CN104022183A - 一种超薄柔性晶体硅电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄柔性晶体硅电池的制备方法，该方法引入CFZ、MCZ、或FZ硅片为衬底，经制绒减薄制备厚度在100μm以下制绒片，采用常规高温扩散法制备PN结，清洗后经微波式平板PECVD镀Al2O3作背面钝化膜，硅片前后表面镀SiNx减反射膜和保护膜后利用激光开膜法打开电极接触窗口，引入新型电极结构图形，经工艺改进通过丝网印刷法制备铝浆厚度极小的铝背导电层和前后电极，经烧结形成电性能优异的超薄高效晶体硅电池，采用激光切割法切割形成便于组件封装且可靠性高的小型电池。本发明制备的超薄柔性新型高效晶体硅电池，多数工艺流程能够在常规晶体硅电池生产线上完成，功率质量比高，适用于低空飞行器，制备成本较低，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅电池的制备领域，具体涉及一种超薄高效柔性晶体硅电池的制备方法。
背景技术
提高太阳能电池的应用范围和深度一直是人们坚持不懈的追求，目前晶体硅太阳能电池在地面空间已得到广泛应用并得到人们的认可，高效、稳定、抗辐照衰减能力强、成本低且功率质量比高的柔性太阳能电池一直是高空飞行器正常工作的最基本性需求。
航空领域需要稳定性强、抗辐照衰减能力高、功率质量比和性价比高的柔性太阳电池组件。最早用于国际航天领域的太阳电池是N型晶体硅电池，但经太空高能辐照后效率发生衰减及稳定性低于P型晶体硅电池，P型晶硅电池成为太空应用的首选，后来砷化镓制备技术突破，又取代P型电池。而非晶硅、铜铟镓硒等薄膜太阳电池组件耐衰减能力低，空间辐照测试后效率衰减比较大；砷化镓制备工艺难度极大，电池组件价格过高，国际上研制单位较少。空间电池技术经过一系列发展，对于高性价比的产品一直是追求的目标，在经历各类电池的验证后，柔性晶硅电池由于其较高的转换效率，低成本、规模化生产能力重新出现在用户的视野中。
随着柔性太阳电池技术的发展，太阳能无人机、无人飞艇、太阳能背包、太阳能帐篷等装备也广泛应用于军事作战中，柔性太阳电池的军品需求十分强劲。
P型CFZ 、MCZ或FZ晶体硅片效率高、抗辐照衰减能力强且性能稳定，单晶硅片减薄至100μm以下即可表现出很好的柔韧弯曲性，而且硅片厚度不是决定电池效率的关键性因素，尝试通过硅片减薄制备厚度在100μm以下、效率在19%以上晶硅高效电池是本发明的主要目的。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足，提供一种超薄高效条状晶体硅电池的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
所述超薄柔性晶体硅电池的制备方法包括如下步骤：
（1）将电阻率为3～5Ω﹒cm单晶硅片切割成厚度90～120μm的125×125 mm2或156×156mm2硅片；所述单晶硅片为P型CFZ、MCZ或FZ之一的单晶硅片；
（2）对切割后的硅片清洗并制绒，并经两步高温扩散法在硅片上制备方阻在65～80Ω/□的PN结；所述两步高温扩散法的参数为：第一步扩散温度为770～800℃，扩散时间为10～20min，第二步扩散温度为800～850℃，扩散时间为15～25min，退火时间为25min～60min；
（3）去除硅片表面磷硅玻璃并对硅片背面单面抛光抛光技术采用申请号为201310653357.5中所公开的抛光技术）；
（4）在抛光的硅片背面采用微波式平板PECVD沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，所述Al2O3/SiNx叠层钝化膜中Al2O3层与硅片直接接触，所述Al2O3钝化膜厚度为5～20nm，所述SiNx钝化膜厚度为110～180nm；然后采用激光开膜法对钝化膜开膜（开膜技术采用申请号为201310653357.5中所公开的开膜技术），采用管式PECVD在硅片前表面镀厚度为70～85nm 的SiNx减反射膜，膜厚为70～85nm；
（5）设计硅片上的条状无主栅电极结构小电池图形：小电池宽度为25～45mm、长度为156mm，边缘焊点数量为6～15个；
（6）根据电极结构小电池图形设计硅片上小电池分布网版图：小电池分布网版图上小电池间距设为1～2mm；将小电池分布网版图覆盖于硅片上后在硅片上依次印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料；印刷后电极浆料烧结后形成后电极；铝背场浆料经烧结形成铝背导电层；前电极浆料经烧结后形成前电极；
（7）根据小电池分布网版图在硅片上切出小电池形状。
优选地，步骤（2）中是用清洗液对切割后的硅片清洗，所述清洗液是双氧水溶液和氨水溶液的混合液，混合液中双氧水的质量百分比浓度为5～15%，混合液中氨水的质量百分比浓度为5～15%，混合液温度为25～60℃。
步骤（2）所述PN结结深在0.3～0.6μm，表层峰值浓度在3×1019～2×1020/cm3。
步骤（4）所述Al2O3钝化膜厚度为3～10nm。
步骤（4）中当硅片前表面和背面面镀SiNx后，硅片的有效少子寿命测量值在60us以上。
步骤（5）所述焊点数量和小电池宽度相关，前电极焊点宽度为1.0～2.0mm，焊点长度为1.5～3.5mm；后电极焊点宽度为1.5～2.5毫米、焊点长度为3～5毫米。
所述步骤（6）在印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料时印刷铝浆的重量为0.376～0.658g，即，印刷铝浆重量是常规重量（0.94g）的0.4～0.7倍。另外，步骤（6）在印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料时，铝背场网版膜厚为2～8μm，为的是影响印刷铝浆的重量。
步骤（7）中切出的小电池，经反向12V电压测试漏电流小于0.05A，和常规电池漏电流相同。
步骤（7）中是采用波长为532nm的绿光在硅片上切割小电池。
下面对本发明作进一步说明：
本发明步骤（5）中选用条状无主栅电极结构图形，主要是考虑组件封装技术、可靠性和提高功率质量比三方面因素。无主栅电极结构便于柔性组件焊接封装，电池宽度、焊点数量及结构是电池效率和封装难度相互权衡的一种设计方式。电池宽度越小，组件可靠性越高。
本发明步骤（6）中背场网版膜厚仅为常规厚度一半左右，目的是减小印刷铝浆重量，即降低铝背场厚度、电池翘曲度和电池重量，利于提高组件可靠性和功率质量比，制备可靠性和功率质量比高的柔性组件。依次印刷后电极浆料、适用于背面导电层铝浆和前电极浆料，烧结形成并联在一起的长方形电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、制备厚度小于100μm的长条状超薄柔性结构电池，电池弯曲度可确保在0.6以上，能够满足组件封装对电池弯曲度的要求（电池弯曲度大于0.3即可），而且电池效率可确保在19%以上。
2、采用无主栅焊点式电极结构，可减少焊带用量和组件重量，而且可提高组件可靠性，主栅式焊带在组件变形（组件弯曲度范围内形变）时易导致电极脱落或电池碎片。采用点式电极图形可在不影响电池效率的前提下使银浆用量降低20%以上，即浆料成本（和银浆相比，背银浆料和铝浆成本可忽略不计）降低20%以上，有利于降低电池制备成本。
3、采用分区印刷铝浆方式制备各自电池铝背场，小电池间没有浆料。采用绿光纳秒激光器在电池背面沿着无铝背场方向切片，激光不会对铝背导电层和前面PN结造成破损，不存在切割漏电现象。
总之，本发明方法引入CFZ、MCZ、或FZ硅片为衬底，经制绒减薄制备厚度在100μm以下制绒片，采用常规高温扩散法制备PN结， 清洗后经微波式平板PECVD镀Al2O3作背面钝化膜，硅片前后表面镀SiNx减反射膜和保护膜后利用激光开膜法打开电极接触窗口，引入新型电极结构图形，经工艺改进通过丝网印刷法制备铝浆厚度极小的铝背导电层和前后电极，经烧结形成电性能优异的超薄高效晶体硅电池，采用激光切割法切割形成便于组件封装且可靠性高的小型电池。本发明制备的超薄柔性新型高效晶体硅电池，多数工艺流程能够在常规晶体硅电池生产线上完成，功率质量比高，适用于低空飞行器，制备成本较低，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明方法制晶体备硅电池时的电池前电极图形；其中A表示激光切割区域，切片时激光沿着两条线中间切割，切割后成为条状小电池，图中的图形C为小电池前电极图形，矩形黑斑D是焊点；
图2为本发明方法制晶体备硅电池时的电池后电极图形；其中A表示小电池间隔区域，黑色斑点E表示后电极图形；
图3为本发明方法制晶体备硅电池时的电池铝背导电层图形；其中A表示小电池背场间隔区域，矩形B中无色区域（即黑色区域除外）表示印刷铝背导电层图形。
具体实施方式
实施例1
本发明按照超薄柔性高效晶体硅电池的制备方法，以P型CFZ单晶硅为衬底，具体工艺流程如下：
所述超薄柔性高效晶体硅电池的制备方法包括如下步骤：
（1）将电阻率为3～5Ω﹒cm的P型CFZ单晶硅片切割成厚度90～120μm的125×125 mm2或156×156mm2硅片；
（2）对切割后的硅片清洗并制绒，并经两步高温扩散法在硅片上制备方阻在65～80Ω/□的PN结；所述两步高温扩散法的参数为：第一步扩散温度为770～800℃，扩散时间为10～20min，第二步扩散温度为800～850℃，扩散时间为15～25min，退火时间为25min～60min；
（3）去除硅片表面磷硅玻璃并对硅片背面单面抛光；
（4）在抛光的硅片背面采用微波式平板PECVD沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，所述Al2O3/SiNx叠层钝化膜中Al2O3层与硅片直接接触，所述Al2O3钝化膜厚度为5～20nm，所述SiNx钝化膜厚度为110～180nm；然后采用激光开膜法对钝化膜开膜，采用管式PECVD在硅片前表面镀厚度为70～85nm 的SiNx减反射膜，膜厚为70～85nm；
（5）设计硅片上的条状无主栅电极结构小电池图形：小电池宽度为35～40mm、长度为156mm，边缘焊点数量为8个；
（6）根据电极结构小电池图形设计硅片上小电池分布网版图：小电池分布网版图上小电池间距设为1～2mm；将小电池分布网版图覆盖于硅片上后在硅片上依次印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料；印刷后电极浆料烧结后形成后电极（图3）；铝背场浆料经烧结形成铝背导电层（图2）；前电极浆料经烧结后形成前电极（图1）；
（7）根据小电池分布网版图在硅片上切出小电池形状。
其中，步骤（2）中是用清洗液对切割后的硅片清洗，所述清洗液是双氧水溶液和氨水溶液的混合液，混合液中双氧水的质量百分比浓度为5～15%，混合液中氨水的质量百分比浓度为5～15%，混合液温度为25～60℃。步骤（2）所述PN结结深在0.3～0.6μm，表层峰值浓度在3×1019～2×1020/cm3。
步骤（4）中当硅片前表面和背面面镀SiNx后，硅片的有效少子寿命测量值在60us以上。
步骤（5）所述焊点中前电极焊点宽度为1.0～2.0mm，焊点长度为1.5～3.5mm；后电极焊点宽度为1.5～2.5毫米、焊点长度为3～5毫米。
所述步骤（6）在印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料时印刷铝浆的重量为0.376～0.658g，即，印刷铝浆重量是常规重量（0.94g）的0.4～0.7倍。另外，步骤（6）在印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料时，铝背场网版膜厚为2～8μm，为的是影响印刷铝浆的重量。
步骤（7）中切出的小电池，经反向12V电压测试漏电流小于0.05A，和常规电池漏电流相同。步骤（7）中是采用波长为532nm的绿光在硅片上切割小电池。
对切成的小电池进行测试分选；
小电池开路电压可达到0.645mV以上，短路电流可达到2.38A左右，填充因子FF值可到达79.5%以上，电池效率可达到19.5%以上，达到预期效果。仅改变电极图形对比测试结果，无主栅焊点式电极结构电池效率和常规三主栅（主栅宽度为1.5mm）电池效率持平，说明该种电极结构有效可行。
Claims (9)
1.一种超薄柔性晶体硅电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将电阻率为3～5Ω﹒cm单晶硅片切割成厚度90～120μm的125×125 mm2或156×156mm2硅片；所述单晶硅片为P型CFZ、MCZ或FZ之一的单晶硅片；
（2）对切割后的硅片清洗并制绒，并经两步高温扩散法在硅片上制备方阻在65～80Ω/□的PN结；所述两步高温扩散法的参数为：第一步扩散温度为770～800℃，扩散时间为10～20min，第二步扩散温度为800～850℃，扩散时间为15～25min，退火时间为25min～60min；
（3）去除硅片表面磷硅玻璃并对硅片背面单面抛光；
（4）在抛光的硅片背面采用微波式平板PECVD沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，所述Al2O3/SiNx叠层钝化膜中Al2O3层与硅片直接接触，所述Al2O3钝化膜厚度为5～20nm，所述SiNx钝化膜厚度为110～180nm；然后采用激光开膜法对钝化膜开膜，采用管式PECVD在硅片前表面镀厚度为70～85nm 的SiNx减反射膜，膜厚为70～85nm；
（5）设计硅片上的条状无主栅电极结构小电池图形：小电池宽度为25～45mm、长度为156mm，边缘焊点数量为6～15个；
（6）根据电极结构小电池图形设计硅片上小电池分布网版图：小电池分布网版图上小电池间距设为1～2mm；将小电池分布网版图覆盖于硅片上后在硅片上依次印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料；印刷后电极浆料烧结后形成后电极；铝背场浆料经烧结形成铝背导电层；前电极浆料经烧结后形成前电极；
（7）根据小电池分布网版图在硅片上切出小电池形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中是用清洗液对切割后的硅片清洗，所述清洗液是双氧水溶液和氨水溶液的混合液，混合液中双氧水的质量百分比浓度为5～15%，混合液中氨水的质量百分比浓度为5～15%，混合液温度为25～60℃。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述PN结结深在0.3～0.6μm，表层峰值浓度在3×1019～2×1020/cm3。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述Al2O3钝化膜厚度为3～10nm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（4）中当硅片前表面和背面面镀SiNx后，硅片的有效少子寿命测量值在60us以上。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述焊点数量和小电池宽度相关，前电极焊点宽度为1.0～2.0mm，焊点长度为1.5～3.5mm；后电极焊点宽度为1.5～2.5毫米、焊点长度为3～5毫米。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）在印刷后电极浆料、铝背场浆料和前电极浆料时印刷铝浆的重量为0.376～0.658g。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（7）中切出的小电池，经反向12V电压测试漏电流小于0.05A。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（7）中是采用波长为532nm的绿光在硅片上切割小电池。
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