CN102738309A - 双面高效陷光纳米绒面的双pn结晶硅太阳能电池制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其包括如下工艺步骤：硅片正面和背面制备纳米绒面、正反两面扩散形成PN结、背面激光刻蚀钻孔、背面和正面丝网印刷栅线电极、合金退火形成欧姆接触。本发明使用纳米绒面技术，再使用双PN结电池技术，可以使得电池效率得到有效的提升，而且这些技术都与传统生产线兼容，不需要额外增加过多的设备，避免了在设备上投入过多的庞大支出。

Description

双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种太阳能电池制造工艺，具体涉及一种双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，属于太阳能电池制造技术领域。

【背景技术】

随着世界人口的急剧增加和各国经济的快速发展，对能源的需求越来越多；能源问题已成为一个国家长久快速发展的战略性问题。目前大规模使用的传统能源如石油和煤炭由于储量有限，按目前的消耗量在几十年后至一百多年后将会枯竭，同时目前频繁的使用化石能源造成严重的大气污染和温室效应，因此对清洁可再生能源的需求也越来越迫切；太阳能电池作为清洁能源的一种由此得到了快速发展。自1954年贝尔实验室报道第一个商品化的Si太阳能电池以来，各种太阳能电池相继问世。通过数十年来的不断发展，太阳能电池从第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的薄膜太阳能电池到现在第三代的高效太阳能电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。

目前常规晶体硅电池转换效率不断提升，但还不是很高(大规模生产单晶18％-18.5％，多晶16.7-17.2％)，但晶体硅电池目前在各种太阳能电池中，其市场比重占到了90％以上，大规模的退出市场还需时日；因此提高转换效率是降低成本的一种有效手段。常规晶体硅电池只能单面受光，而且由于硅的单一能带的属性，低于禁带宽度的近红外至红外波段的光无法被有效地吸收和利用。此外，太阳能照射到地面，一部分光会被周围环境散射到电池的背面，但背面被铝背场完全覆盖，根本无法利用杂散光。

为了吸收利用光强较弱的杂散光，以及提高正面入射太阳光中的近红外和红外部分(900-1800nm)的吸收和利用，需要用到新奇物理特性的纳米绒面。纳米绒面用到了纳米材料的一些新型物理性质，比如其在红外波段的吸收能力、克服晶体硅电池弱光效应方面，可以有效地应用于晶体硅太阳能电池。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种先进的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其利用纳米绒面的特殊物理特性，吸收利用杂散光，并吸收红外光，再加上双pn结电池结构，可以更加有效地利用光，较大幅度地提高电池效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其包括如下工艺步骤：

1)、利用湿法化学腐蚀方法在P型晶体硅衬底上正、反两面制备纳米绒面；

2)、磷扩散在具有纳米绒面的晶体硅衬底上，使正、背面形成双面对称PN结；

3)、利用等离子增强化学气相淀积方法在正面和背面生长Si3N4减反膜；

4)、利用激光刻蚀方法在背面激光刻蚀形成太阳能电池正极栅槽；

5)、对背面具有正极栅槽的衬底进行精确的丝网印刷，形成正电极；

6)、对正面和背面丝网印刷负电极；

7)、退火合金，完成双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤1)中的晶体硅衬底为p型125mm×125mm单晶硅片、156mm×156mm单晶硅片或156×156mm多晶硅片；厚度为50微米至250微米。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤1)中湿法化学腐蚀方法具体为金属诱导腐蚀的方法。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤1)采用的腐蚀液为盐酸、氯化银、氢氟酸的混合液，蚀时间控制在1分钟-10小时之间。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤2)在管式闭管扩散炉中扩散，晶体硅衬底放置时为单片独立放置，扩散源为三氯氧磷；扩散出的双PN结其结深在200-500nm之间。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤3)中Si3N4减反膜的厚度为70-120nm。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤4)所利用的激光波长为355nm；刻蚀出的宽度大于70微米，深度大于500nm的正极栅槽；刻蚀完毕后，用0.1-10％的NaOH或者KOH腐蚀液进行5s-300s的漂洗。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤5)的正电极两边距离正极栅槽两边的距离达到10微米以上。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法进一步为：所述步骤6)的印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。

本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法还可为：所述步骤7)采用链式烧结炉进行退火合金。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

首先，本发明所采用的高效陷光的纳米绒面，这与传统的金字塔绒面等，在陷光物理机制上有着根本的不同，在工艺方面体现在：本方法利用催化化学腐蚀，只需配置溶液进行腐蚀即可，降低了工艺成本和复杂度。

其次，本发明的双面pn结方式，通过结构的改变来充分利用散射的杂散光和正面入射太阳光中近红外和红外波段的光，其中双面pn结采用的是一步工艺来完成，工艺步骤大为简化，其步骤简单，且与现有工艺结合，不引入设备成本。

最后，采用激光刻槽工艺和精确丝网印刷对准工艺，确保了正负电极的互不干扰，以及电子和空穴的引出。最终实现双面吸收光，双面发电，提高了电池的效率。

【附图说明】

图1为本发明的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法的流程图。

图2为p型晶体硅的示意图。

图3为化学腐蚀制备出双面纳米绒面的示意图。

图4为对纳米绒面衬底进行双面磷扩散形成双PN结的示意图。

图5为利用管式离子增强化学气相淀积设备淀积双面Si₃N₄膜后的示意图。

图6为背面利用激光刻槽刻透背部pn结的示意图。

图7为利用精确对准丝印刷技术在背面槽线内印刷正电极浆料示意图。

图8为正面和背面丝网印刷负电极的示意图。

图9-1为丝印电极后正面的俯视图。

图9-2为丝印电极后背面的俯视图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图9-2所示，本发明为一种双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其包括如下工艺步骤：

步骤101：用湿法化学腐蚀方法在P型晶体硅衬底上正、反两面制备纳米绒面；其中，所述晶体硅衬底为p型125mm×125mm单晶硅片、156mm×156mm单晶硅片或156×156mm多晶硅片；厚度为50微米至250微米；所述湿法化学腐蚀方法具体为金属诱导腐蚀的方法；所采用的腐蚀液为盐酸、氯化银、氢氟酸的混合液，蚀时间控制在1分钟-10小时之间。

步骤102：磷扩散在具有纳米绒面的晶体硅衬底上，使正、背面形成双面对称PN结；其中，扩散过程在管式闭管扩散炉中扩散，晶体硅衬底放置时为单片独立放置，扩散源为三氯氧磷；扩散出的双PN结其结深在200-500nm之间，扩散完后利用酸洗去掉正背面的磷硅玻璃。

步骤103：利用等离子增强化学气相淀积方法在正面和背面生长Si3N4减反膜；该Si3N4减反膜的厚度为70-120nm，生长过程中力求正、背两面的Si3N4膜各方面的特性一致；

步骤104：利用激光刻蚀方法在背面激光刻蚀形成太阳能电池正极栅槽；其中，所述激光的波长为355nm；刻蚀出的宽度大于70微米，深度大于500nm的正极栅槽；刻蚀完毕后，用0.1-10％的NaOH或者KOH腐蚀液进行5s-300s的漂洗，去除刻蚀过程中的损伤层；

步骤105：对背面具有正极栅槽的衬底进行精确的丝网印刷，形成正电极；正电极两边距离正极栅槽两边的距离达到10微米以上，避免栅线与槽壁之间出现连接短路的情况；栅线的宽度需要依据槽的宽度来设计丝印网板，以确保此项重要工作的完成；完后背面槽中的正电极，进行低温固化热处理，以确保形态的固定；

步骤106：对正面和背面丝网印刷负电极；印刷完毕后在200℃热处理并加以固化；背面正电极栅线形成叉指状结构；

步骤107：退火合金，完成双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池；其中，该步骤采用链式烧结炉常规阶梯式升温方式进行正面、背面的电极合金处理，处理过程无特殊气氛保护。

图2至图9是本发明的一个具体实施例。

如图2中步骤201所示，选取的晶硅基板为商用125单晶或者156多晶都可，衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5-3Ω·cm，多晶电阻率为0.5-6Ω·cm。

如图3中步骤301所示，利用规模化的样品花篮，采用HF+HCl+AlCl的湿法腐蚀液(体积比为1∶3∶1)，温度选用45度，采用水浴加热，将厚度为180微米的单晶或者多晶硅片表面催化腐蚀出纳米绒面；腐蚀完后用盐酸在25度浸泡，而后去除掉多余的金属颗粒，并用去离子水冲洗干净。

如图4中步骤401所示，将正反两面制备好绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散。扩散炉温度可在300℃至1300℃变化。我们取扩散温度在850-950℃之间，扩散源为液态POCl3。扩散出的双面PN结其结深在200-500nm之间，结深由扩散时间来确定，扩散完毕后所形成的方块电阻约在20-50Ω/□变化。由于扩散过程中，会在电池表面形成磷硅玻璃，它会影响电池的效率，因此用HF酸、HNO3酸和水的混合腐蚀液来消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去离子水清洗干净并烘干，以备接下来的制备减反膜工艺。

如图5中步骤501所示，为了制备减反膜，将基片再放入到管式PECVD中，采用相互独立放置的模式，双面生长Si3N4膜，膜厚控制在70-120nm之间。对于晶硅电池的单层减反膜情况来说，其对光的减反效果可达到最佳。

如图6中步骤601所示，利用工作波长为1064nm的激光刻蚀机对背面进行刻蚀，刻蚀深度在20微米左右，宽度为120微米，将背部的pn结刻透，而后采用1％浓度的KOH腐蚀液对刻蚀损伤进行腐蚀30s，完成开槽过程。但刻蚀宽度一定要大于下一步工艺中丝网印刷电极的宽度。因此，此步骤中刻蚀图形的设计一定要与下一步骤中的丝网印刷的图形统一起来。

如图7中，先如步骤701所示，通过CCD精确对准，将丝网印刷的铝浆电极印刷于栅槽线内，印刷的电极宽度一定要小于栅槽线的宽度，而且要印刷在栅槽线以内，不可有丝毫的浆料在栅槽线以外。印刷完毕后在200℃热处理并加以固化，栅线宽度在100微米，并与槽壁没有任合接触。

如图8中步骤801和802所示，用丝网印刷机在背面和正面丝印银栅线；背面丝印银栅线时，印刷的过程中一定不要与背部正电极浆料有任合的接触或者重合；印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。最后按照大规模生产线的退火合金方式，对正面的负电极、背正的正电极和负电极进行从300℃至900℃的阶梯式热退火处理，最终完成一种双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅高效太阳能电池制造。

如图9-1中的901分别正面丝印负电极的俯视图，图9-2中的902和903是背面丝印正电极和负电极的俯视图，图中可以看出902和903成叉指状，绝对不能重合。

以上所述制备工艺，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

1)、利用湿法化学腐蚀方法在P型晶体硅衬底上正、反两面制备纳米绒面；

2)、磷扩散在具有纳米绒面的晶体硅衬底上，使正、背面形成双面对称PN结；

3)、利用等离子增强化学气相淀积方法在正面和背面生长Si3N4减反膜；

4)、利用激光刻蚀方法在背面激光刻蚀形成太阳能电池正极栅槽；

5)、对背面具有正极栅槽的衬底进行精确的丝网印刷，形成正电极；

6)、对正面和背面丝网印刷负电极；

7)、退火合金，完成双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池。

2.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤1)中的晶体硅衬底为p型125mm×125mm单晶硅片、156mm×156mm单晶硅片或156×156mm多晶硅片；厚度为50微米至250微米。

3.如权利要求2所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤1)中湿法化学腐蚀方法具体为金属诱导腐蚀的方法。

4.如权利要求3所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤1)采用的腐蚀液为盐酸、氯化银、氢氟酸的混合液，蚀时间控制在1分钟-10小时之间。

5.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤2)在管式闭管扩散炉中扩散，晶体硅衬底放置时为单片独立放置，扩散源为三氯氧磷；扩散出的双PN结其结深在200-500nm之间。

6.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤3)中Si3N4减反膜的厚度为70-120nm。

7.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤4)所利用的激光波长为355nm；刻蚀出的宽度大于70微米，深度大于500nm的正极栅槽；刻蚀完毕后，用0.1-10％的NaOH或者KOH腐蚀液进行5s-300s的漂洗。

8.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤5)的正电极两边距离正极栅槽两边的距离达到10微米以上。

9.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤6)的印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。

10.如权利要求1所述的双面高效陷光纳米绒面的双PN结晶硅太阳能电池制造方法，其特征在于：所述步骤7)采用链式烧结炉进行退火合金。

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