CN105702803A - 一种制造高效率多晶电池的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造高效率多晶电池的工艺，依次包括硅片表面制绒、扩散、刻蚀、氮化硅薄膜沉积、印刷烧结步骤，其特征在于：在所述的硅片表面制绒步骤与扩散步骤之间增加反应离子刻蚀制绒步骤，在所述的刻蚀步骤和氮化硅薄膜沉积步骤之间增加镀Al2O3膜步骤，在所述的硅片背面沉积Al2O3膜；在所述的氮化硅薄膜沉积步骤和所述的印刷烧结步骤之间增加激光开槽步骤，在所述的Al2O3膜上激光开槽。应用本发明的工艺制成的多晶电池片的光电转换效率能够得到提高。

Description

一种制造高效率多晶电池的工艺
技术领域
本发明涉及光伏电池的制造工艺，具体涉及一种制造高效率多晶电池的工艺。
背景技术
光伏行业正处于一个行业发展上升期，技术创新经过近几年的突飞猛进，已渐近瓶颈的阶段，而电池技术的发展对整个光伏行业又至关重要。传统的多晶电池生产工艺如图1所示，分六个步骤，依次为：（1）硅片表面制绒；（2）扩散；（3）刻蚀；（4）氮化硅薄膜沉积（PECVD）；（5）印刷烧结；（6）包装。其中，硅片表面制绒步骤指的是按照传统多晶湿法制绒方式制绒，即使用硝酸、氢氟酸混合溶液，在6~10℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面；扩散步骤指的是将制绒后的硅片放在扩散炉中，使硅片内部形成PN结；刻蚀步骤指的是通过化学腐蚀法，去除电池边缘的PN结；氮化硅薄膜沉积步骤指的是使用利用PECVD技术，在电池片正面沉积一层氮化硅薄膜；印刷烧结步骤指的是使用丝网印刷技术，印刷电池片的正负电极及铝背场，实现铝背场与电池片基体的连通，再通过烘干、烧结，达到背面接触的效果。
目前，行业内对于晶硅高效电池工艺正进行努力探索，不断挖掘。目前已经存在产业化的应用于多晶电池工艺的RIE（反应离子制绒）技术（如晶澳公司的Riecium产品），也存在应用于单晶电池工艺的PERC（钝化发射极背面接触）技术（如晶澳公司的Percium产品）；此外，美国1366TECHnologies公司亦宣称其已经研发出多晶PERC产品。这几种新技术虽然使得整个晶硅电池效率得到大幅度提升，但对于多晶电池，多晶RIE产品或是多晶PERC产品，要做到产业化电池效率19.5%以上甚至20%，都是比较困难的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造高效率多晶电池的工艺，应用该工艺制成的多晶电池片的光电转换效率能够得到提高。
一种制造高效率多晶电池的工艺，依次包括硅片表面制绒、扩散、刻蚀、氮化硅薄膜沉积、印刷烧结步骤，其特征在于：在所述的硅片表面制绒步骤与扩散步骤之间增加反应离子刻蚀制绒步骤，在所述的刻蚀步骤和氮化硅薄膜沉积步骤之间增加镀Al2O3膜步骤，在所述的硅片背面沉积Al2O3膜；在所述的氮化硅薄膜沉积和所述的印刷烧结步骤之间增加开槽步骤，在所述的Al2O3膜上开槽。
新增的反应离子刻蚀制绒步骤能使硅片正面形成具有进一步陷光功能的纳米级微观结构，降低多晶电池片正面的光反射率，提高光转化效率；在电池片背面加镀Al2O3膜，不仅能增加电池片背面的光反射率，从而提高光转化效率，且Al2O3膜对硅片的钝化效果好，能使电池片的电流、电压均有增加，从而整体提升多晶电池片效率。由于铝背场难以烧穿氧化铝层到达硅体，因此必须在印刷烧结前先在氧化铝层上开槽，以便于在印刷烧结步骤中容易地达到铝背场与硅片基体的连通。
具体而言，所述的开槽步骤为：利用激光技术，在所述的Al2O3膜上开深度为1~5μm的槽。这样的深度既能够满足铝背场与硅片基体的良好接触，又不会对电池片的机械性能造成较大破坏。除了使用激光技术外，也可以使用现有技术中其它常规使用的开槽方法进行开槽。
具体而言，所述的反应离子刻蚀制绒步骤为：使用O2、SF6反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀。此外，也可以使用现有技术中其它的常规使用的反应离子体系，进行本步骤的刻蚀制绒，例如SF6和Cl2反应离子，或SF6和Cl2和O2反应离子。然而，由于Cl2属于剧毒气体，故优选使用O2/SF6作为反应离子。
具体而言，所述的镀Al2O3膜步骤为：通过ALD（单原子层沉积）技术，在硅片背面沉积Al2O3膜，膜的厚度为2~20nm。
除了ALD技术外，还可以使用本领域已知的其它方法，如物理气相沉积法、化学液相淀积法、脉冲溅射沉积法等进行镀Al2O3膜。然而，与其它镀膜方式相比，ALD技术具有以下几个重要优势：
(1）保形性好，适于在深沟槽和多孔状结构表面沉积；
（2）无针孔和颗粒沉积，薄膜致密性好；
（3）可以大面积生长并得到均匀薄膜；
（4）杂质浓度非常低，薄膜质量高。
因此，本发明优选使用ALD技术进行镀Al2O3膜。
优选地，在所述的反应离子制绒蚀刻步骤后增加BOE清洗步骤。
所述的BOE清洗步骤为使用缓冲氧化物蚀刻液（BOE）对硅片进行清洗，以去除反应离子制绒对硅片表面带来的损伤。
在一个优选的实施方式中，BOE清洗液为NH4F:HF按照摩尔比6:1配成的溶液。
优选地，在所述的印刷烧结步骤结束后，进行包装步骤。
本发明的有益效果如下：
（1）对传统工艺产线进行了充分利用，在不需要进行工艺产线改造的前提下增加工艺步骤，易于推广，且推广成本低；
（2）本发明的工艺能显著地提高制得的多晶电池片的光电转换电池效率，使多晶高效电池效率能够达到19.5%以上。
附图说明
下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的说明。
图1为现有的多晶电池生产工艺流程图；
图2为本发明的优选实施方式的多晶电池生产工艺流程图；
图3为各工艺流程后电池片剖面示意图。
附图标记：1-绒面结构；2-PN结层；3-Al2O3膜；4-槽；5-铝背场；6-正面电极；7-背面电极。
具体实施方式
实施例1
如图2~3所示，在一个优选的实施方式中，本发明的制造高效率多晶电池的工艺包括以下具体步骤：
（1）制绒：采用P型多晶硅片，按照传统多晶湿法制绒方式制绒：即使用Rena制绒机台，使用质量比为70：520的硝酸、氢氟酸混合溶液，在6℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面，本步骤中硅片被腐蚀的深约为2微米；制绒后在硅片表面形成的坑状陷光结构如图3（a）所示；
（2）反应离子刻蚀制绒：使用常州比太科技生产的Tysol-RIE制绒机台进行本步骤；利用O2及SF6在制绒机台真空腔体中产生的反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀，形成如图3（b）所示的、具有进一步陷光功能的纳米级微观结构；
（3）BOE清洗：使用NH4F:HF按照摩尔比6:1配成的清洗液，清洗反应离子制绒在硅片表面留下的损伤；
（4）扩散：对于P型硅片，通过高温扩散炉，使用三氯氧磷实现磷元素在硅片表面的扩散，扩散温度一般控制在800℃，扩散方阻在70Ω左右；如图3（c）所示，扩散步骤后在硅片表面形成一层PN结；
（5）刻蚀：可采用湿法刻蚀技术进行刻蚀，即使用Rena刻蚀机台，使用硝酸、氢氟酸混合溶液在6℃的温度下刻蚀，刻蚀深度控制在1微米；在刻蚀时需对电池片正面进行保护，防止药液对电池片正面PN结造成损伤；利用硅片在液体表面的张力，使硅片悬浮在液体表面，保证正面不被药液腐蚀；
（6）镀Al 2 O 3 膜：如图3（d）所示，使用ALD技术，在硅片背面沉积一层Al2O3膜；膜层厚度为3nm；
（7）氮化硅薄膜沉积（PECVD)：利用PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法）技术，在硅片正面沉积一层如图3（e）所示的SiNx薄膜；可使用间接沉积方式进行镀膜，即使用Roth&Rou公司生产的的板式镀膜机台进行镀膜作业，并将温度控制在300℃，薄膜厚度控制在70纳米，折射率控制在2.0；
（8）激光开槽：使用超短通过纳秒类超短脉冲激光器，如Rofin公司生产的DualLinec-Si激光处理系统，在硅片背面按照设定好的图形进行激光开槽，用于铝背场与硅片基体的连通；如图3（f）所示，开槽的深度为1μm；
（9）印刷烧结：利用丝网印刷技术，按照设计好的图形印刷电池片的正负电极及铝背场，一般印刷次序为先印刷铝背场，再印刷背面电极，之后印刷正面电极，然后进行烘干烧结工艺；烧结峰值温度控制在800℃；得到的电池如图3（g）所示；
（10）包装：对制作完成的电池片进行检测、包装。
按照以上方法，制作出的电池的平均效率能够达到19.8%，且部分电池的效率可达到20%以上。
实施例2
在另一个优选的实施方式中，本发明的制造高效率多晶电池的工艺包括以下具体步骤：
（1）制绒：采用P型多晶硅片，按照传统多晶湿法制绒方式制绒：即使用Schmid制绒机台，使用质量比为70：520的硝酸、氢氟酸混合溶液，在10℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面，本步骤中硅片被腐蚀的深约为5微米；制绒后在硅片表面形成的坑状陷光结构如图3（a）所示；
（2）反应离子刻蚀制绒：使用常州比太科技生产的Tysol-RIE制绒机台进行本步骤；利用O2及SF6在制绒机台真空腔体中产生的反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀，形成如图3（b）所示的、具有进一步陷光功能的纳米级微观结构；
（3）扩散：对于P型硅片，通过高温扩散炉，使用三氯氧磷实现磷元素在硅片表面的扩散，扩散温度一般控制在900℃，扩散方阻在90Ω左右；如图3（c）所示，扩散步骤后在硅片表面形成一层PN结
（4）刻蚀：可采用湿法刻蚀技术进行刻蚀，即使用Schmid刻蚀机台，使用硝酸、氢氟酸混合溶液在10℃的温度下刻蚀，刻蚀深度控制在4微米；在刻蚀时需对电池片正面进行保护，防止药液对电池片正面PN结造成损伤；可采用硅片表面喷洒水膜的方式，对硅片正面进行保护；
（5）镀Al 2 O 3 膜：如图3（d）所示，使用ALD技术，在硅片背面沉积一层Al2O3膜；膜层厚度为10nm；
（6）氮化硅薄膜沉积（PECVD)：利用PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法）技术，在硅片正面沉积一层如图3（e）所示的SiNx薄膜；可使用间接沉积方式进行镀膜，即使用Roth&Rou公司生产的的板式镀膜机台进行镀膜作业，并将温度控制在400℃，薄膜厚度控制在100纳米，折射率控制在2.2；
（7）激光开槽：使用超短通过纳秒类超短脉冲激光器，如Rofin公司生产的DualLinec-Si激光处理系统，在硅片背面按照设定好的图形进行激光开槽，用于铝背场与硅片基体的连通；如图3（f）所示，一般开槽的深度为5μm
（8）印刷烧结：利用丝网印刷技术，按照设计好的图形印刷电池片的正负电极及铝背场，一般印刷次序为先印刷铝背场，再印刷背面电极，之后印刷正面电极，然后进行烘干烧结工艺；烧结峰值温度控制在900℃；得到的电池如图3（g）所示。
按照以上方法，制作出的电池的平均效率能够达到16.8%，且部分电池的效率可达到20%以上。
实施例3
本发明的制造高效率多晶电池的工艺包括以下具体步骤：
（1）制绒：采用P型多晶硅片，按照传统多晶湿法制绒方式制绒：即使用Rena制绒机台，使用质量比为70：520的硝酸、氢氟酸混合溶液，在8℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面，本步骤中硅片被腐蚀的深约为4微米；制绒后在硅片表面形成的坑状陷光结构如图3（a）所示；
（2）反应离子刻蚀制绒：使用常州比太科技生产的Tysol-RIE制绒机台进行本步骤；利用SF6和Cl2在制绒机台真空腔体中产生的反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀，形成如图3（b）所示的、具有进一步陷光功能的纳米级微观结构；
（3）BOE清洗：使用NH4F:HF按照摩尔比6:1配成的清洗液，清洗反应离子制绒在硅片表面留下的损伤；
（4）扩散：对于P型硅片，通过高温扩散炉，使用三氯氧磷实现磷元素在硅片表面的扩散，扩散温度一般控制在850℃，扩散方阻在75Ω左右；如图3（c）所示，扩散步骤后在硅片表面形成一层PN结；
（5）刻蚀：可采用湿法刻蚀技术进行刻蚀，即使用Rena刻蚀机台，使用硝酸、氢氟酸混合溶液在8℃的温度下刻蚀，刻蚀深度控制在2微米；在刻蚀时需对电池片正面进行保护，防止药液对电池片正面PN结造成损伤；利用硅片在液体表面的张力，使硅片悬浮在液体表面，保证正面不被药液腐蚀；
（6）镀Al 2 O 3 膜：如图3（d）所示，使用ALD技术，在硅片背面沉积一层Al2O3膜；膜层厚度为5nm；
（7）氮化硅薄膜沉积（PECVD)：利用PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法）技术，在硅片正面沉积一层如图3（e）所示的SiNx薄膜；可使用间接沉积方式进行镀膜，即使用Roth&Rou公司生产的的板式镀膜机台进行镀膜作业，并将温度控制在350℃，薄膜厚度控制在80纳米，折射率控制在2.1；
（8）激光开槽：使用超短通过纳秒类超短脉冲激光器，如Rofin公司生产的DualLinec-Si激光处理系统，在硅片背面按照设定好的图形进行激光开槽，用于铝背场与硅片基体的连通；如图3（f）所示，开槽的深度为3μm；
（9）印刷烧结：利用丝网印刷技术，按照设计好的图形印刷电池片的正负电极及铝背场，一般印刷次序为先印刷铝背场，再印刷背面电极，之后印刷正面电极，然后进行烘干烧结工艺；烧结峰值温度控制在850℃；得到的电池如图3（g）所示；
（10）包装：对制作完成的电池片进行检测、包装。
按照以上方法，制作出的电池的平均效率能够达到19%，且部分电池的效率可达到20%以上。
实施例4
本发明的制造高效率多晶电池的工艺包括以下具体步骤：
（1）制绒：采用P型多晶硅片，按照传统多晶湿法制绒方式制绒：即使用Rena制绒机台，使用质量比为70：520的硝酸、氢氟酸混合溶液，在7℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面，本步骤中硅片被腐蚀的深约为3微米；制绒后在硅片表面形成的坑状陷光结构如图3（a）所示；
（2）反应离子刻蚀制绒：使用常州比太科技生产的Tysol-RIE制绒机台进行本步骤；利用SF6和Cl2在制绒机台真空腔体中产生的反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀，形成如图3（b）所示的、具有进一步陷光功能的纳米级微观结构；
（3）BOE清洗：使用NH4F:HF按照摩尔比7:1配成的清洗液，清洗反应离子制绒在硅片表面留下的损伤；
（4）扩散：对于P型硅片，通过高温扩散炉，使用三氯氧磷实现磷元素在硅片表面的扩散，扩散温度一般控制在870℃，扩散方阻在86Ω左右；如图3（c）所示，扩散步骤后在硅片表面形成一层PN结；
（5）刻蚀：可采用湿法刻蚀技术进行刻蚀，即使用Rena刻蚀机台，使用硝酸、氢氟酸混合溶液在9℃的温度下刻蚀，刻蚀深度控制在3微米；在刻蚀时需对电池片正面进行保护，防止药液对电池片正面PN结造成损伤；利用硅片在液体表面的张力，使硅片悬浮在液体表面，保证正面不被药液腐蚀；
（6）镀Al 2 O 3 膜：如图3（d）所示，使用化学液相淀积法，在硅片背面沉积一层Al2O3膜；膜层厚度为8nm；
（7）氮化硅薄膜沉积（PECVD)：利用PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法）技术，在硅片正面沉积一层如图3（e）所示的SiNx薄膜；可使用间接沉积方式进行镀膜，即使用Roth&Rou公司生产的的板式镀膜机台进行镀膜作业，并将温度控制在390℃，薄膜厚度控制在85纳米，折射率控制在2.1；
（8）激光开槽：使用超短通过纳秒类超短脉冲激光器，如Rofin公司生产的DualLinec-Si激光处理系统，在硅片背面按照设定好的图形进行激光开槽，用于铝背场与硅片基体的连通；如图3（f）所示，开槽的深度为4μm；
（9）印刷烧结：利用丝网印刷技术，按照设计好的图形印刷电池片的正负电极及铝背场，一般印刷次序为先印刷铝背场，再印刷背面电极，之后印刷正面电极，然后进行烘干烧结工艺；烧结峰值温度控制在820℃；得到的电池如图3（g）所示；
（10）包装：对制作完成的电池片进行检测、包装。
按照以上方法，制作出的电池的平均效率能够达到18.6%，且部分电池的效率可达到20%以上。
实施例5
如图2~3所示，在一个优选的实施方式中，本发明的制造高效率多晶电池的工艺包括以下具体步骤：
（1）制绒：采用P型多晶硅片，按照传统多晶湿法制绒方式制绒：即使用Rena制绒机台，使用质量比为70：520的硝酸、氢氟酸混合溶液，在6℃的温度下制绒，形成表面具有陷光结构的绒面，本步骤中硅片被腐蚀的深约为3微米；制绒后在硅片表面形成的坑状陷光结构如图3（a）所示；
（2）反应离子刻蚀制绒：使用常州比太科技生产的Tysol-RIE制绒机台进行本步骤；利用SF6、Cl2和O2在制绒机台真空腔体中产生的反应离子，对硅片表面进行轰击刻蚀，形成如图3（b）所示的、具有进一步陷光功能的纳米级微观结构；
（3）BOE清洗：使用NH4F:HF按照摩尔比5:1配成的清洗液，清洗反应离子制绒在硅片表面留下的损伤；
（4）扩散：对于P型硅片，通过高温扩散炉，使用三氯氧磷实现磷元素在硅片表面的扩散，扩散温度一般控制在820℃，扩散方阻在73Ω左右；如图3（c）所示，扩散步骤后在硅片表面形成一层PN结；
（5）刻蚀：可采用湿法刻蚀技术进行刻蚀，即使用Rena刻蚀机台，使用硝酸、氢氟酸混合溶液在9℃的温度下刻蚀，刻蚀深度控制在1微米；在刻蚀时需对电池片正面进行保护，防止药液对电池片正面PN结造成损伤；利用硅片在液体表面的张力，使硅片悬浮在液体表面，保证正面不被药液腐蚀；
（6）镀Al 2 O 3 膜：如图3（d）所示，使用物理气相沉积法，在硅片背面沉积一层Al2O3膜；膜层厚度为3nm；
（7）氮化硅薄膜沉积（PECVD)：利用PECVD（增强型等离子体化学气相沉积法）技术，在硅片正面沉积一层如图3（e）所示的SiNx薄膜；可使用间接沉积方式进行镀膜，即使用Roth&Rou公司生产的的板式镀膜机台进行镀膜作业，并将温度控制在300℃，薄膜厚度控制在70纳米，折射率控制在2.0；
（8）激光开槽：使用超短通过纳秒类超短脉冲激光器，如Rofin公司生产的DualLinec-Si激光处理系统，在硅片背面按照设定好的图形进行激光开槽，用于铝背场与硅片基体的连通；如图3（f）所示，开槽的深度为2μm；
（9）印刷烧结：利用丝网印刷技术，按照设计好的图形印刷电池片的正负电极及铝背场，一般印刷次序为先印刷铝背场，再印刷背面电极，之后印刷正面电极，然后进行烘干烧结工艺；烧结峰值温度控制在800℃；得到的电池如图3（g）所示；
（10）包装：对制作完成的电池片进行检测、包装。
按照以上方法，制作出的电池的平均效率能够达到19.5%，且部分电池的效率可达到20%以上。

Claims (9)

1.一种制造高效率多晶电池的工艺，依次包括硅片表面制绒、扩散、刻蚀、氮化硅薄膜沉积、印刷烧结步骤，其特征在于：在所述的硅片表面制绒步骤与扩散步骤之间增加反应离子刻蚀制绒步骤，在所述的刻蚀步骤和氮化硅薄膜沉积步骤之间增加镀Al2O3膜步骤，在所述的硅片背面沉积Al2O3膜；在所述的氮化硅薄膜沉积步骤和所述的印刷烧结步骤之间增加激光开槽步骤，在所述的Al2O3膜上激光开槽。
2.根据权利要求1所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所述的反应离子刻蚀制绒步骤为：使用O2、SF6反应离子或Cl2、SF6反应离子或SF6、Cl2和O2反应离子，对所述的硅片表面进行轰击刻蚀。
3.根据权利要求2所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所述的反应离子刻蚀制绒步骤为：使用O2、SF6反应离子，对所述的硅片表面进行轰击刻蚀。
4.根据权利要求1所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所述的镀Al2O3膜步骤为：通过单原子层沉积法、物理气相沉积法、化学液相淀积法或脉冲溅射沉积法，在所述的硅片背面沉积厚度为2~20nm的Al2O3膜。
5.根据权利要求4所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所述的镀Al2O3膜步骤为：通过单原子层沉积法，在所述的硅片背面沉积厚度为2~20nm的Al2O3膜。
6.根据权利要求1所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所述的开槽步骤为：利用激光技术，在所述的Al2O3膜上开深度为1~5μm的槽。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：在所述的反应离子制绒蚀刻步骤后增加BOE清洗步骤，对所述的硅片表面进行清洗。
8.根据权利要求7所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：所使用的BOE清洗液为NH4F:HF按照摩尔比5~7:1配成的溶液。
9.根据权利要求8所述的制造高效率多晶电池的工艺，其特征在于：在所述的印刷烧结步骤结束后，进行包装步骤。
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