S38、填充沟槽形成电极；

本步骤中，采用丝网印刷技术在沟槽内填充Ni/Ag电极浆料，形成埋栅电极，实施效果见见S38′。

S39，印刷背电极及背表面场，烧结；

本步骤采用丝网印刷的技术，印刷背电极以及背表面电场，并烧结，实施效果见S39′。

本实施例提供的埋栅太阳能电池的制备方法，在所述采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片的电极窗口区域刻蚀出埋栅电极沟槽的步骤S33后，对所述硅基片的沟槽区域进行重掺杂，同时对所述硅基片的其他区域进行轻掺杂。

综上所述，本发明实施例提供埋栅太阳能电池的制备方法，有效降低了工艺成本，而且不需要后续对沟槽的强碱清洗，降低了工艺复杂度，还符合环保的要求。而且，等离子刻蚀技术能够使沟槽的宽度和深度精确可控，利于提高电池的性能。另外，本发明提供的制备方法，各步骤可以实现全真空状态下的In-line(成线)式连接，即整个工艺中各步骤可在全真空条件下逐步进行，不需要反复将硅基片暴露在空气中，减少各步骤对硅基片的污染程度，提高生产效率和产品的性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种埋栅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：

在硅基片表面设置开有电极窗口的掩膜层；

采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽；

其中：

所述在硅基片上设置开有电极窗口的掩膜层具体为：

采用包括所述掩膜层材料和有机成分的印刷浆料，在所述硅基片表面非电极区域丝网印刷开有电极窗口的掩膜层，所述掩膜层材料为SiO₂；

所述采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽包括：

采用等离子体刻蚀技术对所述印刷浆料中的有机成分进行刻蚀以防止所述有机成分在所述埋栅电极沟槽的刻蚀过程中产生有机污染物，所述采用等离子体刻蚀技术对所述印刷浆料中的有机成分进行刻蚀采用的刻蚀工艺气体包括O₂，O₂流量为100-3000标况毫升每分，启辉功率为100-2000瓦，刻蚀时间0.5-2分钟，若采用电感耦合等离子体模式，启辉压力为1-15Pa，若采用电容耦合等离子体模式，启辉压力为30-300Pa；

采用等离子体刻蚀技术进行所述埋栅电极沟槽的刻蚀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述采用等离子体刻蚀技术进行所述埋栅电极沟槽的刻蚀采用的刻蚀工艺气体包括SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃、C₂F₈、Cl₂和HBr中的至少一种气体和O₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述采用等离子体刻蚀技术对所述印刷浆料中的有机成分进行刻蚀后，所述采用等离子体刻蚀技术进行所述埋栅电极沟槽的刻蚀前，所述方法还包括：

采用等离子体刻蚀技术进行所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域上的减反射层的刻蚀。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述采用等离子体刻蚀技术进行所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域上的减反射层的刻蚀采用的刻蚀工艺气体包括SF₆、CF₄、NF₃、CH₂F₂、CHF₃和C₂F₈中的至少一种气体和O₂；

5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，所述刻蚀工艺气体还包括惰性气体N₂、Ar或He。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述在硅基片上设置开有电极窗口的掩膜层的步骤前，对所述硅基片表面进行轻掺杂；

在所述采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽的步骤后，对所述硅基片的埋栅电极沟槽区域进行重掺杂。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述采用等离子体刻蚀技术在所述硅基片上与所述电极窗口对应的区域刻蚀出埋栅电极沟槽的步骤后，对所述硅基片的埋栅电极沟槽区域进行重掺杂，同时对所述硅基片的其他区域进行轻掺杂。