CN103603055A - 单晶硅片的抛光方法、太阳能电池片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅片的抛光方法、太阳能电池片及其制作方法。该抛光方法为将制绒后的单晶硅片的用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于抛光液外进行化学抛光。通过对背面绒面结构抛光增加了硅片电池背场的平整度，增加了太阳光谱中长波段光在单晶硅背面的反射；减小了硅片背面的绒面面积和硅片背面的表面缺陷态密度以及背面光生载流子的复合速率，使经过硅片的光更多地反射回硅片内部，增加了激发电子-空穴对的几率，提高了太阳能电池的开路电压、短路电流和光电转换效率，降低了制作成本。通过调整优化抛光工艺提高了长波段太阳光的反射率，使长波长的光进一步反射回硅片内部增加了被吸收的可能性，提高了太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种单晶硅片的抛光方法、太阳能电池片及其制作方法。
背景技术
随着市场竞争日益激烈，高效太阳能电池的设计与研发成为目前研究发展的主要方向。目前一般N型单晶硅太阳能电池的制作流程包括硅片制绒、P扩散、湿法刻蚀、B扩散、等离子刻蚀、湿化学、减反射膜沉积以及丝网印刷和烧结等步骤。N型单晶硅的背面是利用P扩散作为太阳能电池的背场，因此，如何对N型单晶硅电池的背面进行优化调整是提高太阳能电池转换效率的一种重要途径。
目前单晶制绒主要为槽式制绒，即将单晶硅置于制绒槽内浸泡一定的时间，制绒后在单晶硅片的正反两面都形成了“金字塔”绒面，而作为太阳能电池背场的一面则要求硅片表面平整，这样可以增加太阳光谱中长波段光谱在N型单晶硅背面的反射，使得长波段的太阳光反射回硅片内部，有利于增加长波段太阳光的吸收和转换，进而提高太阳能电池的转换效率。因此，抛光工艺在制作太阳能电池的研发和应用中起着重要的作用。
目前对硅片的抛光一般是对切割后的硅片采用酸碱腐蚀减薄然后纳米研磨抛光和有蜡抛光的工艺路线。而对于制绒后的抛光方法一般为机械抛光，而机械抛光不利于太阳能电池的大规模生产，同时还增加了生产成本。因此，如何在降低成本的前提下对制绒后的硅片进行平整化处理，进而增加硅片表面对太阳光的反射率，成为目前研究的热点。
发明内容
本发明旨在提供一种单晶硅片的抛光方法、太阳能电池片及其制作方法，以解决现有技术中对制绒后的硅片机械抛光增加成本以及不能够大规模生产所带来的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种单晶硅片的抛光方法，将制绒后的单晶硅片的用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于抛光液外进行化学抛光。
进一步地，抛光液为硝酸和氢氟酸的混合液。
进一步地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为10:1～15:1，硝酸的质量百分比浓度为55～75%，氢氟酸的质量百分比浓度为30～50%，抛光时间为3.77～5.48分钟。
进一步地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为12:1～14:1，硝酸的质量百分比浓度为60～70%，氢氟酸的质量百分比浓度为35～45%，抛光时间为4.12～5.02分钟。
进一步地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为13:1，硝酸的质量百分比浓度为65%，氢氟酸的质量百分比浓度为40%，抛光时间为4.54分钟。
进一步地，硝酸的自动补液量为0.2～0.6L/100片，氢氟酸的自动补液量为0.1～0.3L/100片。
根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能电池片的制作方法，包括对单晶硅片抛光的步骤，抛光步骤采用上述任一种抛光方法实施。
根据本发明的又一方面，提供了一种太阳能电池片，该太阳能电池片采用上述任一种制作方法制作而成。
应用本发明的技术方案，将制绒后的单晶硅片用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于抛光液外并保持一段时间，通过对背面的绒面结构进行抛光从而使得硅片上太阳能电池背场比较平整，增加了太阳光谱中长波段光谱在单晶硅背面的反射；同时由于减小了硅片背面的绒面面积，进而减小了硅片背面的表面缺陷态密度以及背面光生载流子的复合速率，使经过硅片的光更多地反射回硅片内部增加激发电子-空穴对的几率，在此基础上提高了以该硅片制作的太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高了电池的光电转换效率，降低了电池单元的制作成本。可见，本发明通过调整并优化单晶硅背场的抛光工艺进而提高了长波段太阳光的反射率，使长波长的光进一步反射回硅片内部增加被吸收的可能性，从而提高了太阳能电池的转换效率，适合于工业化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了采用本发明的抛光工艺和非抛光工艺的硅片制作的太阳能电池的内量子效率（IQE）示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了解决现有技术中对制绒后的单晶硅片采用机械抛光造成的成本高以及无法大规模生产的问题，本发明提供了一种单晶硅片的抛光方法，将制绒后的单晶硅片的用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于抛光液外进行化学抛光。
将制绒后的单晶硅片用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于抛光液外并保持一段时间，通过对背面的绒面结构进行抛光从而使得硅片上太阳能电池背场比较平整，增加了太阳光谱中长波段光谱在单晶硅背面的反射；同时由于减小了硅片背面的绒面面积，进而减小了硅片背面的表面缺陷态密度以及背面光生载流子的复合速率，使经过硅片的光更多地反射回硅片内部增加激发电子-空穴对的几率，在此基础上提高了以该硅片制作的太阳能电池的开路电压和短路电流，进而提高了电池的光电转换效率，降低了电池单元的制作成本。可见，本发明通过调整并优化单晶硅背场的抛光工艺进而提高了长波段太阳光的反射率，使长波长的光进一步反射回硅片内部增加被吸收的可能性，从而提高了太阳能电池的转换效率，适合于工业化生产。
抛光液是指对硅片制绒后的绒面产生一定腐蚀性的液体，通过将硅片的正面置于抛光药液之外保证了仅对硅片用于制作背场的背面进行抛光，保留了硅片正面完整的绒面结构。其中所采用的硅片可以为单晶硅硅片和类单晶硅硅片，在制绒后，硅片正面的非（100）晶面的部分不再发光，减小了与（100）晶面的差别，使得硅片在各个位置对光的反射效果一致，改善了以该硅片制作的太阳能电池的工作性能。但是经制绒后的硅片在正反两面都形成了“金字塔”绒面，本发明采用抛光液腐蚀的方式使得作为太阳能电池背场的背面受腐蚀进而达到表面平整的目的，从而增加太阳光谱中长波段光谱在N型单晶硅背面的反射，使得长波段的太阳光反射回硅片内部，增加长波段太阳光的吸收和转换，进而提高太阳能电池的转换效率。
酸性腐蚀是各向同性腐蚀，采用酸性溶液能够使制绒后的“金字塔”结构绒面变得平整。根据本发明的一种优选实施方式，抛光液为硝酸和氢氟酸的混合液。将制绒后的硅片背面在硝酸和氢氟酸的混合液中保持一定时间后，得到了外观平整、一致性好且色差较小、反射率高的抛光面，提高了硅片对光的吸收率和电池的光电转换效率。为了得到更好的抛光面，较大程度地提高了硅片对光的吸收率，需要对硝酸和氢氟酸的质量百分比浓度、体积混合比例以及抛光时间进行调配和选择。优选地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为10:1～15:1，硝酸的质量百分比浓度为55～75%，氢氟酸的质量百分比浓度为30～50%，抛光的时间为3.77～5.48分钟。当采用上述浓度范围和体积比的硝酸和氢氟酸的混合物时，则需要将抛光时间限定在上述范围内，如果抛光时间低于3.77分钟，会因腐蚀时间过短而降低抛光面的平整度，如果腐蚀时间多于5.48分钟，则会因腐蚀时间过长破坏硅片表面的绒面结构。
进一步优选地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为12:1～14:1，硝酸的质量百分比浓度为60～70%，氢氟酸的质量百分比浓度为35～45%，抛光时间为4.12～5.02分钟。最优选地，抛光液中硝酸和氢氟酸的体积比为13:1，硝酸的质量百分比浓度为65%，氢氟酸的质量百分比浓度为40%，抛光时间为4.54分钟。
一般采用链式酸腐蚀液进行抛光，在抛光过程中随着时间的延长，硝酸和氢氟酸均会有一定量的消耗，其浓度也在发生改变，为了保证抛光效果，需要将硝酸和氢氟酸的混合液控制在一定的浓度范围内，因此，对硝酸和氢氟酸进行补液是一种有效的方式。其中补液量的大小根据硅片腐蚀质量来衡量，称之为自动补液量。优选地，硝酸的自动补液量为0.2～0.6L/100片，氢氟酸的自动补液量为0.1～0.3L/100片。
根据本发明的另一方面，还提供了一种太阳能电池片的制作方法，包括对单晶硅片抛光的步骤，其中抛光步骤采用上述任一种抛光方法实施。
根据本发明的又一方面，提供了一种太阳能电池片，该太阳能电池片采用上述的制作方法制作而成。采用上述制作方法得到的太阳能电池片，背面比较平整，相对地减少了太阳能电池片背面的绒面面积，增加了太阳光谱中长波段光谱在单晶硅背面的反射，由于抛光后硅片背面的缺陷较少，对光的反射率较高，使得更多的光由背面反射回电池片内部进而增加了激发电子-空穴对的几率，在此基础上太阳能电池片的开路电压和短路电流得到提高，进而提高电池的光电转换效率。
下面将结合具体实施例和对比例，进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
对156×156的N型单晶硅片进行表面预处理，之后置于盛有氢氧化钠溶液（质量百分比浓度为5%）的槽式制绒设备中，在75℃下保持480s后取出，得到碱制绒后的硅片。
将制绒后的硅片置于盛有抛光液的链式制绒设备中，该抛光液为HNO3和HF的混合液，其中HNO3与HF的体积比为HNO3：HF=13:1，硝酸的质量百分比浓度为65%，氢氟酸的质量百分比浓度为40%。利用辊轮控制硅片漂浮在的上述硝酸与氢氟酸混合的抛光液中，且硅片的正面置于抛光液外，硅片的背面置于抛光液中，在12℃下保持60s，得到抛光后硅片。
实施例2～7
其操作步骤与实施例1相同，不同之处在于HNO3与HF的质量百分比浓度、体积比以及抛光时间，具体见表1。
实施例8～9
实施例7和实施例8的操作步骤与实施例1相同，不同之处在于实施例8中仅采用HNO3作为抛光液，实施例9中仅采用HF的作为抛光液。
对比例1
对比例1中未采用抛光液进行抛光，而是直接将制绒后的硅片水洗后扩散制结。
实施例1至9以及对比例1的具体参数条件见表1。
表1
将实施例1至9以及对比例1中制作出的硅片在相同条件下依次进行P扩散、湿法刻蚀、B扩散、等离子刻蚀、湿化学、减反射膜沉积以及丝网印刷和烧结，得到对应的太阳能电池片。其中采用光谱响应测试仪器检测实施例1和对比例1中的太阳能电池片的内量子效率，其对比变化趋势图见图1。从图1可以看出，实施例1中经抛光工业处理后制作的太阳电池的内量子效率在波长为975～1200nm的范围内较对比例1中未经抛光处理后制作的太阳电池的内量子效率有了一定程度的提高，最终使电池转换效率提高了0.10～0.25%左右。
采用halm测试仪器测定太阳能电池片的开路电压（Uoc），短路电流（Isc），填充因子（FF）和光电转换效率Eff，具体性能数据见表2。
表2
从表2中的数据可以看出，与对比例1中不采用抛光液的太阳能电池片相比，实施例1至9中由于采用抛光液对硅片背面进行抛光，抛光后使得在背面由于制绒形成的金字塔的塔尖高度减小，整个金字塔变得平滑，其开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率均得到提升，而对比例1中没有对制绒后的硅片进行化学抛光，而是直接将制绒后的硅片水洗后扩散制结，进而制作太阳能电池片，经对比可以看出，对比例1中的开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率均比实施例1至9中较差。
与实施例1至7相比，实施例8中仅采用硝酸作为抛光液，实施例9中仅采用氢氟酸作为抛光液，实施例8和实施例9中的硅片制作的太阳能电池片的背场平整度较差，虽然在一定程度上也能够增加太阳光谱中长波段光谱在单晶硅背面的反射，但其效果甚微，表现在开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率等方面的提升度也甚微。
与实施例1至5相比，实施例6和实施例7中虽然也采用了硝酸和氢氟酸的混合液作为抛光液，但由于硝酸和氢氟酸的体积比以及两者的浓度、抛光时间和自动补液量的匹配效果问题，与采用实施例1至5中的硅片制作的太阳能电池片相比，实施例6和实施例7中得到的太阳能电池片在开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率等方面的提升度相对较低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单晶硅片的抛光方法，其特征在于，将制绒后的所述单晶硅片的用于制作背场的背面置于抛光液中、正面置于所述抛光液外进行化学抛光。
2.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液为硝酸和氢氟酸的混合液。
3.根据权利要求2所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液中所述硝酸和所述氢氟酸的体积比为10:1～15:1，所述硝酸的质量百分比浓度为55～75%，所述氢氟酸的质量百分比浓度为30～50%，抛光时间为3.77～5.48分钟。
4.根据权利要求3所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液中所述硝酸和所述氢氟酸的体积比为12:1～14:1，所述硝酸的质量百分比浓度为60～70%，所述氢氟酸的质量百分比浓度为35～45%，抛光时间为4.12～5.02分钟。
5.根据权利要求4所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液中所述硝酸和所述氢氟酸的体积比为13:1，所述硝酸的质量百分比浓度为65%，所述氢氟酸的质量百分比浓度为40%，抛光时间为4.54分钟。
6.根据权利要求2所述的抛光方法，其特征在于，所述硝酸的自动补液量为0.2～0.6L/100片，所述氢氟酸的自动补液量为0.1～0.3L/100片。
7.一种太阳能电池片的制作方法，包括对单晶硅片抛光的步骤，其特征在于，所述抛光步骤采用权利要求1至6中任一项所述的抛光方法实施。
8.一种太阳能电池片，其特征在于，所述太阳能电池片采用权利要求7所述的制作方法制作而成。
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- 2013-11-25 CN CN201310602911.7A patent/CN103603055B/zh not_active Expired - Fee Related
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