CN103746044A - 背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，包括：采用高浓度碱溶液对硅片进行抛光处理，在硅片的正面和背面均形成抛光结构；在硅片的背面形成一层掩膜；采用低浓度碱溶液对硅片进行制绒，在掩膜的保护下，只在硅片的正面形成金字塔绒面结构；对硅片进行扩散前清洗，去除掩膜，保留硅片背面的抛光结构；对硅片表面进行磷扩散形成N+层；以及电极的制备。本发明的方法可以简便有效地制备出背面抛光结构单晶硅太阳能电池，并进一步提高太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法。
背景技术
近年来，中国光伏电池领域发展迅速，太阳能光伏发电将会替代部分常规能源成为世界能源供应的主体。太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池。然而，薄膜电池所用设备昂贵、转换效率不高等缺点，未来10年晶体硅太阳能电池的主导地位仍不会改变。晶体硅太阳能电池包括单晶硅、多晶硅和不定形硅为基体材料的太阳能电池，单晶硅太阳能电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是目前开发得最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛应用于空间和地面。
目前，请参阅图1，图1为工业生产的单晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤L01：对硅片进行槽式双面制绒；
步骤L02：对硅片进行扩散前清洗；
步骤L03：扩散制结；例如，对于P或N型太阳能电池，进行双面磷扩散，在硅片的表面形成N+层；这里，扩散过程中，不仅会在硅片正面形成N+层，也会在硅片背面及侧面边缘形成N+层；然后，进行湿法刻蚀，去除硅片背面和侧面边缘的N+层；
步骤L04：制备电极；例如，针对P或N型太阳能电池，在硅片的正面沉积氮化硅薄膜；接着，丝网印刷电极材料，比如依次印刷银铝浆背电极、铝背电场和银正电极；最后高温烧结制备出电极。
上述方法中，单晶硅片双面均具有绒面结构，当光照射正面时，会在表面的绒面结构中产生二次反射，大大提高对光的吸收率；但是，背面的绒面结构会导致铝背场烧结后形成的P+层不平整，对于N型半导体衬底则影响PN结的质量，对电池的短路电流和开路电压产生不利影响，最终导致光电转换效率的下降。
此外，虽然采用上述方法去除背面的N+层的过程中能够使绒面结构变小，但是，衬底背面仍具有绒面结构，也会导致光电转换效率的下降，因此，需要一种方法，可以有效简便地制备出正面为绒面结构和背面为抛光结构的太阳能电池。
发明内容
为了克服上述问题，本发明旨在简化制备背面抛光结构单晶硅太阳能电池的工艺步骤，有效地实现正面绒面结构和背面抛光结构，从而提高太阳能电池的光电转换效率。
本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其中，该制备方法包括以下步骤：
步骤S01：采用高浓度碱溶液对所述硅片进行抛光处理，在所述硅片的正面和背面均形成抛光结构；
步骤S02：在所述硅片的背面形成一层掩膜；
步骤S03：采用低浓度碱溶液对所述硅片进行制绒，在所述掩膜的保护下，只在所述硅片的正面形成金字塔绒面结构；
步骤S04：对所述硅片进行扩散前清洗，去除所述掩膜，保留所述硅片背面的抛光结构；
步骤S05：在所述硅片正面形成N+层；
步骤S06：制备电极。
优选地，所述掩膜为二氧化硅膜或氮化硅膜。
优选地，所述掩膜的厚度不小于5nm。
优选地，所述掩膜的制备采用扩散炉或等离子体增强化学气相沉积法。
优选地，所述高浓度碱溶液的浓度大于2%，所述低浓度碱溶液的浓度小于2%。
优选地，所述碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
优选地，所述扩散前清洗所采用的溶液为氢氟酸溶液。
优选地，所述硅片正面制绒采用的是槽式制绒机。
优选地，所述步骤S05中在所述硅片正面形成N+层的方法包括：首先，对所述硅片的表面进行磷扩散，扩散方阻为60-90ohm，从而在所述硅片的正面、背面和侧面边缘均形成N+层；然后，采用湿法刻蚀工艺去除所述硅片背面和侧面边缘的N+层，保留所述硅片正面的N+层。
优选地，所述制备电极的方法包括：
步骤A1：采用等离子体增强化学气相沉积法在所述硅片正面形成一层氮化硅薄膜；
步骤A2：采用丝网印刷工艺制备背电极、背电场和正电极；
步骤A3：采用烧结工艺，使所述背电极和所述正电极均与所述硅片形成欧姆接触，并在所述硅片与所述背电场接触的区域形成P+层。
本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，通过采用高浓度碱溶液进行各向同性刻蚀使硅片正面和背面均呈现为抛光结构，再利用掩膜对硅片背面进行保护，采用低浓度碱溶液进行各向异性刻蚀，巧妙地在硅片正面形成绒面结构，在去除掩膜之后，背面为抛光结构；同时，由于在传统的工艺方法中，在制绒后进行扩散前清洗，利用掩膜易被清洗液比如氢氟酸腐蚀的特性，在该常规清洗步骤中即可去除掩膜，而不需要增加新的工艺步骤，因此，本发明的方法可以简便有效地制备出背面抛光结构单晶硅太阳能电池，从而提高太阳能电池的光电转换效率。采用本发明的方法和常规的方法相比，其开路电压增加值大于3mV，短路电流增加值大于0.2A，光电转换效率增加值大于0.3%。
附图说明
图1为工业生产的单晶硅太阳能电池的制备方法
图2为本发明的一个较佳实施例的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法所制备的太阳能电池的剖面结构示意图
图3为本发明的上述较佳实施例的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法的流程示意图
图4为本发明的上述较佳实施例中在正面制绒后所形成的硅片剖面结构示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合具体实施例和附图2-4对本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法作进一步详细说明。其中，图2为本发明的一个较佳实施例的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法所制备的太阳能电池的剖面结构示意图，图3为本发明的上述较佳实施例的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法的流程示意图，图4为本发明的上述较佳实施例中在正面制绒后所形成的硅片剖面结构示意图。
本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，可以应用于制备N型或P型太阳能电池，如前所述，由于本发明的方法可以较为简便和有效地制备出背面抛光结构，对N型电池而言，背面抛光结构有利于提高其PN结的质量，对P型电池而言，背面抛光结构有利于提高铝背场烧结后形成的P+层的平整度，因此，本发明的方法能够简化工艺和有效提高太阳能电池的光转换效率。
请参阅图2，本发明的一个较佳实施例中，在硅片5的正面上具有绒面结构3，在绒面结构3中具有N+层4，在绒面结构3上沉积有氮化硅薄膜2，正电极1穿透氮化硅薄膜2和绒面结构3，与N+层4相接触；在硅片5的背面表面具有背电场7，在背电场7和硅片5的背面的接触区域形成有P+层6，背电极8的侧面与P+层6和背电场7接触，顶部与硅片5直接接触。需要说明的是，在本发明中，硅片可以为N型，也可以为P型，所形成的太阳能电池的结构可以但不限于为N+NP+型太阳能电池，在该较佳实施例仅以N型单晶硅片所形成的N+NP+型太阳能电池为例进行说明，但这不用于限制本发明的范围。
单晶硅被碱溶液腐蚀的原理为：单晶硅的（100）面与（111）面被腐蚀速率之商定义为“各向异性因子”（≥1）。当碱液浓度较低（＜2%）时，各向异性因子较大，（100）面被腐蚀速率明显大于（111）面，腐蚀后会在表面形成金字塔绒面结构。随着碱液浓度的升高，各向异性因子逐渐减小并趋近于1，当趋近于1时，硅片（100）面与（111）面的被腐蚀速度相近，得到的表面是平坦光亮的，称为背面抛光结构。当碱浓度大于2%时我们认为会对硅片进行抛光。因此，在本发明中，低浓度碱溶液指浓度小于2%的碱溶液，高浓度碱溶液指浓度大于2%的碱溶液。
本发明即采用上述原理，利用高浓度碱溶液对硅片进行各向同性刻蚀，通过掩膜对硅片背面的保护，再利用低浓度碱溶液对硅片进行各向异性刻蚀，从而在硅片正面形成金字塔绒面，在硅片背面形成抛光面，经后续加工制备出的单晶硅太阳能电池，在本发明中称之为背面抛光结构单晶硅太阳能电池。
以下请参阅图3，本发明的上述较佳实施例中的制备上述背面抛光结构太阳能电池的方法，具体包括以下步骤：
步骤S01：采用高浓度碱溶液对硅片进行抛光处理，在硅片的正面和背面均形成抛光结构；
具体的，在该实施例中，利用槽式制绒机并采用氢氧化钠溶液对硅片进行抛光处理，高浓度碱溶液指的是浓度大于2%的碱溶液。当然，在本发明中，所采用的高浓度碱溶液可以但不限于为氢氧化钠溶液，还可以为氢氧化钾溶液等。
步骤S02：在硅片的背面形成一层掩膜；
具体的，在该实施例中，可以但不限于利用扩散炉在硅片背面沉积掩膜，也可以采用等离子体增强化学气相沉积法来制备该掩膜，还可以采用低压化学气相沉积法、物理气相沉积法、溶胶凝胶沉积或化学氧化法等；由于扩散前清洗过程中所采用的溶液通常为氢氟酸溶液，因此，掩膜的材料为容易被氢氟酸溶液腐蚀的材料，并且由于后续还要进行低浓度碱溶液腐蚀，所以掩膜的材料需要不易于碱溶液反应，较佳地，可以为二氧化硅或氮化硅膜，掩膜的厚度不小于5nm。
步骤S03：采用低浓度碱溶液对硅片进行制绒，在掩膜的保护下，只在硅片的正面形成金字塔绒面结构；
具体的，在该实施例中，低浓度碱溶液指的是浓度小于2%的碱溶液。由于掩膜遮挡在硅片背面，对背面起到保护作用，低浓度的碱溶液只能腐蚀到硅片正面；原理为：掩膜一般情况下不与碱溶液反应，比如氮化硅膜，如果掩膜为二氧化硅膜，其与该低浓度的碱溶液的反应也非常慢，因此，掩膜的存在，能够阻止硅片背面与碱溶液的反应，从而保护了背面抛光结构。在硅片正面，如前所述原理，低浓度碱溶液对硅片进行各向异性刻蚀，（100）面被腐蚀速率大于（111）面，腐蚀后会在表面形成金字塔绒面结构。
步骤S04：对硅片进行扩散前清洗，去除掩膜，保留硅片背面的抛光结构。
具体的，在该实施例中，扩散前清洗采用的溶液为氢氟酸溶液，利用掩膜容易被氢氟酸溶液腐蚀的特性，在氢氟酸漂洗槽中即可将掩膜完全去除，因此，该步骤中不需要增加其它步骤即可去除掩膜，简化了工艺步骤。
请参阅图4，在该较佳实施例中，对硅片进行正面制绒之后，所形成的硅片剖面结构示意图，图中3为正面金字塔绒面，9为背面抛光结构。在经扩散前清洗之后，掩膜被去除掉，暴露出背面抛光结构9。
步骤S05：对硅片的表面进行磷扩散形成N+层；磷扩散可以采用常规工艺进行，其中，该N+层的方阻可以为60-90ohm，经磷扩散后，在硅片的正面、背面和侧面边缘均形成N+层。
步骤S06：湿法刻蚀该硅片；保留硅片正面的N+层，去除该硅片背面以及侧面边缘的由于上述磷扩散形成的N+层，防止产生漏电。湿法刻蚀可以采用常规的刻蚀溶液，比如硝酸、氢氟酸、盐酸等。当然，该步骤中，还可以包括采用氢氟酸溶液去除扩散层上的磷硅玻璃，这是由于在扩散过程中，不可避免会在硅片背面和侧面形成磷硅玻璃。
需要说明的是，本实施例中经过步骤S05和S06之后，在硅片的正面形成了N+层，当然，在本发明中，在硅片的正面形成N+层的方法，还可以为直接在正面制备绒面，然后对绒面进行磷扩散形成N+层；也可以为直接在正面进行磷扩散形成N+层等，本发明对此不作限制。
步骤S07：采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面形成一层氮化硅薄膜；在本实施例中，该氮化硅薄膜的厚度可以为60-100nm。
步骤S08：采用丝网印刷工艺在硅片上制备背电极、背电场和正电极；
步骤S09：采用烧结工艺，使背电极和正电极均与硅片形成欧姆接触，并在硅片与背电场接触的区域形成P+层。
需要说明的是，在本发明中，制备背面抛光结构单晶硅太阳能电池包括正面制绒、扩散制结和电极的制备，在正面制绒和扩散前清洗之后，可以但不限于为该实施例中的步骤S05-S09，还可以包括其它扩散制结和电极制备工艺过程，根据实际所要制备的太阳能电池的结构的不同而不同。比如，可以先制备背电场、再制备背电极和正电极等。
综上所述，本发明的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，通过采用高浓度碱溶液进行各向同性刻蚀使硅片正面和背面均呈现为抛光结构，再利用掩膜对硅片背面进行保护，采用低浓度碱溶液进行各向异性刻蚀，巧妙地在硅片正面形成绒面结构，在去除掩膜之后，背面为抛光结构；同时，由于在传统的工艺方法中，在制绒后进行扩散前清洗，利用掩膜易被清洗液比如氢氟酸腐蚀的特性，在该常规清洗步骤中即可去除掩膜，而不需要增加新的工艺步骤，因此，本发明的方法可以简便有效地制备出背面抛光结构单晶硅太阳能电池，从而提高太阳能电池的光电转换效率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：采用高浓度碱溶液对所述硅片进行抛光处理，在所述硅片的正面和背面均形成抛光结构；
步骤S02：在所述硅片的背面形成一层掩膜；
步骤S03：采用低浓度碱溶液对所述硅片进行制绒，在所述掩膜的保护下，只在所述硅片的正面形成金字塔绒面结构；
步骤S04：对所述硅片进行扩散前清洗，去除所述掩膜，保留所述硅片背面的抛光结构；
步骤S05：在所述硅片正面形成N+层；
步骤S06：制备电极。
2.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述掩膜为二氧化硅膜或氮化硅膜。
3.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述掩膜的厚度不小于5nm。
4.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述掩膜的制备采用扩散炉或等离子体增强化学气相沉积法。
5.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述高浓度碱溶液的浓度大于2%，所述低浓度碱溶液的浓度小于2%。
6.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
7.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述扩散前清洗所采用的溶液为氢氟酸溶液。
8.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述硅片正面制绒采用的是槽式制绒机。
9.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S05中在所述硅片正面形成N+层的方法包括：首先，对所述硅片的表面进行磷扩散，扩散方阻为60-90ohm，从而在所述硅片的正面、背面和侧面边缘均形成N+层；然后，采用湿法刻蚀工艺去除所述硅片背面和侧面边缘的N+层，保留所述硅片正面的N+层。
10.根据权利要求1所述的背面抛光结构单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备电极的方法包括：
步骤A1：采用等离子体增强化学气相沉积法在所述硅片正面形成一层氮化硅薄膜；
步骤A2：采用丝网印刷工艺制备背电极、背电场和正电极；
步骤A3：采用烧结工艺，使所述背电极和所述正电极均与所述硅片形成欧姆接触，并在所述硅片与所述背电场接触的区域形成P+层。
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