CN104505427A - 改善晶体硅太阳能电池片lid和pid的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法及装置，旨在提供一种提高电池片转换效率并改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法及装置。它具体在常规晶体硅太阳能电池片生产的扩散清洗工艺之后实施，硅片在光辐照条件下分别进行氢化和氧化两个关键工艺，以实现晶体硅硼氧键的钝化和发射区表面SiO2薄膜的生长。本发明的有益效果是：只需要在常规的晶体硅太阳能电池片生产工艺中增加两道工艺，以实现晶体硅硼氧键的钝化和发射区表面SiO2薄膜的生长，便可在改善电池片LID和PID的同时，提高了电池片的转换效率，具有产业化推广的可行性与经济性。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池片制造相关技术领域，尤其是指一种改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法及装置。
背景技术
p型硅片占据了产业化晶体硅太阳能电池90％以上的市场份额。但是，由于硼氧键的存在，导致太阳能电池出现光致衰减(LID)问题，严重时，电池片转换效率下降超过0.5％；而且，由于衰减后电池片之间的效率存在差异，导致了按照初始功率分选的电池片进行组件封装后，电池片间失配加剧，组件封装损失增大，进一步拉大了组件实际功率与标称功率的差异。
目前，解决LID的方法主要有：(1)降低硅片的硼或者氧含量，如：采用高电阻率硅片或MCZ法和区熔法制备硅片；(2)采用镓或者磷替代硼掺杂，如：掺镓的p型硅片或者掺磷的n型硅片。但是，这些方法要么以牺牲转换效率为代价，要么增加了制备成本，均难以实现产业化。
自从2005年，SunPower首次发现晶体硅太阳能电池的电势诱发衰减(PID)现象以来，该问题引起了人们越来越大的关注。抗PID也成为了衡量光伏组件可靠性的重要指标之一。在高温高湿的环境下，处于负高偏压下的晶体硅太阳能组件存在发生PID现象的极大风险。PID导致漏电发生，组件功率极大下降。PID现象可以从电池、组件和系统端三个方面进行预防，从电池端来解决PID被认为是一劳永逸的方法。提高SiNx薄膜的折射率或者在发射区上形成SiOx薄膜，是目前从电池层面解决PID问题最为有效的手段。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种提高电池片转换效率的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，在常规晶体硅太阳能电池片生产的扩散清洗工艺之后实施，硅片在光辐照条件下分别进行氢化和氧化两个关键工艺，以实现晶体硅硼氧键的钝化和发射区表面SiO2薄膜的生长，具体操作步骤如下：
(1)硅片分选后，在碱性溶液中进行粗抛去除杂质和损伤层；
(2)碱性溶液或者酸性溶液中制绒后，清洗，甩干；
(3)扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，刻蚀去边结和二次清洗去除PSG；
(4)氢化工艺：硅片放入到传送系统上，输送至具有一定压强的反应腔，氢发生装置开始工作，经过等离子系统产生的激发源形成氢等离子体，扩散至硅片，一定时间后，关闭激发源，开始加热腔室，腔室加热至一定温度，一定时间后，开始进行光辐照硅片，一定时间后，腔室开始降温，在降温的过程中，保持光辐照，至一定温度以下停止辐照；
(5)氧化工艺：通入氮气清洗反应腔室后，调节腔体压强，反应腔加热至一定温度，臭氧发生装置以一定流量通入臭氧，待温度和气流稳定，进行紫外光照处理，氧化处理过后，在发射区表面形成一层致密氧化层，腔室开始降温，至一定温度以下，硅片经由传送系统输送至出料台；
(6)进行正面减反层沉积，采用PECVD在发射区上沉积一层SiNx；
(7)背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
本发明改善电池片LID的原理在于：在一定的温度和光照引起载流子注入的情况下，硅片体内的氢原子钝化引起LID的硼氧键，完成从退火态到衰减态到再生态的转变，再生态是硼氧键永久失活的状态，即处理后的硅片发生LID的概率大大下降，甚至不再发生LID现象。
本发明改善电池片PID的原理在于：关于PID发生的机理目前尚无定论，其中一种比较认可的解析为组件封装玻璃在高温高湿环境下产生的钠离子在电场(-1000V高压)作用下发生迁移，导致电荷聚集，使半导体结的性能衰减并造成分流。以热氧化、等离子体氧化或者其他方式形成的致密SiOx薄膜可以很好的阻挡钠离子的迁移，防止钠离子对发射区及其表面的破坏，有效预防PID的发生。
本发明具体在常规晶体硅太阳能电池片生产的扩散清洗工艺之后实施，硅片在光辐照条件下分别进行氢化和氧化两个关键工艺，以实现晶体硅硼氧键的钝化和发射区表面SiO2薄膜的生长，达到改善掺硼晶体硅太阳能电池片LID和PID的目的，同时提高电池片转换效率。
作为优选，在步骤(1)和(2)中，碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
作为优选，在步骤(2)中，酸性溶液为HF+HNO3溶液，绒面尺寸在5um以内。
作为优选，在步骤(3)中，采用等离子体刻蚀或者采用湿法刻蚀去边结和二次清洗去除PSG，扩散方阻为80-120ohm/squ。
作为优选，在步骤(4)中，一定数量的硅片为一组放入到传送系统上，输送至反应腔室，采用真空系统使腔室压强保持在1000-3000mTorr，氢发生装置开始工作，其中氢发生装置中的氢源为氢气或者氨气，经过等离子系统产生的激发源形成氢等离子体，扩散至硅片，10-30min后，关闭激发源，开始加热腔室，温度在100-200℃之间，10-30min后，开始进行光辐照硅片，光强大于0.5Suns(1Suns＝1000W/m2)，在1-15min后，腔室开始降温，在降温的过程中，保持光辐照，至50℃以下停止辐照。
作为优选，在步骤(4)中，所述的等离子体系统包括微波电源或者射频电源，所述微波电源产生的频率为2.45GHz，所述射频电源产生的频率为10-500KHz。
作为优选，在步骤(5)中，通入氮气清洗反应腔室后，调节腔体压强的范围在50-300Pa之间，反应腔的加热温度在150-300℃之间，臭氧发生装置以流量100-5000sccm通入臭氧，臭氧浓度80％以上，待温度和气流稳定，进行紫外光照处理，紫外光照处理的辐照光波长小于300nm，处理时间在2min以内，氧化处理过后，在发射区表面形成一层5nm以内的致密氧化层，腔室开始降温，腔室降温至50℃以下，硅片经由传送系统输送至出料台。
作为优选，在步骤(5)中，在发射区表面形成一层致密氧化层后，通入氮气进行腔室清洗，氢发生装置开始运行，对氧化层进行等离子体氢化处理后，腔室降温至50℃以下，硅片经由传送系统输送至出料台。进一步提高氧化层的钝化质量与电池片的转换效率。
作为优选，在步骤(6)中，在采用PECVD时，通入SiH4和NH3，在发射区上沉积一层SiNx薄膜，膜厚为70-90nm，折射率为1.9-2.2。
此外，本发明还提供了上述改善晶体硅太阳能电池片LID和PID方法的装置，包括进料台、反应腔、出料台、辐射光源、真空系统、等离子体系统、特气系统、加热及冷却系统、气压控制系统、传送系统和自动控制电路，所述的反应腔体内设有闸门阀，所述的辐照光源为紫外光、可见光或者红外光，所述的等离子体系统由微波电源或者射频电源组成，所述的特气系统包括氢发生装置和臭氧发生装置，所述的传送系统安装在进料台、反应腔和出料台上，所述的辐射光源和等离子体系统安装在反应腔内，所述的真空系统、特气系统、加热及冷却系统和气压控制系统均与反应腔连接，所述的辐射光源、真空系统、等离子体系统、特气系统、加热及冷却系统、气压控制系统和传送系统均与自动控制电路电连接。
反应腔体由闸门阀隔离。真空系统包括真空泵、角阀、真空规、密封元件及其他辅助元件；特气系统由氢发生装置和臭氧发生装置两部分组成，包括气缸、电磁阀、调压阀、储气阀、气管和其他辅助元件；加热及冷却系统包括加热系统和冷却系统，加热系统由加热器(红外加热管、加热板)、温控器和热电偶组成，冷却系统包括冷却器、流量计、阀门、过滤器及其他辅助元件；气压控制系统用于控制反应腔的压强；传送系统用于传输硅片，使其从进料台进入到反应腔内，处理之后再输送至出料台；电路自动控制系统由保护开关、接触器、继电器、变频器、PLC模块和计算机组成。
本发明的有益效果是：只需要在常规的晶体硅太阳能电池片生产工艺(制绒-扩散-边缘刻蚀-清洗-PECVD减反层镀膜-丝网印刷及烧结)中增加两道工艺，即氢化工艺和氧化工艺，便可在改善电池片LID和PID的同时，提高了电池片的转换效率，具有产业化推广的可行性与经济性。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是图1中反应腔的剖面结构示意图。
图中：1.进料台，2.反应腔，3.出料台，4.硅片，5.氢发生装置，6.臭氧发生装置，7.真空系统，8.加热及冷却系统，9.传送系统，10.辐射光源，11.闸门阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
1、硅片分选后，在碱性溶液(NaOH或者KOH溶液)进行粗抛去除杂质和损伤层；
2、碱性溶液(NaOH或者KOH溶液)或者酸性溶液(HF+HNO3溶液)中制绒后，清洗，甩干，绒面尺寸在5um以内；
3、扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，等离子体刻蚀去边结和二次清洗去除PSG(或者采用湿法刻蚀)，扩散方阻为80-120ohm/squ；
4、硅片4以16片为一组，放入本发明装置的传送系统9，输送至反应腔；采用真空系统7使反应腔2压强为1500mtorr；特气系统中的氢发生装置5输入的NH3或H2进过微波/射频激发源形成氢等离子体，扩散至硅片4，10min后，关闭激发源；腔室加热至100℃，30min后，光强为0.5suns的紫外光源开始辐照硅片，15min后，腔室开始降温，在降温的过程中，保持光辐照，至50℃以下停止光辐照；
5、通入氮气清洗反应腔室后，压强调节至100Pa；反应腔加热至300℃，臭氧发生装置6以流量100-5000sccm通入臭氧；待温度和气流稳定，进行1min的紫外辐照后，氧化处理过后，在发射区表面形成一层5nm以内的致密氧化层，再通入氮气进行腔室清洗，氢发生装置5开始运行，对氧化层进行等离子体氢化处理后，反应腔降温至50℃以下，硅片4经由传送系统输送至出料台；
6、进行正面减反层沉积，采用PECVD(通入SiH4和NH3)在发射区上沉积一层SiNx，膜厚为70-90nm，折射率为1.9-2.2；
7、背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
实施例2：
实施例1的步骤(4)中，氢等离子体处理时间增加至15min，其他工艺与实施例1相同。
实施例3：
实施例1的步骤(4)中，氢等离子体处理时间增加至30min，其他工艺与实施例1相同。
实施例4：
实施例1的步骤(4)中，氢等离子体处理时间增加至30min，温度增加至200℃，处理时间由30min减小至10min，光强增大至1suns，处理时间由15min降低至5min，其他工艺与实施例1相同。
实施例5：
实施例1的步骤(4)中，氢等离子体处理时间增加至30min，温度增加至200℃，处理时间由30min减小至10min，光强增大至3suns，处理时间由15min降低至1min，其他工艺与实施例1相同。
实施例6：
实施例1的步骤(5)中，压强调节至300Pa，加热系统加热至150℃，其他工艺与实施例1相同。
实施例7：
实施例1的步骤(5)中，压强调节至50Pa，加热系统加热至150℃，其他工艺与实施例1相同。
实施例8：
实施例1的步骤(5)中，压强调节至50Pa，加热系统加热至200℃，其他工艺与实施例1相同。
对比例1：
对比例1工艺为常规晶体硅电池片工艺，即不经过实施例1中的步骤(4)和步骤(5)工艺。
对比例2：
对比例2工艺不经过实施例1中的步骤(4)工艺，其他与实施例1相同。
对比例3：
对比例3工艺不经过实施例1中的步骤(5)工艺，其他与实施例1相同。
实施例与对比例具体测试结果如表1所示，所述电池片可以是单晶电池片或者多晶电池片，所述组件可以是单晶硅电池组件或者多晶硅电池组件(一定数量的电池片串联，如：60片，72片)，其中Voc为电池片开路电压，Isc为电池片短路电流，FF为电池片填充因子，Eff为电池片转化效率，ΔEff为电池片光衰后转换效率的下降幅度(绝对值)，ΔPm为组件PID测试后功率衰减百分比，具体PID测试条件为：温度85℃、湿度85％RH、-1000V偏压下96h。
表1
由对比例1和2与对比例3和实施例1-8比较可见，经氢化工艺处理后，电池片LID得到明显的改善；由对比例1与对比例3比较可见，经氢化处理后，电池片Voc得以提高；由对比例1和3与对比例2和实施例1-8比较可见，经氧化工艺处理后，晶体硅电池组件具有优异的抗PID效果；由对比例1与对比例2比较可见，氧化工艺处理后电池片Voc和Isc均得到提高，电池片转换效率有0.1％-0.2％的提高。
Claims (10)
1.改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在常规晶体硅太阳能电池片生产的扩散清洗工艺之后实施，硅片在光辐照条件下分别进行氢化和氧化两个关键工艺，以实现晶体硅硼氧键的钝化和发射区表面SiO2薄膜的生长，具体操作步骤如下：
(1)硅片分选后，在碱性溶液中进行粗抛去除杂质和损伤层；
(2)碱性溶液或者酸性溶液中制绒后，清洗，甩干；
(3)扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，刻蚀去边结和二次清洗去除PSG；
(4)氢化工艺：硅片放入到传送系统上，输送至具有一定压强的反应腔，氢发生装置开始工作，经过等离子系统产生的激发源形成氢等离子体，扩散至硅片，一定时间后，关闭激发源，开始加热腔室，腔室加热至一定温度，一定时间后，开始进行光辐照硅片，一定时间后，腔室开始降温，在降温的过程中，保持光辐照，至一定温度以下停止辐照；
(5)氧化工艺：通入氮气清洗反应腔室后，调节腔体压强，反应腔加热至一定温度，臭氧发生装置以一定流量通入臭氧，待温度和气流稳定，进行紫外光照处理，氧化处理过后，在发射区表面形成一层致密氧化层，腔室开始降温，至一定温度以下，硅片经由传送系统输送至出料台；
(6)进行正面减反层沉积，采用PECVD在发射区上沉积一层SiNx；
(7)背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
2.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(1)和(2)中，碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
3.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(2)中，酸性溶液为HF+HNO3溶液，绒面尺寸在5um以内。
4.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(3)中，采用等离子体刻蚀或者采用湿法刻蚀去边结和二次清洗去除PSG，扩散方阻为80-120ohm/squ。
5.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(4)中，一定数量的硅片为一组放入到传送系统上，输送至反应腔室，采用真空系统使腔室压强保持在1000-3000mTorr，氢发生装置开始工作，其中氢发生装置中的氢源为氢气或者氨气，经过等离子系统产生的激发源形成氢等离子体，扩散至硅片，10-30min后，关闭激发源，开始加热腔室，温度在100-200℃之间，10-30min后，开始进行光辐照硅片，光强大于0.5Suns，在1-15min后，腔室开始降温，在降温的过程中，保持光辐照，至50℃以下停止辐照。
6.根据权利要求1或5所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(4)中，所述的等离子体系统包括微波电源或者射频电源，所述微波电源产生的频率为2.45 GHz，所述射频电源产生的频率为10-500KHz。
7.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(5)中，通入氮气清洗反应腔室后，调节腔体压强的范围在50-300Pa之间，反应腔的加热温度在150-300℃之间，臭氧发生装置以流量100-5000sccm通入臭氧，臭氧浓度80％以上，待温度和气流稳定，进行紫外光照处理，紫外光照处理的辐照光波长小于300nm，处理时间在2min以内，氧化处理过后，在发射区表面形成一层5nm以内的致密氧化层，腔室开始降温，腔室降温至50℃以下，硅片经由传送系统输送至出料台。
8.根据权利要求1或7所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(5)中，在发射区表面形成一层致密氧化层后，通入氮气进行腔室清洗，氢发生装置开始运行，对氧化层进行等离子体氢化处理后，腔室降温至50℃以下，硅片经由传送系统输送至出料台。
9.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID的方法，其特征是，在步骤(6)中，在采用PECVD时，通入SiH4和NH3，在发射区上沉积一层SiNx薄膜，膜厚为70-90nm，折射率为1.9-2.2。
10.一种如权利要求1或2或3或4或5或7或9所述的改善晶体硅太阳能电池片LID和PID方法的装置，其特征是，包括进料台(1)、反应腔(2)、出料台(3)、辐射光源(10)、真空系统(7)、等离子体系统、特气系统、加热及冷却系统(8)、气压控制系统、传送系统(9)和自动控制电路，所述的反应腔(2)体内设有闸门阀(11)，所述的辐照光源为紫外光、可见光或者红外光，所述的等离子体系统由微波电源或者射频电源组成，所述的特气系统包括氢发生装置(5)和臭氧发生装置(6)，所述的传送系统(9)安装在进料台(1)、反应腔(2)和出料台(3)上，所述的辐射光源(10)和等离子体系统安装在反应腔(2)内，所述的真空系统(7)、特气系统、加热及冷却系统(8)和气压控制系统均与反应腔(2)连接，所述的辐射光源(10)、真空系统(7)、等离子体系统、特气系统、加热及冷却系统(8)、气压控制系统和传送系统(9)均与自动控制电路电连接。
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