CN103022253A - 一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：对金刚线切割的硅片依次进行碱性腐蚀和酸性腐蚀；对腐蚀后的所述硅片进行反应离子刻蚀制绒；在所述硅片正面形成P扩散层，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层；在所述硅片正面形成减反膜；在所述硅片背面形成背电极和铝背场；在所述硅片正面形成正电极。相应的，本发明还提供一种采用上述方法制备的太阳能电池。本发明的方法可以有效改善金刚线切割硅片的绒面结构，提高太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说涉及一种以金刚线切割硅片为基底的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池在光伏电池中的市场份额保持在90%左右，占据着整个光伏产业的主导，而硅片成本是电池成本的60%~70%，因此降低硅片制造成本是世界众多光伏研究机构和制造企业研究的热点。从硅锭到硅片需要进行切割，因此降低切割成本具有非常重大的意义。目前市场主要采用游离磨料砂浆多线切割，但是这种技术有如下缺点：（1）需要碳化硅砂浆配合切割，成本高；（2）砂浆回收困难，因此容易造成污染；（3）切割时间长，容易断线等。
为了解决采用游离磨料砂浆多线切割带来的问题，出现了金刚线切割技术。该技术不需要采用碳化硅砂浆，硅片产量也能大大提高，是一种有望取代砂浆多线切割的新型硅片切割技术。但这种金刚线切割得到的硅片有明显的切割线痕，如图1所示。切割后硅片特殊的表面形貌不利于硅片湿法制绒，制绒去重量难以提高，表面不容易形成大面积的凹坑结构，导致其反射率远远高于湿法制绒后的常规硅片。参考图2，从图2中可以看出，采用酸溶液制绒后，硅片表面形貌不好，陷光效果差不利于后续太阳能电池的制造。从数据上看，采用该方法得到的硅片为基底制造的太阳能电池效率比正常硅片电池降低了约0.7%~1%。
因此，虽然金刚线切割硅片价格低，但这种硅片经酸制绒难以实现低的反射率、表面线痕多等缺点大大降低了太阳能的电学性能。
发明内容
为了解决金刚线切割硅片电池反射率高、转换效率低等缺点，本发明公开了一种太阳能电池的制备方法和一种太阳能电池。
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池的制备方法，其中，包括以下步骤：
a）对金刚线切割的硅片进行腐蚀；
b）对腐蚀后的所述硅片进行制绒；
c）在所述硅片正面形成P扩散层，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层；
d）在所述硅片正面形成减反膜；
e）在所述硅片背面形成背电极和铝背场；
f）在所述硅片正面形成正电极；
其特征在于，
先采用碱性混合溶液对所述硅片进行腐蚀，腐蚀温度为70℃~90℃，之后再采用酸性混合溶液对所述硅片进行进一步腐蚀，腐蚀温度为5℃~18℃；
所述制绒采用反应离子刻蚀制绒。
根据本发明的一个优选实施例，所述硅片导电类型为P型，少子寿命大于1μm，电阻范围为0~5Ω.cm。
根据本发明的另一个优选实施例，所述碱性混合溶液为质量浓度在5%~15%范围内的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液，KOH/NaOH/CH3CH2OH的质量比为1~5:2~8:1~5；
所述硅片在所述碱性混合溶液中的去重比率为2%~8%。
根据本发明的又一个优选实施例，所述酸性混合溶液为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，HNO3/HF/CH3COOH的体积比为1~10:1~5:1~5；
所述HNO3、HF和CH3COOH的质量浓度分别为68%、40%和98%；
所述硅片在所述酸性混合溶液中的去重比率为1%~5%。
根据本发明的又一个优选实施例，所述步骤b）还进一步包括：
将制绒后的所述硅片置于HF/CH3COOH混合溶液中，并超声处理5min~10min，进一步去除表面残留物。
根据本发明的另一个方面，提供一种太阳能电池，由上至下依次包括：正电极、减反膜、绒面、P扩散层、硅片、铝背场/背电极，其特征在于，
所述硅片为金刚线切割而成，并且依次经过碱性混合溶液和酸性混合溶液的腐蚀，在所述碱性混合溶液中的腐蚀温度为70℃~90℃，在所述酸性混合溶液中的腐蚀温度为5℃~18℃；
所述绒面为采用反应离子刻蚀的方式形成。
根据本发明的一个优选实施例，所述硅片导电类型为P型，少子寿命大于1μm，电阻范围为0~5Ω.cm。
根据本发明的另一个优选实施例，所述碱性混合溶液为质量浓度在5%~15%范围内的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液，KOH/NaOH/CH3CH2OH的质量比为1~5:2~8:1~5；
所述硅片在所述碱性混合溶液中的去重比率为2%~8%。
根据本发明的又一个优选实施例，所述酸性混合溶液为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，HNO3/HF/CH3COOH的体积比为1~10:1~5:1~5；
所述HNO3、HF和CH3COOH的质量浓度分别为68%、40%和98%；
所述硅片在所述酸性混合溶液中的去重比率为1%~5%。
本发明提出先碱再酸腐蚀的方法能基本去除硅片的线痕，然后结合反应离子刻蚀（RIE）制绒技术来大大降低硅片表面反射率、氢气气氛中退火加强硅片表面钝化的方法来制备太阳能电池。这种方法所得硅片表面损伤层少，反射率低，表面和体钝化效果好。这种多晶硅太阳能电池不但成本低，工艺简单可行，且平均效率可达17.3%~17.5％，较多晶电池主流的酸制绒电池效率可提高0.3%以上，是一种高效低成本的太阳能电池制备技术。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1所示为金刚线切割的多晶硅片的形貌图；
图2所示为金刚线切割的多晶硅片在酸制绒后的形貌图；
图3所示为金刚线切割的硅片采用RIE制绒后表面形貌图；
图4所示为根据本发明的一种太阳能电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图；
图5所示为根据本发明的一种太阳能电池的一个具体实施方式的示意性截面图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
参考图4，图4为根据本发明的一种太阳能电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图。
步骤S101，对金刚线切割的硅片100进行腐蚀。首先对硅片100进行选取，硅片100的尺寸可以任意选取，但是为了便于后续制造太阳能电池，优先选取6英寸或5英寸的金刚线切割多晶硅片为基底材料。由于目前的太阳能光伏产业中，绝大部分采用导电类型为P型的硅片100作为基底材料制备太阳能电池，因此优先选取导电类型为P型的硅片100。可以理解，在不同的需求下，还可以选取导电类型为N型的多晶硅片作为太阳能电池的基底材料。优选的，硅片100的少子寿命>1μs，电阻为0~5Ω.cm。
腐蚀的过程分为两步，首先，将硅片100置于碱性混合溶液中，进行腐蚀，腐蚀温度70℃~90℃。碱性混合溶液优选质量浓度为5%~15%的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液，其中，KOH/NaOH/CH3CH2OH质量比为1~5：2~8：1~5。硅片100在碱性混合溶液中的去重比率控制在2%~8%。其次，再将碱性腐蚀之后的硅片100置于酸性混合溶液中，进行腐蚀，腐蚀温度为5℃~18℃，以便去除硅片100表面的大部分线痕。酸性混合溶液优选为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，其中HNO3、HF和CH3COOH体积比分别为1-10:1-5∶1-5，其中HNO3、HF和CH3COOH质量浓度分别为68%、40%和98%。硅片100在酸性混合溶液中的去重比率控制在1%~5%。
接下来，执行步骤S102，对腐蚀后的所述硅片100进行反应离子刻蚀（RIE）制绒，以形成绒面200。制绒的结果使入射光在硅片100表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。传统的制绒方法多采用化学腐蚀法，即湿法制绒。如，采用使用各类酸、碱和有机溶剂等来实现。但是，由于金刚线切割的硅片100具有特殊的表面形貌（如图1所示），采用湿法制绒后硅片100表面形貌依然不够理想（如图2所示），使得湿法制绒后的硅片100反射率要远远高于常规硅片，因此，对于金刚线切割后的硅片100，优选采用RIE制绒。参考图3，从图3中可以看出，对金刚线切割后的硅片100进行RIE制绒后的表面形貌良好。
采用反应离子刻蚀制绒后硅片反射率范围为5%~15%。为了使制绒后的硅片100表面残留物得到去除，优选的，将制绒后的所述硅片100置于HF/CH3COOH混合溶液中，并进行超声处理5min~10min，以便进一步去除表面残留物。
步骤S103，在制绒后的硅片100正面进行P扩散，然后去除所述硅片100正面的PSG和周边P扩散层。值得注意的是，由于在步骤S101中选取的是导电类型为P型的硅片100，因此在制作P-N结时，进行P扩散；当我们选择导电类型为N型的硅片100时，需要进行B扩散制作P-N结。在此，以P型衬底为例进行说明，本领域技术人员应当能够理解在N型衬底上制作P-N的常规工艺，故而不再赘述。
可采用以POCl3为磷源在硅片100正面进行P的热扩散，形成P扩散层300。还可以先在硅片100的正面喷涂磷酸或其他含磷的掺杂源，然后通过快速热退火（Rapid Thermal Anealing）处理，完成硅片100的正面P扩散。
之后去除所述硅片正面的PSG（Phospho Silicate Glass，磷硅玻璃）和周边P扩散层。在太阳能电池片生产制造过程中，可以通过化学腐蚀法也即把硅片100放在腐蚀性溶液（如氢氟酸、氢氧化钠等各类酸/碱或有机溶液）中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片100表面形成的一层PSG。
为了减少太阳能电池的表面反射，提高电池的光电转换效率，需要继续执行步骤S104，在所述硅片正面形成减反膜400。沉积减反膜400可以采用本领域技术人员熟知的各种常规方法。优选的，将硅片100置于氢气气氛的管式PECVD炉中，温度400℃~800℃，退火5min~30min；然后将炉管抽真空至0Pa~50Pa，去除残余气体；恒定压强1min~2min，充入硅烷和氨气，沉积氮化硅（SiNx）减反膜400。
步骤S105，在所述硅片100背面形成背电极620和铝背场500。
铝背场具有钝化和反型的功能，可进一步降低载流子复合，提高少子寿命，提高电池效率。通过丝网印刷的方法在硅片的背面印刷一层铝浆，然后烧结即可形成铝背场500。
步骤S106，在所述硅片100正面形成正电极610。
可选的，上述背电极620和正电极610可采用印刷银浆或者电镀铜的方式制备。可选的，上述背电极620和/或正电极610可采用常压化学气相沉积（APCVD）技术、电镀技术（Sputter Deposition System）或丝网印刷形成。参考图5，图5为本发明的一种太阳能电池的一个具体实施方式的示意性截面图。
如图5所示，该太阳能电池，由上至下依次包括：正电极610、减反膜400、绒面200、P扩散层300、硅片100、铝背场500/背电极610，其中，所述硅片100为金刚线切割而成，并且依次经过碱性混合溶液和酸性混合溶液的腐蚀，在所述碱性混合溶液中的腐蚀温度为70℃~90℃，在所述酸性混合溶液中的腐蚀温度为5℃~18℃；所述绒面200为采用反应离子刻蚀的方式形成。
其中，硅片100的尺寸可以任意选取，但是为了便于后续制造太阳能电池，优先选取6英寸或5英寸的金刚线切割多晶硅片为基底材料。由于目前的太阳能光伏产业中，绝大部分采用导电类型为P型的硅片100作为基地材料制备太阳能电池，因此优先选取导电类型为P型的硅片100。可以理解，在不同的需求下，还可以选取导电类型为N型的多晶硅片作为太阳能电池的基底材料。优选的，硅片100的少子寿命>1μs，电阻为0～5Ω.cm。
优选的，上述碱性混合溶液为质量浓度在5%~15%范围内的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液。其中，KOH/NaOH/CH3CH2OH的质量比为1~5:2~8:1~5。硅片100在上述碱性混合溶液中的去重比率控制在2%~8%之间。
优选的，上述酸性混合溶液为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，其中，HNO3/HF/CH3COOH的体积比为1~10:1~5:1~5；所述HNO3、HF和CH3COOH的质量浓度分别为68%、40%和98%。所述硅片100在上述酸性混合溶液中的去重比率控制在1%~5%之间。
值得注意的是，由于之前选取的是导电类型为P型的硅片100，形成了P扩散层300；当我们选择导电类型为N型的硅片100时，需要进行B扩散制作P-N结，因此会形成N扩散层。在此，以P型衬底为例进行说明，本领域技术人员应当能够理解在N型衬底上制作P-N的常规工艺以及采用所述工艺形成的N扩散层，故而不再赘述。
减反膜400优选采用氮化硅（SiNx）材料沉积而成。
背电极620与正电极610类似，也可以采用银或者铜等材料制备。背电极620可以有多种形式，例如点状背电极；可选的，所述背电极620为条形背电极。
本发明的方法对金刚线切割的硅片依次进行碱性和酸性腐蚀，之后对腐蚀后的硅片进行RIE制绒。通过上述处理，可以有效改善金刚线切割硅片绒面结构，提高太阳能电池的光电转换效率。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
Claims (10)
1.一种太阳能电池的制备方法，其中，包括以下步骤：
a）对金刚线切割的硅片进行腐蚀；
b）对腐蚀后的所述硅片进行制绒；
c）在所述硅片正面形成P扩散层，然后去除所述硅片正面的PSG和周边P扩散层；
d）在所述硅片正面形成减反膜；
e）在所述硅片背面形成背电极和铝背场；
f）在所述硅片正面形成正电极；
其特征在于，
先采用碱性混合溶液对所述硅片进行腐蚀，腐蚀温度为70℃~90℃，之后再采用酸性混合溶液对所述硅片进行进一步腐蚀，腐蚀温度为5℃~18℃；
所述制绒采用反应离子刻蚀制绒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硅片导电类型为P型，少子寿命大于1μm，电阻范围为0~5Ω.cm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
所述碱性混合溶液为质量浓度在5%~15%范围内的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液，KOH/NaOH/CH3CH2OH的质量比为1~5:2~8:1~5；
所述硅片在所述碱性混合溶液中的去重比率为2%~8%。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，
所述酸性混合溶液为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，HNO3/HF/CH3COOH的体积比为1~10:1~5:1~5；
所述HNO3、HF和CH3COOH的质量浓度分别为68%、40%和98%；
所述硅片在所述酸性混合溶液中的去重比率为1%~5%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤b）还进一步包括：
将制绒后的所述硅片置于HF/CH3COOH混合溶液中，并超声处理5min~10min，进一步去除表面残留物。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤d）进一步包括：
将所述硅片至于氢气气氛的管式PECVD炉中，在温度400℃~800℃的条件下，退火5min~30min；
将所述管式PECVD炉抽真空至0Pa~50Pa，去除残余气体；
恒定压强1min~2min，充入硅烷和氨气，沉积氮化硅减反膜。
7.一种太阳能电池，由上至下依次包括：正电极、减反膜、绒面、P扩散层、硅片、铝背场/背电极，其特征在于，
所述硅片为金刚线切割而成，并且依次经过碱性混合溶液和酸性混合溶液的腐蚀，在所述碱性混合溶液中的腐蚀温度为70℃~90℃，在所述酸性混合溶液中的腐蚀温度为5℃~18℃；
所述硅片采用反应离子刻蚀形成绒面结构。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中，所述硅片导电类型为P型，少子寿命大于1μm，电阻范围为0~5Ω.cm。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中，
所述碱性混合溶液为质量浓度在5%~15%范围内的KOH/NaOH/CH3CH2OH混合溶液，KOH/NaOH/CH3CH2OH的质量比为1~5:2~8:1~5；
所述硅片在所述碱性混合溶液中的去重比率为2%~8%。
10.根据权利要求8或9所述的太阳能电池，其中，
所述酸性混合溶液为HNO3/HF/CH3COOH混合溶液，HNO3/HF/CH3COOH的体积比为1~10:1~5:1~5；
所述HNO3、HF和CH3COOH的质量浓度分别为68%、40%和98%；
所述硅片在所述酸性混合溶液中的去重比率为1%~5%。
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