CN102945894A - 一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法 - Google Patents

一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法 Download PDF

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蔡蔚
王明聪
路忠林
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Abstract

一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，包括步骤1.在电池片背面形成一层金属铝膜；步骤2.在电池片背面覆盖与设计电极形状相同的石蜡；步骤3.将覆盖了电极形状石蜡的电池片置于电解池中，通电使金属铝膜未被石蜡遮档的部分被氧化成氧化铝；步骤4.从电解池中取出电池片，清洗电池片背面的石蜡；步骤5.清洗后的电池片进行退火，退火完成后使其自然冷却。采用本发明所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，工艺过程简单，各步骤使用实验室设备即可完成全部钝化膜和电极制备过程，增强了电池对长波光的吸收，降低了电池背表面的复合，提升了太阳能电池效率。

Description

一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产制造领域，涉及一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法。
背景技术
为了提高晶体硅电池的转换效率，减少电池片的表面复合是一种有效的方法，这种效果称做钝化。在电池片的正面，减反射薄膜起到了良好的表面钝化作用；在电池片的背面，经过研究人员的分析和测试，铝背场的钝化效果还有很大的提升空间。研究人员从这个角度开发了背钝化电池，即通过在电池片背面镀钝化膜的方式来提升钝化效果。背钝化电池降低了电池片背面的载流子复合，增强了长波光的响应，提高了电池的开路电压，最终电池的效率也将得到提升。SiO2、非晶硅和氧化铝都可以作为背钝化膜，目前的背钝化电池常采用氧化铝作为背钝化膜。
现有技术采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）沉积技术或ALD(原子层沉积)沉积技术在电池片背面生成钝化膜，PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，利用等离子体化学活性强，容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。这两种沉积技术采用的设备昂贵，且后期制作电极困难。
对于背钝化电池，若要制作背电极，必须对钝化层进行开窗，这样电极才能与硅基接触而导出光生电流。开窗是一个较为复杂的工序，目前有激光开窗和化学开窗两种方式，激光开窗精度高，成本也高；化学开窗对硅片损伤小，但后期清洗难度大。
发明内容
为克服传统技术钝化膜生成和钝化膜开窗时工艺复杂，成本设备均较昂贵的技术缺陷，本发明提供一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法。
本发明所述晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，包括如下步骤：
步骤1.在电池片背面形成一层金属铝膜；
步骤2.在电池片背面覆盖与设计电极形状相同的石蜡；
步骤3.将覆盖了电极形状石蜡的电池片置于电解池中，通电使金属铝膜未被石蜡遮档的部分被氧化成氧化铝；
步骤4.从电解池中取出电池片，清洗电池片背面的石蜡；
步骤5.清洗后的电池片进行退火，退火完成后使其自然冷却。
优选的，所述步骤1中使用金属真空镀膜机进行对电池片背面进行铝膜蒸镀。
优选的，所述步骤2中使用选择性发射极工艺在电池片背面喷涂石蜡。
优选的，所述步骤3中电解池的电解液为18M纯水。
优选的，所述步骤4中使用质量百分比为8%的氢氧化钾BDG溶液对电池片进行清洗。
优选的，所述步骤5中使用扩散炉进行退火。
进一步的，所述步骤5中扩散炉退火时温度为500摄氏度，扩散炉内通入纯氮气体。
具体的，所述步骤3包括如下步骤：
步骤31. 将电池片置入电解液池中的阳极端，在电解液保持60℃恒温条件下，以60mA的恒定电流将电压提升至100V并保持；
步骤32.氧化完成后，将电流下降到20mA。
具体的，使用机械泵将电池片吸附在电解池阳极。
优选的，所述金属铝膜厚度为200纳米。
采用本发明所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，电极形状利用石蜡掩膜喷涂生成，工艺过程简单，各步骤使用实验室设备即可完成全部钝化膜和电极制备过程，在电池片背部制备氧化铝钝化膜增强了电池对长波光的吸收，降低了电池背表面的复合，提升了太阳能电池效率。
附图说明
图1示出本发明所述晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法的具体实施方式步骤框图；
图2示出本发明所述晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法中步骤3电解的具体实施方式示意图；
各图中附图标记名称为：1.电池片2.电解池 3.阳极 4.阴极 5.吸气口。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1.在电池片背面形成一层金属铝膜；
步骤2.在电池片背面覆盖与设计电极形状相同的石蜡；
步骤3.将覆盖了电极形状石蜡的电池片置于电解池中，通电使金属铝膜未被石蜡遮档的部分被氧化成氧化铝；
步骤4.从电解池中取出电池片，清洗电池片背面的石蜡；
步骤5.清洗后的电池片进行退火，退火完成后使电池片自然冷却。
本发明优选的在步骤1中使用金属真空镀膜机进行对电池片背面进行铝膜蒸镀，将电池片和铝锭放入真空镀膜机，抽真空使真空度达到要求后，打开电子枪对铝锭进行轰击，使铝原子被溅射出沉积在电池片背面。电池片背面沉积铝膜厚度与需要的电极厚度一致，传统技术PECVD和ALD技术生成的钝化膜厚度较薄，分别为30纳米和20纳米，由于PECVD和ALD技术成膜的原子致密性高，因此较薄的厚度即可符合要求，本发明采用蒸镀铝原子沉积在太阳能电池硅片表面的手段，原子致密性较低，因此控制沉积厚度200纳米以达到钝化效果，发明人经过多次实验发现厚度为200纳米时较为合适，厚度太薄，电极厚度均匀度差，电极性能下降，厚度200纳米以上，铝消耗量增加，钝化性能提升不明显。
本发明优选的在步骤2中使用选择性发射极工艺（SE，selective emitter）在电池片背面喷涂石蜡掩膜,石蜡掩膜的形状与电极的设计形状相同，根据电极形状，石蜡掩膜可以喷涂呈点阵形式或线阵形式，石蜡掩膜的面积占整个电池片背面的面积一般在5%~20%，石蜡掩膜形状走线的最小线宽优选不低于150微米。
石蜡掩膜形状喷涂完成后，进入步骤3以电解生成钝化层，本发明步骤3中电解池的电解液优选为18M纯水，其中18M表示水的电阻率为18兆欧姆厘米，以电阻率表征水的纯净度。使用高纯度的18M纯水作为电解液利于电解过程，如图2所示，将电池板1与电解池阳极3连接，阴极4位于电解池5内与阳极相对的另一侧，加热电解液至60℃后保持电解液在60℃恒温条件，外接电源给电解池电极通电后，使与电解池阳极和阴极相连的A、B两点回路电流达到60mA并保持恒定，并提升A、B两点间电压至100V并保持，这时开始对石蜡掩膜未遮挡的铝膜部分进行电解氧化，电解过程中使用机械泵从吸气口5抽气，将电池片吸附在阳极，采用吸附方式不会破坏电池片，防止电池片在电解过程中折断。待氧化完成后，将电流下降至20mA，将完成氧化的电池片取出，观察未被石蜡掩膜遮挡的铝膜部分，若未被石蜡掩膜遮盖的铝膜部分在阳光反射下呈绿光，则表示主要成分为氧化铝AL2O3的钝化膜已经形成。
上述电解过程中的温度参数60摄氏度，电流参数60毫安、20毫安，电压参数100V等是发明人在本发明验证过程中，结合使用取得较佳电解效果的优选实施参数。
为提高前述对氧化铝薄膜检验的精确度，本发明优选使用椭圆偏振测量仪对氧化完成的电池片背部进行检测，检测氧化铝薄膜是否形成，椭圆偏置技术通过检测分析被检测介质的反射光波长，对被检测介质的成本进行分析，具有非接触，无破坏，检测性能高等优点。
电解完成后，需要对电池片背部的石蜡掩膜进行清洗，可以使用氢氟酸进行清洗，氢氟酸采用市售氢氟酸稀释至质量百分比2%~5%作清洗液对石蜡掩膜进行清洗。本发明优选使用含质量百分比8%的KOH溶液，溶液的溶剂为BDG（二乙二醇单丁醚）溶剂，以提高清洗效果。
经过上述步骤后在电池片背部已经形成了一层氧化铝钝化膜，并且在氧化铝钝化膜上具备了作为背电极使用的金属铝，为去除金属铝和氧化铝薄膜在生成过程中存在的晶格错位等缺陷，将电池片送入扩散炉中进行高温退火，退火过程中须通入保护气体保证电池片不被氧化，氮气来源广泛，价格经济，可以采用体积纯度99.9%以上的氮气作为退火过程中的保护气。
下面给出本发明的两个具体实施例：
实施例1.
⑴准备好待制备氧化铝钝化膜的电池片，电池片为156毫米边长的正方形单晶硅片；
⑵在电池片样品背面利用真空镀膜机蒸镀200nm厚度的金属铝膜；
⑶在样片上使用SE工艺覆盖点阵石蜡，面积约10%；
⑷加热电解液温度至60摄氏度并保持电解液恒温，把样片置于电解池，60毫安电流提升A,B点电压至100V，维持上述电流和电压不变保持20分钟；
⑸将电解池电流下降至20毫安，从电解池中取出样片， 8%质量百分比KOH的BDG溶剂清洗去石蜡；
⑹把样片置于500℃氮气环境的扩散炉中20分钟；
⑺从扩散炉卸下电池片，氧化铝钝化膜和背电极制备完成。
实施例2.
⑴准备好待制备氧化铝钝化膜的电池片，电池片为156毫米边长的正方形多晶硅片；
⑵在电池片样品背面利用真空镀膜机蒸镀200nm厚度的金属铝膜；
⑶在样片上使用SE工艺覆盖线阵石蜡，面积约10%；
⑷加热电解液温度至60摄氏度并保持电解液恒温，把样片置于电解池，60毫安电流提升A,B点电压至100V，维持上述电流和电压不变保持20分钟；
⑸将电解池电流下降至20毫安，从电解池中取出样片， 8%质量百分比KOH的BDG溶剂清洗去石蜡；
⑹把样片置于500℃氮气环境的扩散炉中20分钟；
⑺从扩散炉卸下电池片，氧化铝钝化膜和背电极制备完成。
测试得到的电池片，与未产生背部钝化膜的电池片效率相比，实施例1和实施例2分别提升电池效率0.7%和0.3%。
本发明所述的蒸镀，电解，检验，退火等各步骤可以使用较廉价或已普及的实验室设备，例如国产铝膜真空镀膜机，实验用电解池，SE800椭圆偏振测量仪，TS81003扩散炉等。
传统PECVD和ALD技术在生成钝化膜的过程中使用的设备都在1000万元人民币以上，按照10年使用期折算，每年设备折旧费在100万元以上，本发明在生成钝化膜过程中使用的设备成本约200万元，仅此一项即可每年节约设备折旧80万元。
如前所述，本发明对铝的消耗量增加，但由于PECVD和ALD过程中除了铝作为耗材以外，还需要较昂贵的三甲基铝作为铝气相沉积的辅助耗材，因此综合考虑，在耗材使用上，本发明与PECVD和ALD相当。
太阳能电池硅片厚度在200微米左右，钝化膜的作用在于降低表面复合以提升电池转化效率，钝化膜仅仅厚度增加上百纳米，仅占太阳能电池片厚度的千分之一左右，对电池转化效率影响微乎其微，
综上所述，本发明所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜制备方法大大缩减了设备成本，但在性能上几乎没有损失，实际节约了钝化膜生成过程中的生产成本并达到了与传统技术类似的效果。
采用本发明所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，电极形状利用石蜡掩膜喷涂生成，工艺过程简单，各步骤使用实验室设备即可完成全部钝化膜和电极制备过程，在电池片背部制备氧化铝钝化膜增强了电池对长波光的吸收，降低了电池背表面的复合，提升了太阳能电池效率。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1.在电池片背面形成一层金属铝膜；
步骤2.将金属铝膜氧化成氧化铝；
步骤3.检验电池片背部是否氧化完成，是则进入步骤4，否则返回步骤2；
步骤4.清洗后的电池片进行退火，退火完成后使电池片自然冷却。
2.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1中使用金属真空镀膜机进行对电池片背面进行铝膜蒸镀。
3.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：
所述步骤2具体为：将覆盖了金属铝膜的电池片置于纯水池中，煮沸使金属铝膜被氧化成氧化铝；
4.如权利要求3所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述纯水池的纯水为18M纯水。
5.如权利要求3所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤2中还包括对氧化后的电池片使用甩干机进行干燥。
6.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤3中使用椭圆偏振测量仪对电池片检验是否氧化完成。
7.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤4中使用扩散炉进行退火。
8.如权利要求7所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤4中退火时扩散炉内温度为500摄氏度，扩散炉内通入纯氮气体。
9.如权利要求8所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜的制备方法，其特征在于：所述纯氮气体为氮气体积百分比达到99.9%以上的气体。
10.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池氧化铝钝化膜和背电极的制备方法，其特征在于：所述金属铝膜的厚度为200纳米。
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