CN103441182A - 太阳能电池的绒面处理方法及太阳能电池 - Google Patents

太阳能电池的绒面处理方法及太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了太阳能电池的绒面处理方法和太阳能电池。所述绒面处理方法，包括：采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，HCl和HF的混合水溶液中，HCl的质量分数为3%～7%，HF的质量分数为1%～2%；采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，HNO3和HF的混合水溶液中，HNO3的质量分数为20%～50%，HF的质量分数为0.5%～5%；采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，H2SO4和H2O2的混合水溶液中，H2SO4的质量分数为60%～80%，H2O2的质量分数为5%～12%。本发明绒面处理方法，提高了电池的性能。

Description

太阳能电池的绒面处理方法及太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种太阳能电池的绒面处理方法和一种太阳能电池。
背景技术
硅异质结太阳能电池是采用非晶硅（amorphous silicon，简称a-Si）和单晶硅（crystalline silicon，简称c-Si）相结合一种异质结太阳能电池；对硅片的绒面金字塔进行形貌处理和表面清洗是硅异质结太阳能电池制备工艺中的核心环节之一，对绒面金字塔形貌处理和表面清洗的效果对硅异质结太阳能电池性能有着至关重要的影响。
文献报道在非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池（a-Si:H/c-Si HeterojunctionSolar Cells）的制备工艺中，多采用RCA清洗工艺对制绒后的硅片表面进行清洗处理，也就是对单晶硅制绒后形成的金字塔结构进行清洗处理再进行非晶硅的制作。RCA清洗是美国无线电公司Radio Corporation of America首创的一种清洗方法，并因此而得名。RCA清洗是一种典型的，至今仍为普遍使用的湿式化学清洗法，所述RCA清洗工艺包括：对已经制绒的晶圆首先采用SC1溶液进行清洗，用于去除颗粒污染，SC1溶液为氨水和双氧水的水溶液；再采用SC2溶液进行清洗，用于去除金属离子，SC2溶液为双氧水和氯化氢的水溶液；再采用SC3溶液进行清洗，用于去除粘污的有机物，SC3溶液为硫酸和双氧水的水溶液；最后通过氢氟酸溶液清洗，去除氧化层，得到洁净的绒面。
RCA清洗工艺虽然可以有效去除硅片表面的有机物或金属离子粘污，但RCA清洗无法消除硅片在快速腐蚀或制绒过程产生的应力，硅片表面的金字塔非常尖锐，金字塔的塔谷非常陡峭并且绒面分布着形状不规整或体积极小的金字塔，RCA清洗后绒面的缺陷态密度仍然较高，不利于高钝化质量非晶硅的生长，很难获得高质量的a-Si/c-Si（非晶硅/单晶硅）界面，因此限制了电池性能。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池绒面处理方法，用以降低太阳能电池绒面的缺陷态密度，提高太阳能电池的性能。
本发明太阳能电池的绒面处理方法，包括：
采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为3%～7%，所述HF的质量分数为1%～2%；
采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为20%～50%，所述HF的质量分数为0.5%～5%；
采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为60%～80%，所述H2O2的质量分数为5%～12%。
优选的，采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，具体为：
将制绒后的硅片放入HCl和HF的混合水溶液中，在室温下浸泡10～15分钟；
采用去离子水对浸泡后的硅片冲洗5～10分钟。
优选的，所述采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，具体为：
将初步清洗后的硅片放入HNO3和HF的混合水溶液中，在室温下进行刻蚀8～12分钟，刻蚀速率的取值范围为10nm/min～100nm/min；
采用去离子水对刻蚀后的硅片冲洗5～10分钟。
优选的，所述采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，具体为：
将刻蚀后的硅片放入H2SO4和H2O2的混合水溶液中，在120～130℃温度下浸泡20～30分钟。
对于上述的任一种绒面处理方法，还包括：
采用质量分数为2%的HF水溶液去除所述氧化层；
采用去离子水对去除氧化层后的绒面冲洗5～10分钟。
优选的，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为4.7%，所述HF的质量分数为1.6%；
所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为26%，所述HF的质量分数为0.8%；
所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为77%，所述H2O2的质量分数为6%。
本发明还涉及一种太阳能电池，包括通过上述太阳能电池的绒面处理方法得到的绒面。
优选的，所述太阳能电池为非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池。本发明的绒面处理方法，特别适用应用于硅异质结太阳能电池，所述异质结为非晶硅和单晶硅形成的异质结。
本发明还涉及上述太阳能电池的绒面处理方法在太阳能电池制备中的应用。
在本发明太阳能电池绒面处理方法中，通过依次使用HCl和HF混合水溶液对绒面进行初步清洗、HNO3和HF的混合水溶液对绒面进行刻蚀，以及H2SO4和H2O2的混合水溶液对绒面进行氧化，实现了绒面处理和表面清洗的有机结合，不仅可以有效去除太阳能电池绒面的粘污，又可以对绒面进行处理和修饰，使绒面变的更加规整均匀，金字塔表面变的光滑，这大大降低了表面缺陷态密度和表面复合速率，改善了a-Si/c-Si界面，提高了电池的性能。
具体实施方式
为了降低绒面的缺陷态密度，提高电池的性能，本发明实施例提供了一种太阳能电池的绒面处理方法及太阳能电池。在该技术方案中，首先，采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，用于初步去除绒面的金属离子粘污；其次，采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，用于释放硅片快速腐蚀或制绒过程中产生的应力，使制绒形成的金字塔均匀、规整；最后，采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，用于对金字塔表面进行平滑修饰，因此，采用本发明的绒面处理方法，不仅可有效去除绒面表面的粘污，又可以对绒面进行处理和修饰，使绒面编的更加规整均匀，金字塔的表面也变得光滑，可有效降低绒面的缺陷态密度，提高太阳能电池的性能。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供一种太阳能电池的绒面处理方法，包括：
采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为3%～7%，所述HF的质量分数为1%～2%；
采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为20%～50%，所述HF的质量分数为0.5%～5%；
采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为60%～80%，所述H2O2的质量分数为5%～12%。
在本发明技术方案中，太阳能电池所用硅片首先制绒形成绒面，然后采用上述方法对该绒面进行处理，首先，采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，可初步去除绒面表面的金属离子粘污，形成疏水表面，减轻金属粘污对后续清洗工艺的影响；其次，采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，可对绒面表面进行温和刻蚀，释放硅片快速腐蚀或制绒过程中产生的应力，并刻蚀掉正常金字塔尖体积极小、形貌不规整的金字塔，使绒面金字塔均匀、规整，并且通过刻蚀，可以使金字塔间陡峭的塔谷变得平滑，可有效去除绒面的粘污；再次，采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，通过对绒面的湿法氧化，可以对金字塔表面进行平滑修饰；通过以上三步对绒面的处理，不仅可以有效去除硅片表面的粘污，又可以对绒面进行处理和修饰，使绒面变的更加规整均匀，金字塔表面变的光滑，克服了RCA清洗只是去除了硅片表面的粘污，没有对表面形貌进行处理和修饰的缺陷，因此，通过本发明对绒面的处理方法，可以有效降低绒面的缺陷态密度和硅片的应力，提升太阳能电池的性能。特别对于单晶硅和非晶硅异质结太阳能电池，可以有效降低a-Si/c-Si表面复合速率，可以减少非晶硅层外延生长获得更高质量的本征非晶硅，提升钝化效果，提高异质结太阳能电池的性能。
在本发明技术方案中，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为3%～7%，所述HF的质量分数为1%～2%，具体可以为：HCl的质量分数为3%、5%、6%或7%，HF的质量分数为1%、1.5%、1.8%或2%，在HCl和HF的混合水溶液对硅片的绒面进行初步清洗时，HCl起到酸和络合剂的双重作用，易于除去硅片表面的金属离子粘污，当HCl的质量分数小于3%时，会容易造成不能完全去除金属离子，当HCl的质量分数大于7%时，容易严重腐蚀到硅片的绒面，HF起到酸和氧化剂的作用，能在硅片的绒面形成疏水表面，当HF的质量分数小于1%时，会容易造成绒面不能形成亲水表面，当HF的质量分数大于2%时，也容易严重腐蚀到硅片的绒面；所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为20%～50%，所述HF的质量分数为0.5%～5%，具体可以为：HNO3的质量分数为20%、25%、30%、35%、40%或50%，HF的质量分数为0.5%、1%、1.5%、2.8%、4%或5%，采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀时，HNO3可以与硅反应生成二氧化硅，而HF可以与二氧化硅反应生成H2[SiF6]，通过二者的协同作用使硅片的绒面表面进行温和刻蚀，消除极小的不规整的金字塔，并使金字塔塔谷平滑，当HNO3的质量分数小于20%时，会容易造成刻蚀速率较慢，对极小金字塔刻蚀不完全，当HNO3的质量分数大于50%时，容易严重刻蚀到硅片的绒面，当HF的质量分数小于0.5%时，会容易造成绒面二氧化硅层生长，当HF的质量分数大于5%时，也容易严重腐蚀到硅片的绒面；所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为60%～80%，所述H2O2的质量分数为5%～12%，具体可以为：H2SO4的质量分数为60%、65%、70%、75%或80%，H2O2的质量分数为5%、8%、10%或12%，H2SO4和H2O2起到氧化剂的作用，对硅片表面进行湿法氧化，在硅片表面形成一层二氧化硅层，对金字塔的表面进行了平滑修饰，当H2SO4的质量分数低于60%，对硅片表面的氧化性能弱，形成的二氧化硅层不牢固，当H2SO4的质量分数大于80%，对硅片表面的氧化性能太强，形成一层较厚二氧化硅层，不利于金字塔表面平滑修饰，当H2O2的质量分数低于5%，对硅片表面的氧化性能弱，形成的二氧化硅层不牢固，当H2O2的质量分数大于12%，对硅片表面的氧化性能太强，形成一层较厚二氧化硅层，不利于金字塔表面平滑修饰。
优选的，采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，具体为：
将制绒后的硅片放入HCl和HF的混合水溶液中，在室温下浸泡10～15分钟；
采用去离子水对浸泡后的硅片冲洗5～10分钟。
优选的，所述采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，具体为：
将初步清洗后的硅片放入HNO3和HF的混合水溶液中，在室温下进行刻蚀8～12分钟，刻蚀速率的取值范围为10nm/min～100nm/min；
采用去离子水对刻蚀后的硅片冲洗5～10分钟。
优选的，所述采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，具体为：
将刻蚀后的硅片放入H2SO4和H2O2的混合水溶液中，在120～130℃温度下浸泡20～30分钟。
对于上述的任一种绒面处理方法，还包括：
采用质量分数为2%的HF水溶液去除所述氧化层；
采用去离子水对去除氧化层后的绒面冲洗5～10分钟。
优选的，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为4.7%，所述HF的质量分数为1.6%；
HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为26%，所述HF的质量分数为0.8%；
所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为77%，所述H2O2的质量分数为6%。
本发明还涉及一种太阳能电池，包括通过上述太阳能电池的绒面处理方法得到的绒面。
本发明还涉及上述太阳能电池的绒面处理方法在太阳能电池制备中的应用。
本发明的绒面处理方法，特别适用应用于硅异质结太阳能电池，所述异质结为非晶硅和单晶硅形成的异质结。
以下列举具体的实施例对本发明太阳能电池的绒面处理方法进行说明，并通过该方法制备得到了太阳能电池，但本发明并不限于下述实施例。下述实施例中的各混合水溶液中的各组分选为较佳的含量，但是本发明的上述的含量都可以应用于对绒面的处理中，以下仅以较佳的含量进行说明。
实施例
步骤一、对太阳能电池所用硅片进行制绒，具体为将硅片（其中，硅片为N型硅片，其电阻率为1～5Ω·cm，厚度为195μm)在1.2wt%（重量分数）NaOH、0.8wt%Na2SiO3和8vol%（体积分数）IPA混合溶液中，于80℃温度条件下浸泡40min（分钟）；再采用去离子水（DI water）冲洗5-10min，形成制绒后的硅片；
步骤二、采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后硅片的绒面进行初步清洗，具体为将制绒后的硅片放入4.7wt%HCl和1.6wt%HF的混合水溶液中在室温下浸泡10～15分钟；再采用DI water冲洗5-10min；
步骤三、采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，具体为将初步清洗后的硅片放入26wt%HNO3和0.8wt%HF的混合水溶液中，在室温下浸泡10min，对硅片的刻蚀速率为85nm/min，刻蚀去除量为850nm，再采用DI water冲洗5-10min；
步骤四、采用2wt%的HF水溶液清洗硅片2min，再采用DI water冲洗5-10min；
步骤五、采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，具体为在77wt%H2SO4和6wt%H2O2的混合水溶液中，在130℃温度条件下浸泡具有氧化层的硅片20-30min；
步骤六、采用质量分数为2%的HF水溶液去除所述氧化层，具体为采用2wt%的HF水溶液清洗硅片2min，再采用DI water对硅片冲洗5-10min。
在本发明实施例中，对绒面处理后的硅片甩干后再在其上形成非晶硅膜，即形成非晶硅/单晶硅异质结，再沉积制备TCO导电膜，在采用丝网印刷金属电极，最后烘干退火得到太阳能电池。
对比例
步骤一、对太阳能电池所用硅片进行制绒，具体为将硅片（其中，硅片为N型硅片，其电阻率为1～5Ω·cm，厚度为195μm)在1.2wt%（重量分数）NaOH、0.8wt%Na2SiO3和8vol%（体积分数）IPA（醇，请发明给出具体的化学名称）混合溶液中，于80℃温度条件下浸泡40min（分钟）；再采用去离子水（DI water）冲洗5-10min，形成制绒后的硅片；
步骤二、将制绒后的硅片放入8.6wt%盐酸溶液中在室温下浸泡10分钟；再采用DI water冲洗5-10min；
步骤三、将上步骤得到的硅片放入质量配比为1∶1∶5的NH3·H2O∶H2O2∶H2O的混合溶液中在75℃温度条件下浸泡15min；再采用DI water冲洗5-10min；
步骤四、采用2wt%的HF水溶液清洗硅片2min，再采用DI water冲洗5-10min；
步骤五、将硅片放入质量配比为1∶1∶5的HCl∶H2O2∶H2O的混合水溶液中，在75℃温度条件下浸泡硅片15min；再采用DI water冲洗硅片5-10min；
步骤六、采用2wt%的HF水溶液清洗硅片2min，再采用DI water对硅片冲洗5-10min。
在对比例中，对绒面处理后的硅片甩干后再在其上形成非晶硅膜，即形成非晶硅/单晶硅异质结，再沉积制备TCO导电膜，在采用丝网印刷金属电极，最后烘干退火得到太阳能电池。
对实施例和对比例得到的太阳能电池分别进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1 实施例和对比例分别制得的太阳能电池的性能比较表
电池性能参数 实施例太阳能电池 对比例太阳能电池
少子寿命（丝网印刷前测试） 500μs 330μs
Voc（开路电压） 0.6879V 0.6470V
Jsc（短路电流密度） 35.172mA/cm2 33.210mA/cm2
FF（填充因子） 74.18% 73.49%
Eff(转换效率) 17.95% 15.80%
从表1可以看出，采用本发明对太阳能电池的绒面处理方法得到的太阳能电池少子寿命较高，开路电压较高，短路电流密度也有一定的提高，填充因子也得到提高，电池的能量转换效率也得到了提高，发明人发现，对于HCl和HF的混合水溶液，HCl的质量分数为3%～7%，HF的质量分数为1%～2%；HNO3和HF的混合水溶液，HNO3的质量分数为20%～50%，HF的质量分数为0.5%～5%；H2SO4和H2O2的混合水溶液，H2SO4的质量分数为60%～80%，H2O2的质量分数为5%～12%对太阳能电池硅片进行处理后，太阳能电池的少子寿命、开路电压、短路电流密度和填充因子也都有一定的提高。因此，采用本发明太阳能电池的绒面处理方法处理绒面的太阳能电池的总体性能得到很大的提高。通过显微镜观察，采用RCA工艺处理绒面后，发现绒面具有极小的不规整金字塔和较尖锐的V形塔谷，而本发明的绒面处理方法处理绒面后，基本观察不到极小的不规整金字塔，并且发现V形塔谷变得平滑。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的构思和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种太阳能电池的绒面处理方法，其特征在于，包括：
采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为3%～7%，所述HF的质量分数为1%～2%；
采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为20%～50%，所述HF的质量分数为0.5%～5%；
采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，形成氧化层，所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为60%～80%，所述H2O2的质量分数为5%～12%。
2.如权利要求1所述的绒面处理方法，其特征在于，采用HCl和HF的混合水溶液对制绒后太阳能电池的绒面进行初步清洗，具体为：
将制绒后的硅片放入HCl和HF的混合水溶液中，在室温下浸泡10～15分钟；
采用去离子水对浸泡后的硅片冲洗5～10分钟。
3.如权利要求1所述的绒面处理方法，其特征在于，所述采用HNO3和HF的混合水溶液对初步清洗后的绒面进行刻蚀，具体为：
将初步清洗后的硅片放入HNO3和HF的混合水溶液中，在室温下进行刻蚀8～12分钟，刻蚀速率的取值范围为10nm/min～100nm/min；
采用去离子水对刻蚀后的硅片冲洗5～10分钟。
4.如权利要求1所述的绒面处理方法，其特征在于，所述采用H2SO4和H2O2的混合水溶液对刻蚀后的绒面进行氧化，具体为：
将刻蚀后的硅片放入H2SO4和H2O2的混合水溶液中，在120～130℃温度下浸泡20～30分钟。
5.如权利要求1～4中任一项所述的绒面处理方法，其特征在于，还包括：
采用质量分数为2%的HF水溶液去除所述氧化层；
采用去离子水对去除氧化层后的绒面冲洗5～10分钟。
6.如权利要求1所述的绒面处理方法，其特征在于，所述HCl和HF的混合水溶液中，所述HCl的质量分数为4.7%，所述HF的质量分数为1.6%；
所述HNO3和HF的混合水溶液中，所述HNO3的质量分数为26%，所述HF的质量分数为0.8%；
所述H2SO4和H2O2的混合水溶液中，所述H2SO4的质量分数为77%，所述H2O2的质量分数为6%。
7.一种太阳能电池，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的太阳能电池的绒面处理方法得到的绒面。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池。
9.权利要求1～6任一项所述的太阳能电池的绒面处理方法在太阳能电池制备中的应用。
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