CN102969390A

CN102969390A - 一种太阳能晶硅电池的开窗工艺

Info

Publication number: CN102969390A
Application number: CN2012103060397A
Authority: CN
Inventors: 韩健鹏; 陈金灯; 吴敏; 吕绍杰
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: CN102969390B

Abstract

本发明公开了一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其目的在于解决传统激光开窗工艺对晶体硅基体损伤大、对厚度不均匀的硅片开窗效果不稳定，对背面沉积薄膜厚度均匀性要求高等问题。本发明采用化学蚀刻的方法进行开窗，高选择性，对硅片没有损伤，适用性好，对厚度不均匀的硅片开窗效果稳定，对背面沉积薄膜厚度均匀性要求低。

Description

一种太阳能晶硅电池的开窗工艺

技术领域

本发明涉及太阳能晶硅电池生产技术领域，特别涉及一种太阳能晶硅电池的开窗工艺。

背景技术

在硅片表面，晶体的周期性被破坏从而会产生悬挂键，使得晶体表面存在大量位于带隙中的缺陷能级；另外，位错、化学残留物、表面金属的沉积都会引入缺陷能级。这些都使得硅片表面成为复合中心。而为了降低生产成本，人们不断降低硅片厚度，使光生载流子很容易扩散到背表面而加重了背表面的复合。降低太阳电池表面的复合速率有两种最基本的技术。一是降低表面态密度，表面复合速率同表面缺陷密度成正比，因此，理论上太阳电池表面复合速率可以通过沉积或生长适当的钝化层（如氮化硅、氧化钛、氧化硅、氧化铝等）而得到极大的降低。二是降低太阳电池表面的自由电子或空穴的浓度。对电池表面钝化工艺主要可分为前表面钝化（即正面钝化）和背表面钝化，其中前表面钝化很早就已经是常规工艺，典型的有沉积氮化硅和氧化硅绝缘层对前表面进行钝化，今后改善的空间不大。对于背表面而言，常规工艺中使用铝背场可以在含硼的P型硅表面形成含有铝的P+层，具有更低电阻的欧姆接触，但并不具有钝化效果。而且随着硅片厚度的降低，其效率损失更为明显。对此推出了背表面钝化技术，尤其是氧化铝钝化层，其优点有：1、背面抛光增强了背表面对于长波长红光的反射率，加长了红光在硅片内部的行程，从而增加了长波吸收；2、背面钝化减少可以有效减少背表面复合，提高载流子寿命。这种电池的结构如附图1所示，分别由1、正面银电极，2、正面减反射层，3、扩散发射极（N型），4、P型硅基体，5、氧化铝钝化层，6、氮化硅保护层，7、背面金属导电层。

在背钝化电池的结构中，背面有氧化铝和氮化硅两层绝缘层，为了能将光电转换生成的电流导出，需要在背面按照一定图案开出窗口，露出晶体硅的表面，便于后面的丝网印刷与烧结形成欧姆接触，将电流传导出去，这就是开窗工艺。常规背钝化电池生产中使用激光刻蚀的方式开窗，但激光由于其高能量的特点会造成硅片表面损伤严重，而且不同厚度的薄膜对激光功率的要求也不一样，对厚度不均匀的硅片开窗效果不稳定，可能造成开窗没有开透的情况。

CN102347376A的发明公开了一种高效率硅太阳能电池的背钝化结构,其包括镀设于经制绒、扩散和后清洗工艺后的P型硅基体的背表面上的薄膜叠层,薄膜叠层由氧化铝薄膜和氮化硅薄膜构成，氧化铝薄膜设置于P型硅基体的背表面上，氮化硅薄膜设置于氧化铝薄膜的下表面上，优点在于由于氧化铝具有固定的负电荷，因此氧化铝薄膜能有效降低背表面的复合，在氧化铝薄膜上设置氮化硅薄膜，氮化硅富含氢，因此能有效实现钝化，采用氧化铝和氮化硅薄膜叠层实现背钝化可进一步的降低背表面的复合，同时能够显著地提高晶体硅太阳能电池的开路电压。但该专利中未对开窗的工艺给出技术启示。

发明内容

本发明的目的在于解决传统激光开窗工艺对晶体硅基体损伤大、对厚度不均匀的硅片开窗效果不稳定，对背面沉积薄膜厚度均匀性要求高等问题，提供一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，采用化学蚀刻的方法进行开窗，高选择性，对硅片没有损伤，适用性好，对厚度不均匀的硅片开窗效果稳定，对背面沉积薄膜厚度均匀性要求低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，所述的开窗工艺步骤如下：

（1）前道制程：单晶硅片在质量浓度0.8%-1.5%的NaOH溶液中制绒10-25min在硅片的正面及背面形成金字塔绒面结构，再用纯水清洗，甩干；然后在硅片的正面进行磷扩散形成发射极，扩散方阻为65-75 R_方；用HF溶液将硅片表面的磷硅玻璃清洗干净，并甩干；接着在硅片正面用PECVD法沉积一层氮化硅减反膜，厚度为65-80nm，折射率为1.9-2.1。

（2）背面抛光：将步骤（1）处理得到的硅片放入抛光液中化学抛光3-15min，化学抛光温度为70-90℃。

（3）沉积背钝化层：采用原子层沉积法在步骤（2）背面抛光后的硅片的背面沉积一层厚度10-15nm的氧化铝钝化层，沉积温度控制在200-220℃；然后再在氧化铝钝化层的外表面用PECVD法沉积一层厚度为80-100nm的氮化硅保护层。由于氧化铝钝化层比较薄，而且容易划伤，且在丝网印刷时容易被铝浆烧透，因此需要在氧化铝钝化层的外面制作一层保护层。

（4）背面开窗：将蚀刻浆料丝网印刷在沉积完氧化铝钝化层和氮化硅保护层的硅片背面，接着放入红外烘箱中以200-400℃的温度处理1-2min，最后依次用质量浓度0.05%-0.2%的KOH溶液及纯水超声清洗1-3min，并甩干。红外烘箱为光波烘烤，直接作用于浆料的溶剂，溶剂易于蒸发，使用效果佳。蚀刻浆料可为市售，德国默克化学生产。

（5）丝网印刷与烧结：采用金属浆料丝网印刷在步骤（4）处理完的硅片的正面、背面制电极，经烘干、烧结得太阳能晶硅电池。

本发明采用化学蚀刻的方法进行开窗，通过步骤（1）-（3）的工艺优化配合，为步骤（4）的开窗提供最佳的条件，最终获得优异开窗效果的太阳能晶硅电池。采用化学蚀刻的方法进行开窗，高选择性，对硅片没有损伤，适用性好，对厚度不均匀的硅片开窗效果稳定，对背面沉积薄膜（氧化铝钝化层、氮化硅保护层）厚度均匀性要求低。

作为优选，步骤（1）制绒的温度控制在70-90℃。保证制绒的效果。

作为优选，步骤（1）中HF溶液的体积浓度为7%-9%。清洗效果佳。

作为优选，步骤（2）所述抛光液由有机强碱、无水乙醇和纯水混合制成，有机强碱的体积浓度为10-15%，无水乙醇的体积浓度为3-5%。作为优选，所述有机强碱为四甲基氢氧化铵。采用本发明的抛光液，抛光效果好，为后续的加工做好最佳准备。

作为优选，步骤（4）中蚀刻浆料用量为0.01-0.05g/cm²。蚀刻浆料的用量与开窗的效果密切相关，采用本发明的蚀刻浆料用量，开窗效果最佳。

作为优选，所述蚀刻浆料由以下重量百分数的组分混合制成：浓磷酸10-15%，松油醇8-12%，乙基纤维素12-18%，石墨粉30-35%，聚乙二醇余量。浓磷酸质量浓度在98%以上。采用市售的蚀刻浆料在开窗的稳定性和效果上较普通，因此，发明人进一步优化蚀刻浆料，开发了一种最适合本发明工艺使用的蚀刻浆料，开窗的稳定性及效果佳。

本发明的有益效果是：采用化学蚀刻的方法进行开窗，高选择性，对硅片没有损伤，适用性好，对厚度不均匀的硅片开窗效果稳定，对背面沉积薄膜厚度均匀性要求低。

附图说明

图1是现有背钝化电池的结构示意图；

图2为本发明中所用的一种背面开窗图案；

图3为对比例激光开窗后金相显微镜拍摄图；

图4为本发明实施例1开窗后金相显微镜拍摄图像；

图5为本发明中实施例2开窗后金相显微镜拍摄图像。

图中：1、正面银电极，2、正面减反射层，3、扩散发射极（N型），4、P型硅基体，5、氧化铝钝化层，6、氮化硅保护层，7、背面金属导电层。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1

(1) 前道制程：单晶硅片首先在质量浓度1.2%的NaOH溶液中，经80℃，15min，在正反两面形成金字塔绒面结构，并纯水清洗和甩干；然后然后在硅片的正面进行磷扩散形成发射极（现有技术），扩散方阻为70R_方；用浓度为7%的HF溶液将硅片表面的磷硅玻璃清洗干净，并甩干；接着在硅片正面用PECVD法（增强型等离子体气相沉积法，现有技术）沉积一层氮化硅减反射膜，厚度为75nm，折射率为2.0；

(2) 背面抛光：将步骤（1）处理得到的硅片装入硅片篮中，放入化学抛光槽的抛光液中化学抛光5min，化学抛光温度为80℃，抛光液由有机强碱（四甲基氢氧化铵，市售，质量浓度25%左右）、无水乙醇和纯水混合制成，有机强碱的体积浓度为15%，无水乙醇的体积浓度为3%。

(3) 沉积背钝化层：采用原子层沉积法（现有技术）在步骤（2）背面抛光后的硅片的背面沉积一层厚度10nm的氧化铝钝化层，沉积温度控制在200℃；然后再在氧化铝钝化层的外表面用PECVD法（现有技术）沉积一层厚度为100nm的氮化硅保护层，折射率在2.0。

(4) 背面开窗：将蚀刻浆料（其中各组分的含量：浓磷酸10%、松油醇10%、乙基纤维素15%，石墨粉30%，聚乙二醇35%）按照图2所示的图形（栅线宽度50μm，栅线间距0.7mm，栅线数量152根，栅线与硅片距离1.425mm。）丝网印刷在沉积完钝化层和保护层的晶体硅基体的背表面，再在红外烘箱中以200℃的温度处理1min，最后依次用质量浓度0.1%的KOH和纯水超声清洗1min，并甩干。

(5) 丝网印刷与烧结：将导电银铝浆印刷在硅片背面并烘干，作为烧结后电池背面的引出电极，将导电铝浆印刷的硅片背面并烘干，作为电池烧结后的背电场导出电流，将导电银浆印刷在电池的正面并烘干，作为电池烧结后的正面电极导出电流。

实施例2

(4) 背面开窗：将蚀刻浆料（其中各组分的含量：浓磷酸10%、松油醇10%、乙基纤维素15%，石墨粉30%，聚乙二醇35%）按照图2所示的图形（栅线宽度50μm，栅线间距0.7mm，栅线数量152根，栅线与硅片距离1.425mm。）丝网印刷在沉积完钝化层和保护层的晶体硅基体的背表面，再在红外烘箱中以400℃的温度处理1min，最后依次用质量浓度0.1%的KOH和纯水超声清洗1min，并甩干。

对比例 (与实施例1、2对比)

(4) 背面开窗：使用532nm绿波10ps激光，按照图2所示的图形进行激光开窗，栅线宽度50μm，栅线间距0.7mm，栅线数量152根，栅线与硅片距离1.425mm。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于蚀刻浆料的配方：蚀刻浆料中各组分的含量为：浓磷酸15%、松油醇8%、乙基纤维素12%，石墨粉35%，聚乙二醇30%。其它同实施例1。

实施例4

本实施例与实施例2的不同之处在于蚀刻浆料的配方：蚀刻浆料中各组分的含量为：浓磷酸12%、松油醇12%、乙基纤维素18%，石墨粉32%，聚乙二醇26%。其它同实施例2。

实施例5

(1) 前道制程：单晶硅片首先在质量浓度0.8%的NaOH溶液中，经90℃，25min，在正反两面形成金字塔绒面结构，并纯水清洗和甩干；然后然后在硅片的正面进行磷扩散形成发射极（现有技术），扩散方阻为65R_方；用浓度为9%的HF溶液将硅片表面的磷硅玻璃清洗干净，并甩干；接着在硅片正面用PECVD法（增强型等离子体气相沉积法，现有技术）沉积一层氮化硅减反射膜，厚度为65nm，折射率为1.9；

(2) 背面抛光：将步骤（1）处理得到的硅片装入硅片篮中，放入化学抛光槽的抛光液中化学抛光15min，化学抛光温度为90℃，抛光液由有机强碱（四甲基氢氧化铵，市售，质量浓度25%左右）、无水乙醇和纯水混合制成，有机强碱的体积浓度为10%，无水乙醇的体积浓度为5%。

(3) 沉积背钝化层：采用原子层沉积法（现有技术）在步骤（2）背面抛光后的硅片的背面沉积一层厚度15nm的氧化铝钝化层，沉积温度控制在220℃；然后再在氧化铝钝化层的外表面用PECVD法（现有技术）沉积一层厚度为80nm的氮化硅保护层，折射率在2.1。

(4) 背面开窗：将蚀刻浆料（市售，德国默克化学，isishape^®11-D15-01）按照图2所示的图形（栅线宽度50μm，栅线间距0.7mm，栅线数量152根，栅线与硅片距离1.425mm。）丝网印刷在沉积完钝化层和保护层的晶体硅基体的背表面，再在红外烘箱中以300℃的温度处理3min，最后依次用质量浓度0.05%的KOH和纯水超声清洗3min，并甩干。

(5) 丝网印刷与烧结：将导电银铝浆印刷在硅片背面并烘干，作为烧结后电池背面的引出电极，将导电铝浆印刷的硅片背面并烘干，作为电池烧结后的背电场导出电流，将导电银浆印刷在电池的正面并烘干，作为电池烧结后的正面电极导出电流（现有技术）。

实施例6

(1) 前道制程：单晶硅片首先在质量浓度1.5%的NaOH溶液中，经70℃，10min，在正反两面形成金字塔绒面结构，并纯水清洗和甩干；然后然后在硅片的正面进行磷扩散形成发射极（现有技术），扩散方阻为75R_方；用浓度为8%的HF溶液将硅片表面的磷硅玻璃清洗干净，并甩干；接着在硅片正面用PECVD法（增强型等离子体气相沉积法，现有技术）沉积一层氮化硅减反射膜，厚度为80nm，折射率为2.1；

(2) 背面抛光：将步骤（1）处理得到的硅片装入硅片篮中，放入化学抛光槽的抛光液中化学抛光3min，化学抛光温度为70℃，抛光液由有机强碱（四甲基氢氧化铵，市售，质量浓度25%左右）、无水乙醇和纯水混合制成，有机强碱的体积浓度为15%，无水乙醇的体积浓度为5%。

(3) 沉积背钝化层：采用原子层沉积法（现有技术）在步骤（2）背面抛光后的硅片的背面沉积一层厚度12nm的氧化铝钝化层，沉积温度控制在210℃；然后再在氧化铝钝化层的外表面用PECVD法（现有技术）沉积一层厚度为80nm的氮化硅保护层，折射率在2.1。

(4) 背面开窗：将蚀刻浆料（市售，德国默克化学）按照图2所示的图形（栅线宽度50μm，栅线间距0.7mm，栅线数量152根，栅线与硅片距离1.425mm。）丝网印刷在沉积完钝化层和保护层的晶体硅基体的背表面，再在红外烘箱中以300℃的温度处理2min，最后依次用质量浓度0.2%的KOH和纯水超声清洗1min，并甩干。

从图3中可以明显的看到，对比例激光开窗在栅线的中间部分有硅表层融化的现象，会导致硅片的损伤，并且很难处理；从图4和图5的对比可以看到，本发明中蚀刻浆料高温处理的温度比较重要，实施例1中200℃下并没有全部开透，还有部分薄膜残留（图4），而实施例2中400℃则可以完全去除，露出硅本体（图5）。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1. 一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：所述的开窗工艺步骤如下：

（1）前道制程：单晶硅片在质量浓度0.8%-1.5%的NaOH溶液中制绒10-25min在硅片的正面及背面形成金字塔绒面结构，再用纯水清洗，甩干；然后在硅片的正面进行磷扩散形成发射极，扩散方阻为65-75 R_方；用HF溶液将硅片表面的磷硅玻璃清洗干净，并甩干；接着在硅片正面用PECVD法沉积一层氮化硅减反膜，厚度为65-80nm，折射率为1.9-2.1；

（2）背面抛光：将步骤（1）处理得到的硅片放入抛光液中化学抛光3-15min，化学抛光温度为70-90℃；

（3）沉积背钝化层：采用原子层沉积法在步骤（2）背面抛光后的硅片的背面沉积一层厚度10-15nm的氧化铝钝化层，沉积温度控制在200-220℃；然后再在氧化铝钝化层的外表面用PECVD法沉积一层厚度为80-100nm的氮化硅保护层；

（4）背面开窗：将蚀刻浆料丝网印刷在沉积完氧化铝钝化层和氮化硅保护层的硅片背面，接着放入红外烘箱中以200-400℃的温度处理1-2min，最后依次用质量浓度0.05%-0.2%的KOH溶液及纯水超声清洗1-3min，并甩干；

2.根据权利要求1所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：步骤（1）制绒的温度控制在70-90℃。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：步骤（1）中HF溶液的体积浓度为7%-9%。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：步骤（2）所述抛光液由有机强碱、无水乙醇和纯水混合制成，有机强碱的体积浓度为10-15%，无水乙醇的体积浓度为3-5%。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：所述有机强碱为四甲基氢氧化铵。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：步骤（4）中蚀刻浆料用量为0.01-0.05g/cm²。

7.根据权利要求4所述的一种太阳能晶硅电池的开窗工艺，其特征在于：所述蚀刻浆料由以下重量百分数的组分混合制成：浓磷酸10-15%，松油醇8-12%，乙基纤维素12-18%，石墨粉30-35%，聚乙二醇余量。