CN104037262A - 一种超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，依次包括去损伤及双面制绒、正面沉积SiNx保护膜、背面腐蚀减薄、去除正面SiNx保护膜、扩散制结、刻边与PSG去除、沉积SiNx减反膜、丝网印刷电极、共烧结等步骤。本发明通过背面腐蚀减薄工艺能获得50-120μm的硅片，使硅片的弯曲度得到增加，并且该方法有效的避免了批量生产时碎片的发生，提高了成品率，同时通过降低背面铝背场的厚度，高温烧结后降低了柔性太阳能电池片的翘曲度，减少了碎片率。该工艺所制备出的电池片具备轻质量、高效率、可弯曲等众多优势，可以应用到某些特殊领域，如单兵装备、平流层飞艇、无人机等。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别是涉及一种超薄晶硅柔性太阳能电池片的制造工艺。
背景技术
太阳在晶体硅太阳电池的应用过程中，为增加太阳能电池的应用范围和提高太阳电池效率的工作一直没有停止过。近年来随着太阳能产业的蓬勃发展，新的形势下对太阳能电池的应用提出新需求。目前一般的晶硅太阳电池组件是把钢化玻璃、常规晶硅电池片阵列、黏合剂和透明薄膜整合在一起，并在四周装配边框以保护玻璃，这种装置仅适用于太阳能电站、屋顶等大型建筑领域。尽管以后出现了一系列改进，但晶体硅太阳电池的基本特征至今仍为在刚性底板上安装电池片阵列。上述传统的太阳电池不仅具有刚性底板，而且重量较大，这些特点限制了其使用范围，在很多特殊环境下，如在飞艇、帐篷等曲面物体上不能适用。
目前，基于非晶硅薄膜和铜铟镓硒薄膜的太阳能电池，虽然具有柔性和小面积比功率高的特点，但是由于其太阳能电池芯片效率很低，当大面积使用时，其重量比功率降低，在一些对铺设面积有严格要求的领域无法使用，如太阳能飞机和太阳能飞艇。
生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤，下面介绍几个主要步骤：
一、表面制绒
单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在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。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1％的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱 性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。
二、扩散制结
太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。
三、去磷硅玻璃
该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCl3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络合物六氟硅酸。
四、等离子刻蚀
由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。
五、镀减反射膜
抛光硅表面的反射率为35％，为了减少表面反射,提高电池的转换效率,需 要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。
六、丝网印刷
太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。
七、快速烧结形成欧姆接触
经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料 中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。
常规的晶体硅电池片厚度从220μm到180μm不等，晶体硅电池片展现的是脆性，弯曲时容易断裂；当晶体硅电池片厚度从200μm下降到120μm以下时，能展现良好的可弯曲特性，研究一种合适的制备工艺用来制备出超薄晶硅柔性太阳能电池具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中晶体硅电池片为脆性，弯曲时容易断裂等不足，本申请旨在提供一种功率高质量轻，比功率大于750W/Kg，并且有效防止因弯曲裂片的超薄晶硅柔性太阳能电池制造工艺。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，依次包括以下步骤：在硅片表面制绒、扩散制PN结、刻边与去除磷硅玻璃、PECVD沉积SiNx减反射膜、制备正面电极和铝背场、共烧形成欧姆接触；在所述表面制绒与扩散制PN结之间增加了以下步骤：
首先，通过PECVD方法在制绒后的硅片正面沉积SiNx保护膜，控制SiNx保护膜的膜层厚度为150-200nm，折射率控制在2.0-2.2之间；
其次，用质量浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液对正面沉积SiNx保护膜后的硅片进行背面腐蚀减薄，腐蚀时间为20min-30min，控制硅片的厚度在50-120μm之间；
最后，用质量浓度为8％-12％的氢氟酸溶液去除硅片的正面SiNx保护膜，反应时间为5min-15min。
优选的方案，超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，具体步骤为：
(1)表面制绒：将去损伤后的硅片置于制绒液中，在80℃-90℃下反应20-30分钟，在硅片表面形成绒面；所述硅片为厚度130-180μm，电阻率0.5-3Ω·cm的单晶硅片；所述制绒液中含有氢氧化钠和异丙醇，所述氢氧化钠的质 量浓度为0.5％-1.5％，所述异丙醇的质量浓度为5％-10％；
(2)PECVD正面沉积SiNx保护膜：通过PECVD方法在制绒后的硅片正面沉积SiNx保护膜，控制SiNx保护膜的膜层厚度为150-200nm，折射率控制在2.0-2.2之间；
(3)背面腐蚀减薄：用质量浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液对正面沉积SiNx保护膜后的硅片进行背面腐蚀减薄，腐蚀时间为20min-30min，控制硅片的厚度在50-100μm之间；
(4)去除正面SiNx保护膜：用质量浓度为8％-12％的氢氟酸溶液去除硅片的正面SiNx保护膜，反应时间为5min-15min；
(5)扩散制PN结：采用三氯氧磷为液态源，液态源由N2携带方式进入扩散炉，在氧气氛围下进行扩散，形成PN结；
(6)刻边与去除磷硅玻璃；
(7)PECVD沉积SiNx减反射膜：膜厚控制在70nm-80nm之间，折射率控制在2.0-2.2之间；
(8)制备正面电极和铝背场，所述铝背场的厚度控制在1-5μm；
(9)共烧形成欧姆接触。
优选方案：步骤(8)所述制备正面电极和铝背场，大于80μm厚度硅片采用丝网印刷设备印刷正背面银电极和铝背场，80μm以下的厚度硅片采用喷墨打印技术非接触打印正背面银电极和铝背场。
与现有技术相比，本发明的优势在于:
1、本发明超薄晶硅柔性太阳能电池片通过背面腐蚀减薄工艺能获得50-120μm的硅片，使硅片的弯曲度得到增加。
2、本发明的方法有效的避免了批量生产时碎片的发生，提高了成品率，成品率从80％提高到95％。
3、本发明通过降低背面铝背场的厚度，高温烧结后降低了柔性太阳能电池片的翘曲度，减少了碎片率，碎片率从15％下降到5％。
该柔性太阳能电池片制造工艺是制备柔性晶体硅电池组件的关键工艺，所 制备出的电池组件具备轻质量、高效率、可弯曲等众多优势，可以应用到某些特殊领域，如单兵装备、平流层飞艇、无人机等。
附图说明
图1是超薄晶体硅柔性太阳能电池片的生产工艺流程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，实施例中所述浓度为质量百分浓度。
实施例1：
采用156×156cm2单晶硅片，厚度150μm，采用上述工艺过程1进行去损伤和绒面化过程，单晶硅：0.5-3Ω·cm，氢氧化钠的浓度：1％，异丙醇的浓度5％，在85℃下反应25分钟，在硅表面形成大小均匀的绒面。
采用上述PECVD沉积工艺在正面制备SiNx保护膜：SiNx的膜厚100nm。折射率控制在2.1。
采用上述背面腐蚀减薄和去除正面的SiNx保护膜工艺：腐蚀槽中为高浓度的氢氧化钠溶液，其浓度为10％，反应时间为35mins，晶硅片的厚度从150μm，减薄后厚度减小到70μm。清洗槽中为10％氢氟酸溶，反应时间为10mins，去除SiNx保护膜
采用上述扩散制结工艺，采用湿法刻蚀设备刻边并去除PSG。扩散制结工艺参数：扩散温度840℃-890℃，进炉：5-8min，大氮18L/min；回温：10-20min，大氮18L/min，干氧0.8-1.8L/min；扩散：30-40min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min，小氮0.5-1.5L/min；推进：8-10min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min；出炉：5-8min，大氮18L/min。扩散后电池方阻60-90Ω/□，结深0.3-0.5μm。
PECVD按上述工艺，沉积SiNx膜的厚度80nm，折射率2.0。
采用喷墨打印设备非接触式打印前后电极和铝背场。
烧结、效率测试分档。烧结温度：1区：300℃，2区：300℃，3区：300℃，4区：450℃，5区：460℃，6区：480℃，7区：620℃，8区：800℃，9区：910℃。
曲率测试：本发明制备出的太阳能电池片，弯曲度可达0.3，比功率大于750W/Kg。
实施例2：
采用156×156cm2单晶硅片，厚度150μm，采用上述工艺过程1进行去损伤和绒面化过程，单晶硅：0.5-3Ω·cm，氢氧化钠的浓度：1％，异丙醇的浓度5％，在85℃下反应25分钟，在硅表面形成大小均匀的绒面。
采用上述PECVD沉积工艺在正面制备SiNx保护膜：SiNx的膜厚150nm。折射率控制在2.1。
采用上述背面腐蚀减薄和去除正面的SiNx保护膜工艺：腐蚀槽中为高浓度的氢氧化钠溶液其浓度为10％，反应时间为30mins，晶硅片的厚度从150μm，减薄后厚度减小到100μm。清洗槽中为10％氢氟酸溶，反应时间为15mins，去除SiNx保护膜
采用上述扩散制结工艺，采用湿法刻蚀设备刻边并去除PSG。扩散制结工艺参数：扩散温度840℃-890℃，进炉：5-8min，大氮18L/min；回温：10-20min，大氮18L/min，干氧0.8-1.8L/min；扩散：30-40min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min，小氮0.5-1.5L/min；推进：8-10min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min；出炉：5-8min，大氮18L/min。扩散后电池方阻60-90Ω/□，结深0.3-0.5μm。
PECVD按上述工艺，沉积SiNx膜的厚度80nm，折射率2.0。
采用丝网印刷设备非接触式打印前后电极和铝背场。
烧结、效率测试分档。烧结温度：1区：300℃，2区：300℃，3区：300℃，4区：450℃，5区：460℃，6区：480℃，7区：620℃，8区：800℃，9区：910℃。
曲率测试：本发明制备出的太阳能电池片，弯曲度可达0.2，比功率大于750W/Kg。
Claims (3)
1.一种超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，依次包括以下步骤：在硅片表面制绒、扩散制PN结、刻边与去除磷硅玻璃、PECVD沉积SiNx减反射膜、制备正面电极和铝背场、共烧形成欧姆接触；其特征是，在所述表面制绒与扩散制PN结之间增加了以下步骤：
首先，通过PECVD方法在制绒后的硅片正面沉积SiNx保护膜，控制SiNx保护膜的膜层厚度为150-200nm，折射率控制在2.0-2.2之间；
其次，用质量浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液对正面沉积SiNx保护膜后的硅片进行背面腐蚀减薄，腐蚀时间为20min-30min，控制硅片的厚度在50-120μm之间；最后，用质量浓度为8％-12％的氢氟酸溶液去除硅片的正面SiNx保护膜，反应时间为5min-15min。
2.根据权利要求1所述超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，其特征是，具体步骤为：
(1)表面制绒：将去损伤后的硅片置于制绒液中，在80℃-90℃下反应20-30分钟，在硅片表面形成绒面；所述硅片为厚度130-180μm，电阻率0.5-3Ω·cm的单晶硅片；所述制绒液中含有氢氧化钠和异丙醇，所述氢氧化钠的质量浓度为0.5％-1.5％，所述异丙醇的质量浓度为5％-10％；
(2)PECVD正面沉积SiNx保护膜：通过PECVD方法在制绒后的硅片正面沉积SiNx保护膜，控制SiNx保护膜的膜层厚度为150-200nm，折射率控制在2.0-2.2之间；
(3)背面腐蚀减薄：用质量浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液对正面沉积SiNx保护膜后的硅片进行背面腐蚀减薄，腐蚀时间为20min-30min，控制硅片的厚度在50-100μm之间；
(4)去除正面SiNx保护膜：用质量浓度为8％-12％的氢氟酸溶液去除硅片的正面SiNx保护膜，反应时间为5min-15min；
(5)扩散制PN结：采用三氯氧磷为液态源，液态源由N2携带方式进入扩散炉，在氧气氛围下进行扩散，形成PN结；
(6)刻边与去除磷硅玻璃；
(7)PECVD沉积SiNx减反射膜：膜厚控制在70nm-80nm之间，折射率控制在2.0-2.2之间；
(8)制备正面电极和铝背场，所述铝背场的厚度控制在1-5μm；
(9)共烧形成欧姆接触。
3.根据权利要求2所述超薄晶体硅柔性太阳电池片的制造工艺，其特征是，步骤(8)所述制备正面电极和铝背场，大于80μm厚度硅片采用丝网印刷设备印刷正背面银电极和铝背场，80μm以下的厚度硅片采用喷墨打印技术非接触打印正背面银电极和铝背场。
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