CN105226112B - 一种高效晶硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种高效晶硅太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效晶硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：硅片清洗；纳微复合绒面制备；发射极制备；硅片边缘绝缘、背面抛光处理；正面二氧化硅层制备；背面钝化膜制备；正面减反射层制备；背面激光开槽；全铝背场制备；烧结；锡背电极制备；正面激光开槽；正面电极制备；退火。本发明采用反应离子刻蚀或金属辅助化学腐蚀方法制备了纳微复合结构绒面，全面增加了光的吸收利用，可有效提高太阳能电池转换效率；同时本发明采用电镀技术制备太阳能电池正电极，大幅度降低了贵金属的使用，降低了生产成本。

Description

一种高效晶硅太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及光伏电站领域中的晶体硅太阳能电池工艺领域，尤其涉及一种高效晶硅太阳能电池制备方法。
背景技术
随着光伏产业的发展，在电池片生产中，光电转换效率的提升和电池制造成本的降低已成为整个光伏产业发展的根本。
在各种太阳电池中，晶体硅电池一直占据着最重要的地位。近年来，在晶体硅太阳电池提高效率和降低成本方面取得了巨大成就和进展，进一步提高了它在未来光伏产业中的优势地位。
目前，晶体硅太阳能电池常规使用的工艺存在以下两个问题：第一，经过多年的发展，电池效率已经到了一个瓶颈，在常规工艺上进行优化提效效果微弱；第二，工艺过程中使用的贵金属较多，导致成本高昂。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种晶硅太阳能电池的制备方法，降低成产成本，提高电池效率。
技术方案：本发明所述高效晶硅太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）硅片清洗：清洗硅片，去除硅片表面损伤层；
（2）纳微复合绒面制备：首先在硅片正面制备微米级绒面，然后采用反应离子刻蚀或金属辅助化学刻蚀方法制备纳米级绒面，并将其嵌套于之前制备的微米级绒面上，形成纳微复合绒面，再通过化学药液清洗硅片表面，优化纳米绒面结构、去除表面残余脏污粒子；
（3）发射极制备：采用扩散或离子注入工艺制备发射极；
（4）硅片边缘绝缘、背面抛光处理及去除磷硅玻璃：先采用化学腐蚀方法，将硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，再将硅片放入HF溶液中，去除之前硅片表面形成的磷硅玻璃；化学品与硅片背面及边缘发生化学反应，从而去除边缘的PN结，背面与化学品接触较多，反应较为激烈，从而进行抛光的处理；
（5）正面二氧化硅层制备：在硅片正面生成一层二氧化硅；
（6）背面钝化膜制备：在硅片背面制备一层三氧化二铝+氮化硅的复合膜；
（7）正面减反射层制备：在硅片正面沉积双层氮化硅层，作为减反射层；
（8）背面激光开槽：通过激光在硅片背面开槽；
（9）全铝背场制备：采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；
（10）烧结：对硅片进行烧结；
（11）锡背电极制备：采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；
（12）正面激光开槽：通过激光在硅片正面开槽；
（13）正面电极制备：先镀镍层和铜层，再镀银层，作为正面电极；
（14）退火：对硅片进行退火。
本发明进一步优选地技术方案为，步骤（2）中反应离子刻蚀方法制备纳米级绒面的方法为：通过氧气、氯气或四氟化硫气体形成的等离子体在硅片正面刻蚀出纳米级绒面。
优选地，步骤（2）中金属辅助化学刻蚀方法制备纳米级绒面的方法为：利用金属离子诱导化学腐蚀反应进行，从而在硅片正面形成纳米级绒面。
优选地，步骤（2）中清洗硅片表面的溶液为BOE与双氧水及DI水混合溶液。
优选地，步骤（6）中所述背面钝化膜的制备方法为：采用等离子体增强化学气相沉积法制备的三氧化二铝+氮化硅结构，其中三氧化二铝的厚度为5~30 nm，氮化硅的厚度为60~150 nm。
优选地，步骤（6）中所述背面钝化膜制备方法为：先采用原子层沉积法制备三氧化二铝，厚度为5~25 nm，再经过低温退火后采用等离子体增强化学气相沉积法制备氮化硅，并叠加在三氧化二铝上，氮化硅的厚度为60~150 nm。
优选地，步骤（5）中正面二氧化硅的制备方法为：采用臭氧氧化方法或热氧化法，在硅片表面生长一层二氧化硅，其厚度为2~10 nm。
优选地，步骤（7）中正面减反射层制备方法为：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积双层氮化硅，其中第一层厚度为15~30 nm，折射率为2.15~2.3；第二层厚度为50~60nm，折射率为2.0~2.1。
优选地，步骤（8）中背面激光开槽采用纳秒绿光或皮秒紫外光作为光源，开槽数目为90~150根、槽宽为40~150 μm。
优选地，步骤（12）中正面激光开槽采用皮秒紫外光作为光源，开槽数目为90~150根，槽宽20~40μm。
优选地，步骤（3）中发射极的方块电阻为95~100欧姆。
优选地，步骤（13）中正面电极的制备方法为：先化学镀镍，镍层厚度为2~5 μm，然后采用光诱导电镀铜，铜层厚度为15~25μm，最后再采用化学镀银，银层厚度为3~6μm。
有益效果：（1）本发明采用反应离子刻蚀或金属辅助化学腐蚀方法在微米级绒面基础上制备纳米级绒面，从而形成了纳微复合结构绒面，反射率显著低于现有绒面的反射率，全面增加了光的吸收利用，可有效提高太阳能电池转换效率；同时本发明采用电镀技术制备太阳能电池正电极，大幅度降低了贵金属的使用，降低了生产成本；
（2）本发明采用了边缘绝缘和背面抛光相结合工艺，既能去除边缘PN结，防止漏电，又能起到背面抛光的效果，并去除磷硅玻璃，提高电池转换效率；
（3）本发明在硅片的正面生成一层二氧化硅层，既能起到有效防止电站端电势诱导衰减（PID）情况的发生，又起到了正面钝化效果；
（4）本发明在硅片背面制备一层三氧化二铝+氮化硅的复合膜，充分钝化硅片表面，从电学角度充分利用了太阳光的能量；
（5）本发明的硅片背面电极采用超声波辅助焊接锡的方法，既能降低成本，减少了贵金属的使用，又能起到良好的导电作用。
附图说明
图1为本发明所述高效晶硅太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
下列各实施例中硅片均采用P型多晶硅片。
实施例1：（1）清洗硅片；（2）在硅片正面采用反应离子刻蚀方法制备纳微复合绒面，再使用BOE与双氧水及DI水混合溶液清洗硅片表面；（3）采用扩散工艺制备发射极，发射极的方块电阻为95欧姆；（4）硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，去除边缘PN结及表面磷硅玻璃，同时背面抛光，背面抛光后反射率控制在30；（5）采用臭氧氧化方法，在硅片表面生长一层二氧化硅，厚度为2nm；（6）在硅片背面采用等离子体增强化学气相沉积法（即PECVD）制备三氧化二铝+氮化硅复合膜，其中三氧化二铝的厚度为5 nm，氮化硅的厚度为60 nm；（7）采用PECVD方法在硅片正面沉积双层氮化硅作为减反射层，其中第一层厚度为15 nm，折射率为2.15；第二层厚度为50nm，折射率为2.0；（8）采用纳秒绿光作为光源，在硅片背面开槽，开槽数目为90根、槽宽为40 μm；（9）采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；（10）使用快速烧结炉对硅片进行烧结，峰值炉温在600℃，时间为1min；（11）采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；（12）采用皮秒紫外光作为光源在硅片正面开槽，开槽数目为90根，槽宽20 μm；（13）在硅片正面先化学镀镍，镍层厚度为2 μm，然后采用光诱导电镀铜，铜层厚度为15μm，最后再采用化学镀银，银层厚度为3μm，作为正面电极；（14）采用快速退火炉对硅片退火，得到太阳能电池片样品1。
实施例2：（1）清洗硅片；（2）在硅片正面采用金属辅助化学刻蚀方法制备纳微复合绒面，再使用BOE与双氧水及DI水混合溶液清洗硅片表面；（3）采用离子注入工艺制备发射极，发射极的方块电阻为100欧姆；（4）硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，去除边缘PN结及表面磷硅玻璃，同时背面抛光，背面抛光后反射率控制在33；（5）采用热氧化法，在硅片表面生长一层二氧化硅，厚度为10 nm；（6）在硅片背面先采用原子层沉积法（即ALD）制备三氧化二铝，厚度为25 nm，再经过低温退火后采用PECVD方法制备氮化硅，并叠加在三氧化二铝上，氮化硅的厚度为150 nm；（7）采用PECVD方法在硅片正面沉积双层氮化硅作为减反射层，其中第一层厚度为30 nm，折射率为2.3；第二层厚度为60 nm，折射率为2.1；（8）采用皮秒紫外光作为光源，在硅片背面开槽，开槽数目为150根、槽宽为150 μm；（9）采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；（10）使用快速烧结炉对硅片进行烧结，峰值炉温在900℃，时间为1min；（11）采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；（12）采用皮秒紫外光作为光源在硅片正面开槽，开槽数目为150根，槽宽40 μm；（13）在硅片正面先化学镀镍，镍层厚度为5 μm，然后采用光诱导电镀铜，铜层厚度为25μm，最后再采用化学镀银，银层厚度为6μm，作为正面电极；（14）采用快速退火炉对硅片退火，得到太阳能电池片样品2。
实施例3：（1）清洗硅片；（2）在硅片正面采用金属辅助化学刻蚀方法制备纳微复合绒面，再使用BOE与双氧水及DI水混合溶液清洗硅片表面；（3）采用离子注入工艺制备发射极，发射极的方块电阻为95欧姆；（4）硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，去除边缘PN结及表面磷硅玻璃，同时背面抛光，背面抛光后反射率控制在30；（5）采用热氧化法，在硅片表面生长一层二氧化硅，厚度为2nm；（6）在硅片背面先采用ALD方法制备三氧化二铝，厚度为5 nm，再经过低温退火后采用PECVD方法制备氮化硅，并叠加在三氧化二铝上，氮化硅的厚度为60 nm；（7）采用PECVD方法在硅片正面沉积双层氮化硅作为减反射层，其中第一层厚度为15 nm，折射率为2.15；第二层厚度为50nm，折射率为2.0；（8）采用皮秒紫外光作为光源，在硅片背面开槽，开槽数目为90根、槽宽为40 μm；（9）采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；（10）使用快速烧结炉对硅片进行烧结，峰值炉温在600℃，时间为1min；（11）采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；（12）采用皮秒紫外光作为光源在硅片正面开槽，开槽数目为90根，槽宽20 μm；（13）在硅片正面先化学镀镍，镍层厚度为2 μm，然后采用光诱导电镀铜，铜层厚度为15μm，最后再采用化学镀银，银层厚度为3μm，作为正面电极；（14）采用快速退火炉对硅片退火，得到太阳能电池片样品3。
实施例4：（1）清洗硅片；（2）在硅片正面采用反应离子刻蚀方法制备纳微复合绒面，再使用BOE与双氧水及DI水混合溶液清洗硅片表面；（3）采用扩散工艺制备发射极，发射极的方块电阻为98欧姆；（4）硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，去除边缘PN结及表面磷硅玻璃，同时背面抛光，背面抛光后反射率控制在31；（5）采用臭氧氧化方法，在硅片表面生长一层二氧化硅，厚度为6 nm；（6）在硅片背面采用PECVD方法制备三氧化二铝+氮化硅复合膜，其中三氧化二铝的厚度为15 nm，氮化硅的厚度为100 nm；（7）采用PECVD方法在硅片正面沉积双层氮化硅作为减反射层，其中第一层厚度为20 nm，折射率为2.2；第二层厚度为55 nm，折射率为2.0；（8）采用纳秒绿光作为光源，在硅片背面开槽，开槽数目为120根、槽宽为100 μm；（9）采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；（10）使用快速烧结炉对硅片进行烧结，峰值炉温在750 ℃，时间为1min；（11）采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；（12）采用皮秒紫外光作为光源在硅片正面开槽，开槽数目为120根，槽宽30 μm；（13）在硅片正面先化学镀镍，镍层厚度为4 μm，然后采用光诱导电镀铜，铜层厚度为20 μm，最后再采用化学镀银，银层厚度为5 μm，作为正面电极；（14）采用快速退火炉对硅片退火，得到太阳能电池片样品4。
对比例：采用现有常规产线技术，（1）清洗硅片，在硝酸、氢氟酸混合液中进行制绒；（2）采用扩散工艺制备发射极，发射极的方块电阻为90欧姆；（3）硅片去除边缘PN结及表面磷硅玻璃；（4）采用臭氧氧化方法，在硅片表面生长一层二氧化硅；（5）采用PECVD方法在硅片正面沉积双层氮化硅作为减反射层；（ 6）采用丝网印刷工艺，制备电池片的背电极、背电场和正电极；（7）通过快速烧结工艺对硅片进行烧结，得到太阳能电池样品5。此样品作为比较例。
将上述实施例所得到的样品1、2、3、4与现有技术的电池片样品5的电性能相比较，结果如下：
样品序号 Voc/V Isc/A FF/% Eta/%
1 0.6605 9.278 79.48 20.02
2 0.6635 9.135 79.54 19.81
3 0.6700 8.992 79.44 19.67
4 0.6691 9.182 79.55 20.08
现有技术 0.6323 8.764 78.76 18.27
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）硅片清洗：清洗硅片，去除硅片表面损伤层；
（2）纳微复合绒面制备：首先在硅片正面制备微米级绒面，然后采用反应离子刻蚀或金属辅助化学刻蚀方法制备纳米级绒面，并将其嵌套于之前制备的微米级绒面上，形成纳微复合绒面，再通过化学药液清洗硅片表面，优化纳米绒面结构、去除表面残余脏污粒子；
（3）发射极制备：采用扩散或离子注入工艺制备发射极；
（4）硅片边缘绝缘、背面抛光处理及去除磷硅玻璃：先采用化学腐蚀方法，将硅片正面用水膜保护，背面直接与腐蚀化学品接触，再将硅片放入HF溶液中，去除之前硅片表面形成的磷硅玻璃；
（5）正面二氧化硅层制备：在硅片正面生成一层二氧化硅；
（6）背面钝化膜制备：采用等离子体增强化学气相沉积法制备三氧化二铝+氮化硅结构，其中三氧化二铝的厚度为5~30 nm，氮化硅的厚度为60~150 nm；或先采用原子层沉积法制备三氧化二铝，厚度为5~25 nm，再经过低温退火后采用等离子体增强化学气相沉积法制备氮化硅，并叠加在三氧化二铝上，氮化硅的厚度为60~150 nm；
（7）正面减反射层制备：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积双层氮化硅，其中第一层厚度为15~30 nm，折射率为2.15~2.3；第二层厚度为50~60 nm，折射率为2.0~2.1；
（8）背面激光开槽：通过激光在硅片背面开槽；
（9）全铝背场制备：采用丝网印刷工艺，在硅片背面印刷铝浆制备全铝背场；
（10）烧结：对硅片进行烧结；
（11）锡背电极制备：采用超声波辅助焊接方式，在铝背场上直接焊接锡背电极；
（12）正面激光开槽：通过激光在硅片正面开槽；
（13）正面电极制备：先镀镍层和铜层，再镀银层，作为正面电极；
（14）退火：对硅片进行退火。
2.根据权利要求1所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中反应离子刻蚀方法制备纳米级绒面的方法为：通过氧气、氯气或四氟化硫气体形成的等离子体在硅片正面刻蚀出纳米级绒面。
3.根据权利要求1所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中金属辅助化学刻蚀方法制备纳米级绒面的方法为：利用金属离子诱导化学腐蚀反应进行，从而在硅片正面形成纳米级绒面。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中清洗硅片表面的化学溶液为BOE与双氧水及DI水混合溶液。
5.根据权利要求1所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（5）中正面二氧化硅的制备方法为：采用臭氧氧化方法或热氧化法，在硅片表面生长一层二氧化硅，其厚度为2~10 nm。
6.根据权利要求1所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（8）中背面激光开槽采用纳秒绿光或皮秒紫外光作为光源，开槽数目为90~150根、槽宽为40~150μm。
7.根据权利要求1所述的高效晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（12）中正面激光开槽采用皮秒紫外光作为光源，开槽数目为90~150根，槽宽20~40μm。
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