CN102315309A - 一种太阳能电池片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太阳能电池片的制备方法，步骤包括：a、在制绒后的硅片表面制备a-Si:H薄膜；b、将步骤a所得的表面含有a-Si:H薄膜的硅片于800-900℃下高温处理60-120min；c、将经过高温处理的硅片的表面进行腐蚀处理。本发明在制绒后硅片的背面沉积一层a-Si:H薄膜，可以很好的解决硅片中较多的杂质和微缺陷，提高电池片的使用寿命以及光电转化效率等电化学性能。而且能够起到很好的背面及体钝化作用，提高太阳能电池的I-V特性。同时工艺简单易实现。

Description

一种太阳能电池片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池片的制备方法。
背景技术
伴随着传统能源的日渐枯竭、环境污染问题的日益加剧，新能源的开发和应用已经成为人类研究的热点。取之不尽用之不竭、绿色无污染的太阳能是新能源开发利用的重点之一。
硅片是太阳能能源太阳能电池的核心部件，硅片一般是通过原料硅经过多步提纯后制片后成硅片，后硅片经过去油工艺→去除损伤层→制绒→扩散工艺→周边刻蚀→去除氧化层→制氮化硅膜→丝网印刷背、正电极→烧结→测试分选等制得太阳能电池片。
太阳能电池对硅的纯度要求较高，一般是6N以上，均需要对硅原料进行复杂的提纯处理，但提纯的硅纯度仍然不高，仍然存在杂质，同时在太阳能电池片的制备过程中也不可避免的会引入金属杂质，而且由于太阳能电池片的制备工艺复杂，容易出现微缺陷，这些杂质和缺陷会在硅禁带中引入多重深能级，成为少数载流子的复合中心，严重影响太阳电池的光电转换效率。
现有技术有研究通过对硅片通磷源进行磷吸杂处理并去除吸杂层，例如通磷源、氮气和氧气在硅片表面制备吸杂层，后用氢氟酸浸泡除去吸杂层，但该方法是利用磷原子与硅原子由于直径不同而引起失配位错形成吸杂中心，所形成的吸杂有限，且一般需要高的磷表面浓度和结深，工艺更复杂，难实现，且为后续制备带来困难，与现行工艺改进方向矛盾。
发明内容
本发明为了解决现有技术制备的太阳能电池片中仍然存在较多的杂质和微缺陷，容易引起载流子复合，影响太阳电池的光电转换效率的问题，提供一种能明显降低硅片中杂质和微缺陷的太阳能电池片的制备方法。
一种太阳能电池片的制备方法，步骤包括：
a、在制绒后的硅片表面制备a-Si:H薄膜；
b、将步骤a所得的表面含有a-Si:H薄膜的硅片于800-900℃下高温处理60-120min；
c、将经过高温处理的硅片的表面进行腐蚀处理。
进一步优选硅片表面为硅片背面。
进一步优选步骤b在高温处理的同时对在背面含有a-Si:H薄膜的硅片正面进行磷扩散处理。
本发明意外发现在制绒后的硅片的表面尤其是背面沉积一层a-Si:H薄膜，可以很好的解决硅片中较多的杂质和微缺陷，提高电池片的使用寿命以及光电转化效率等电化学性能。原因可能因为a-Si:H薄膜为非晶结构，具有晶格不完整性，在高温条件下，晶体硅中的金属杂质和缺陷会发生杂质和缺陷的分解、扩散以及俘获，易向具有晶格不完整性的区域聚集的特性，较易富集到该层薄膜中，然后通过腐蚀去掉硅片表面上的a-Si:H薄膜以及富集在该层中的杂质，能有效去除硅片中杂质和缺陷，较大程度上减少硅片中的载流子的复合中心，提高电池的短路电流，从而提高晶体硅太阳电池的转换效率；特别是本发明的a-Si:H薄膜中的氢在高温退火时，能够扩散至晶体硅的表面及体内，从而能够起到很好的表面特别是背面及体钝化作用，提高太阳能电池的I-V特性。本发明进一步优选利用硅片表面a-Si:H薄膜吸杂后结合磷吸杂，能更有效减小硅片体内杂质及缺陷。当优选背面沉积a-Si:H薄膜时可以在处理a-Si:H薄膜的同时或之后制备正面磷吸杂，通过背面a-Si:H薄膜吸杂结合正面磷吸杂，不仅更能有效减小硅片体内杂质及缺陷，硅片的平均使用寿命大大提高，而且能形成完美PN结，电池片平均转化效率提高，电池片的各项电性能参数更优，同时工艺简单易实现。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种太阳能电池片的制备方法，步骤包括：
a、在制绒后的硅片表面制备a-Si:H薄膜；
b、将步骤a所得的表面含有a-Si:H薄膜的硅片于800-900℃下高温处理60-120min；
c、将经过高温处理的硅片的表面进行腐蚀处理。
可以结合磷扩散处理，可以在高温处理的同时对沉积有a-Si:H薄膜的硅片正面进行磷扩散处理，此种情况在硅片的背面和正面沉积的a-Si:H薄膜的厚度不同，正面沉积的a-Si:H薄膜的厚度一般较薄，制成氧化层，后进行磷扩散处理制备完美PN结。优选在步骤c腐蚀处理后即去除吸杂了的a-Si:H薄膜后对硅片进行磷扩散处理，后再进行去硅磷层，去除杂质层和硅磷玻璃等，一般是将硅片于HF的水溶液中浸泡1-10min时间。
优选硅片表面为硅片背面，不对硅片正面进行处理，不在硅片正面形成氧化层，仅在硅片背面沉积，对硅片背面及体钝化作用明显，对太阳能电池片的性能提高显著。
此时优选结合常规的正面磷扩散处理，进行除杂，磷扩散处理可以在步骤b之后，步骤c之前，即在背面含有a-Si:H薄膜的硅片正面表面进行磷扩散处理，后将硅片的正、背面一起进行腐蚀处理，除杂、a-Si:H薄膜和硅磷玻璃；也可以先腐蚀处理硅片背面的a-Si:H薄膜及杂质，再对腐蚀处理后的硅片进行磷扩散处理，再腐蚀处理除去杂质和硅磷玻璃，除杂更有效。本发明进一步优选步骤b在高温处理的同时对在背面含有a-Si:H薄膜的硅片正面进行磷扩散处理，将吸杂和磷扩散处理有效结合，杂质同时向正、背面扩散，不仅更能有效减小硅片体内杂质及缺陷，硅片的平均使用寿命大大提高，而且电池片平均转化效率提高，电池片的各项电性能参数更优，同时能够起到很好的背面及体钝化作用，提高太阳能电池的I-V特性。同时利用磷扩散处理本身的高温条件，使杂质和微缺陷向a-Si:H薄膜层富集和背面及体钝化，将除杂工艺和磷扩散处理有效结合，制备完美PN结，工艺更简单，更节约成本。
本发明进一步优选a-Si:H薄膜的厚度为10-200nm，进一步优化太阳能电池片的性能。
本发明的腐蚀处理可以为本领域技术人员公知的各种腐蚀处理方法，本发明优选为化学腐蚀，一般为酸洗，例如优选对含有a-Si:H薄膜的硅片背面于HF和HNO3的水溶液中浸泡1-10min时间，氧化去除杂质层。正面腐蚀一般硅片于HF的水溶液中浸泡1-10min时间。
本发明优选在硅片表面制备a-Si:H薄膜的方法包括以SiH4和H2为反应气体，通过气体等离子化在硅片表面沉积a-Si:H薄膜。
本发明优选SiH4∶H2＝1∶20-1∶1。沉积优选为等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，沉积的时间为10-200s。
其中，磷扩散处理可以采用本领域技术人员公知的磷扩散处理工艺，在800-900℃温度下，将表面含有a-Si:H薄膜的硅片至于磷源、氧气和氮气的氛围下处理60-120min时间。其中，优选氮气和氧气的流量比为50∶1-10∶1；磷源和氧气的流量比为10∶1-1∶5。例如采用三氯氧磷液态源扩散方法，将背面附有a-Si:H薄膜的晶体硅片置于石英管，温度为800～900℃，携带小N2为800～2500sccm，干氧流量为500～3200sccm，进行正面磷扩散，其中扩散时间为25～40分钟。同时制备具有良好PN结的硅片，扩散后的硅片表面方块电阻一般在55±5Ω/□。
本发明所述HNO3和HF为电子级试剂，三氯氧磷为6N的高纯试剂，SiH4和H2也为高纯气体。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详述。
实施例1
太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺
a)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，以SiH4和H2为反应气体，SiH4和H2在微波的作用下发生等离子化，进而发生反应在制绒后的硅片背面表面形成a-Si:H薄膜，衬底温度为400℃，微波的功率为3000W，电源频率为2.45GHz，反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为200s，a-Si:H薄膜厚度为：100nm。
b)将上述背面沉积有a-Si:H薄膜的晶体硅片背靠背的插入石英舟，放入扩散炉(Tempress公司生产的TS81254型号)中进行磷扩散吸杂，该工序每步的时间、温度及各种气体的通入量如下表所示：
Figure BSA00000174652900051
c)利用背面化学腐蚀使硅片先经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面的a-Si:H薄膜和硅片边缘的pn结腐蚀掉，然后再经过HF水溶液将硅片正面的磷硅玻璃去掉。
实施例2
太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺
a)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，以SiH4和H2为反应气体，SiH4和H2在微波的作用下发生等离子化，进而发生反应在制绒后的硅片背面表面形成a-Si:H薄膜，衬底温度为400℃，微波的功率为3000W，电源频率为2.45GHz，反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为200s，a-Si:H薄膜厚度为：100nm。
b)将上述背面沉积有a-Si:H薄膜的晶体硅片放入高温炉中于860℃温度下处理90min时间。
后将高温处理后的背面沉积有a-Si:H薄膜的晶体硅片放入扩散炉中进行磷扩散工艺处理，该工序每步的时间、温度及各种气体的通入量如下表所示：
Figure BSA00000174652900061
c)利用背面化学腐蚀使硅片先经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面的a-Si:H薄膜和硅片边缘的pn结腐蚀掉，然后再经过HF水溶液将硅片正面的磷硅玻璃去掉。
实施例3
太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺
a)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，以SiH4和H2为反应气体，SiH4和H2在微波的作用下发生等离子化，进而发生反应在制绒后的硅片背面表面形成a-Si:H薄膜，衬底温度为400℃，微波的功率为3000W，电源频率为2.45GHz，反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为200s，a-Si:H薄膜厚度为：100nm。
b)将上述背面沉积有a-Si:H薄膜的晶体硅片放入高温炉中于860℃温度下处理90min时间。
c)利用背面化学腐蚀使硅片经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面的a-Si:H薄膜及杂质除去。
后将经过腐蚀处理的晶体硅片放入扩散炉中进行磷扩散吸杂，该工序每步的时间、温度及各种气体的通入量如下表所示：
然后利用背面化学腐蚀使硅片先经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面和硅片边缘的pn结腐蚀掉，然后再经过HF水溶液将硅片正面的磷硅玻璃去掉。
实施例4
采用与实施例1相同的方法进行太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺，不同的是反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为30s，a-Si:H薄膜厚度为：15nm。
实施例5
采用与实施例1相同的方法进行太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺，不同的是反应气体SiH4∶H2＝1∶5，沉积时间为180s，a-Si:H薄膜厚度为：180nm。
实施例6
采用与实施例1相同的方法进行太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺，不同的是反应气体SiH4∶H2＝1∶5，沉积时间为220s，a-Si:H薄膜厚度为：220nm。
实施例7
采用与实施例1相同的方法进行太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺，不同的是衬底温度为200℃，反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为200s，a-Si:H薄膜厚度为：100nm。
实施例8
太阳能电池片制备中的吸杂及扩散工艺
a)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，以SiH4和H2为反应气体，SiH4和H2在微波的作用下发生等离子化，进而发生反应在制绒后的硅片背面及正面表面形成a-Si:H薄膜，衬底温度为400℃，微波的功率为3000W，电源频率为2.45GHz，反应气体SiH4∶H2＝1∶10，沉积时间为200s，a-Si:H薄膜厚度为：100nm。
b)将上述表面沉积有a-Si:H薄膜的晶体硅片放入高温炉中于860℃温度下处理90min时间。
c)利用化学腐蚀使硅片经过HF和HNO3水溶液浸泡，将表面的a-Si:H薄膜及杂质除去。
后将经过腐蚀处理的晶体硅片放入扩散炉中进行磷扩散吸杂，该工序每步的时间、温度及各种气体的通入量如下表所示：
然后利用背面化学腐蚀使硅片先经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面和硅片边缘的pn结腐蚀掉，然后再经过HF水溶液将硅片正面的磷硅玻璃去掉。
对比例1
a)将制绒后的硅片直接放入扩散炉中进行磷扩散吸杂，该工序每步的时间、温度及各种气体的通入量如下表所示：
Figure BSA00000174652900091
b)利用背面化学腐蚀使硅片先经过HF和HNO3水溶液浸泡，将背面的a-Si:H薄膜和硅片边缘的pn结腐蚀掉，然后再经过HF水溶液将硅片正面的磷硅玻璃去掉。
性能测试：
少子寿命测试：将实施例1-8及对比例1制备的硅片于WT-2000PV的少子寿命测试仪，以1mm*1mm的分辨率进行无接触无损伤的面扫描自动测量及计算硅片片内的平均少子寿命，测试结果如表1。
太阳能电池片成品的制备：
将实施例1-8及对比例1制备的硅片经过：
(1)镀氮化硅膜，采用PECVD方法，通入SiH4流量为230sccm，NH3流量为2500sccm，反应气压为200Pa，辉光功率为2500W。选用的离子增强型化学气相沉积的仪器为Centrotherm公司生产的E2000 HT 410-4设备/
(2)将上述制备得到的硅片印刷正电极，采用常规的半自动丝网印刷法，用丝网印刷机(丝网厚度为26微米、200目、张力27牛顿)在上述硅片的背电场的相对立面的整个面上进行丝网印刷，浆料印刷厚度为24-32微米。选用丝网印刷机为Baccini公司的全自动丝网印刷机。
(3)将上述制备得到的硅片烧结，烧结温度为900℃，通过传送带传送实现在加热炉中的快速烧结，传送速度为50Hz，制备具有正电极的硅片。所用设备为中国电子科技集团第四十八研究所生产的R079-310M型高温烧结炉。
制备成太阳能电池片成品。
电池片电池性能测试：将制备的太阳能电池片成品于BERGER自动分选机测量电池片的各项电池性能参数，记录开路电压、短路电流、填充因子及转换效率，156*156电池片测试结果如表1。
表1
  少子寿命   开路电压   短路电流   填充因子   转换效率％
 实施例1   9.25μs   0.619   8.434   76.57％   16.43％
 实施例2   8.40μs   0.617   8.397   76.12％   16.29％
 实施例3   8.19μs   0.616   8.331   77.14％   16.26％
 实施例4   7.23μs   0.616   8.341   77.04％   16.22％
 实施例5   7.74μs   0.617   8.329   77.24％   16.24％
 实施例6   6.97μs   0.617   8.298   77.02％   16.18％
 实施例7   9.14μs   0.617   8.409   76.71％   16.35％
 实施例8   9.21μs   0.617   8.408   77.11   16.38％
 对比例1   5.34μs   0.612   8.317   77.13％   16.15％
本发明制备的太阳能电池片的使用寿命更长，光电转化效率更高，同时提高了电池的短路电流，特别提高太阳能电池的I-V特性。电池片的各项电性能参数更优，同时工艺简单易实现，为太阳能电池的发展奠定了基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种太阳能电池片的制备方法，其特征在于，步骤包括：
a、在制绒后的硅片表面制备a-Si:H薄膜；
b、将步骤a所得的表面含有a-Si:H薄膜的硅片于800-900℃下高温处理60-120min；
c、将经过高温处理的硅片的表面进行腐蚀处理。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤c之后还包括对腐蚀处理后的硅片进行磷扩散处理，后再进行去磷硅层。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述硅片表面为硅片背面。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述a-Si:H薄膜的厚度为10-200nm。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤b和c之间还包括在背面含有a-Si:H薄膜的硅片正面进行磷扩散处理。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤b在高温处理的同时对在背面含有a-Si:H薄膜的硅片正面进行磷扩散处理。
7.根据权利要求3所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述步骤c之后还包括对腐蚀处理后的硅片正面进行磷扩散处理，后再进行去磷硅层。
8.根据权利要求2、5、6或7任意一项所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述磷扩散处理包括在800-900℃下，将硅片于磷源、氧气和氮气的氛围下处理60-120min。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述氮气和氧气的流量比为50∶1-10∶1；所述磷源和氧气的流量比为10∶1-1∶5；所述磷源为三氯氧磷。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述在硅片表面制备a-Si:H薄膜的方法包括以SiH4和H2为反应气体，通过气体等离子化在硅片表面沉积a-Si:H薄膜。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述SiH4∶H2＝1∶20-1∶1；所述沉积的时间为10-300s。
12.根据权利要求1所述的太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述腐蚀处理包括化学腐蚀，将硅片于HF和HNO3的水溶液中浸泡1-10min。
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