CN105762228B - 一种新型太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型太阳能电池的制备方法，为了降低太阳能电池的制作成本与提高转换效率，本发明采用物理提纯法制作衬底硅片；用等离子体增强化学气相沉积法制备氮化硅薄膜；用石墨吸盘蘸取的方法制备多晶硅薄膜；太阳能电池片经退火处理后再利用皮秒激光器在太阳能电池片背面开孔；最后利用常规太阳能电池PN结、减反膜和电极的制作方法，完成太阳能电池的制作。本太阳能电池的制备方法无需铸锭、切片，安全、无污染、工艺简单，能够使太阳能电池的生产成本大幅下降；另外，结合PERC太阳能电池的制备方法，提高了太阳能电池的转换效率，能够实现工业化大规模生产低成本、高效的太阳能电池。

Description

一种新型太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型太阳能电池的制备方法,属于新能源领域。
背景技术
能源和环境问题是二十一世纪人类面临两大主题。晶体硅太阳能电池是将太阳能转换为电能的一种半导体器件，在不久的将来，光伏发电将会部分取代传统化石能源在能源结构中的地位。目前制约硅晶体太阳能电池大规模应用的主要障碍仍然是成本和效率问题。提高太阳能电池的转换效率，降低生产成本是光伏研究的重点和始终追求的目标。在硅太阳能电池成本中硅片大约占了30％-40％，所以继续降低硅片的成本仍是一个重要的研究方向。传统的硅片生产方法是通过铸锭、开方、切片的方法进行的。在整个过程中大约有60％左右的硅材料以剧痕的形式而损失掉；另外在硅太阳能电池背面由于复合的产生，进一步降低了太阳能电池的转换效率。因此为了降低晶体硅太阳能电池的生产成本，提高转换效率，设计出一种新型太阳能电池的制备方法势在必行。
发明内容
为了减小太阳能电池硅材料的损失和电池背面载流子的复合，在冶金级衬底硅片上减少晶格失配，获得在衬底硅片上表面粗糙度小、结晶完整与光电性能好的高纯硅薄膜，本发明提出一种新型太阳能电池的制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新型太阳能电池的制备方法，包括：
a、衬底硅片的制备
衬底硅片的制备用物理提纯方法，首先取纯度2N的金属硅，经吹起造渣方法，除去金属元素和硼元素，得纯度3N的金属硅，纯度3N的金属硅经酸洗除去金属元素、硼元素和磷元素，再经铸锭的方法得纯度4N的硅锭，把硅锭切割成长156mm×宽156mm，厚度500μm的衬底硅片；
b、生长氮化硅(SiNx)薄膜
采用PECVD设备制备氮化硅薄膜，控制温度为450℃，氨气(NH3)和硅烷(SiH4)的总流量为5.6slm,氨气和硅烷的流量比为8.5:1,气压为1700mTorr,功率为3800W,在衬底硅片上沉积氮化硅薄膜的厚度为80nm；
c、生长多晶硅薄膜
在真空条件下，衬底硅片的温度为650-900℃时，用石墨吸盘控制衬底硅片蘸取硅溶液，在氮化硅薄膜上制备厚度为100μm的多晶硅薄膜，得太阳能电池片；
d、退火
为了使蘸取的高纯多晶硅薄膜具有良好的结晶质量，较低的缺陷密度和较高的少子寿命，蘸取后必须对太阳能电池片进行退火处理；
退火在通氢的真空电阻炉中进行，太阳能电池片依次在1350℃、1250℃、900℃、600℃和300℃下各进行保温退火30分钟，最后冷却至25℃；
e、激光开孔
在退火后的太阳能电池片背面用激光开孔，采用激光参数为200K-27A-4.5m/s的皮秒激光器,重复率为18％，平均能量为6W，单点能量为28μJ；
f、PN结、减反膜和电极的制备
采用常规工业化中晶体硅太阳能电池PN结、减反膜和电极的制备方法,完成太阳能电池的制备。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在a中，所述衬底硅片的少子寿命为5μs，电阻率为2.4Ohmcm，其中，衬底硅片中主要杂质的要求：B<2ppmw、P<3ppmw、Fe<0.16ppmw、Al<0.2ppmw、Ca<0.2ppmw。
进一步，在b中，所述PECVD设备为德国Centrotherm公司生产并市售的低频(40kHz)管式PECVD设备。
进一步，在c中，所述真空条件的真空度为3×10-9Torr。
进一步，在c中，所述硅溶液的温度为1650℃，纯度为6N。
进一步，在e中，所述激光开孔的效果：线宽30μm,线距1mm,开孔率2.5％。
在本发明中，纯度2N的金属硅指纯度99％的金属硅，纯度3N的金属硅指纯度99.9％的金属硅，纯度4N的硅锭指纯度99.99％的硅锭，此种表示方式为本领域公知的表示方式。
本发明的有益效果是：
本发明涉及一种新型太阳能电池的制备方法,具体涉及物理提纯法制备4N冶金级衬底硅片、制备多晶硅薄膜与激光开孔等方法,本发明采用物理冶金法制备出的4N级衬底硅片，具有良好的导电性能，按照半导体工业标准方法进行清洗，使用等离子体气相沉积的方法在预处理的4N级衬底硅片上沉积氮化硅薄膜，减小衬底硅片表面杂质的影响，同时改善后续蘸取多晶硅薄膜的结晶质量；在真空条件下，在氮化硅薄膜上采取蘸取的方法，制备一层厚100μm的多晶硅薄膜，再经过退火处理，改善多晶硅薄膜的结晶质量，提高晶粒大小，减少位错，提高光电性能；由于氮化硅材料具有绝缘性能，为了使太阳能电池具有良好的电极接触，采用激光打孔的方法把衬底硅片和氮化硅薄膜打穿，制备的太阳能电池具有良好性能，电极金属化较好，转换效率比较高；最后利用常规晶体硅太阳能电池的制备方法，制作PN结、减反膜、正面电极和背面电极。
利用蘸取液相外延生长工艺方法制备出的太阳能电池结晶完整、表面形貌良好，具有较好的光电性能，生长设备、工艺简单便宜，避免了硅材料的切割损失，能够大大降低太阳能电池的成本；另外在背面电极制备过程中采用激光开孔的方法，由于激光开孔不与衬底硅片接触，避免了杂质的引入，制备效率较高。本方法制备的太阳能电池转换效率达到19％，因此本申请为制备低成本、高效率太阳能电池提供了一种新的工艺手段。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备多晶硅薄膜的示意图；
图2为本发明实施例1制备的太阳能电池的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底硅片，2、石墨吸盘，3、感应线圈，4、硅溶液，5、氮化硅薄膜，6、激光开孔处，7、金属电极，8、减反膜，9、多晶硅薄膜。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
a、冶金级衬底硅片的制备
衬底硅片的制备用物理提纯方法，首先取纯度2N的金属硅，经吹起造渣方法，除去金属元素和硼元素，得纯度3N的金属硅，纯度3N的金属硅经酸洗除去金属元素、硼元素和磷元素，再经铸锭的方法得纯度4N的硅锭，把硅锭切割成长156mm×宽156mm，厚度500μm的衬底硅片，衬底硅片按标准半导体清洗工艺进行清洗。
所述衬底硅片的少子寿命为5μs，电阻率为2.4Ohmcm，其中，衬底硅片中主要杂质的要求：B<2ppmw、P<3ppmw、Fe<0.16ppmw、Al<0.2ppmw、Ca<0.2ppmw。
本步骤关键在于4N高导电率衬底硅片的制备，采用投资少，工艺简单，污染少，安全易推广的物理法提纯多晶硅技术。
物理提纯多晶硅的方法参考专利：一种多晶硅除硼方法CN101671023A，一种造渣精炼去除工业硅中硼磷杂质的方法CN102951645A，一种采用硅铁合金定向凝固提纯多晶硅方法CN102659110B，一种冶金级硅中磷和硼的去除方法CN101844768A。
b、生长氮化硅(SiNx)薄膜
本步骤关键在于氮化硅薄膜的生长。氮化硅薄膜在本发明中占有重要地位。由于4N级衬底硅片中含有较多的金属杂质和硼、磷等非金属杂质，在衬底硅片与高温硅溶液接触过程中以及退火过程中，杂质元素会向高纯多晶硅薄膜扩散，会影响太阳能电池片的电活性，降低太阳能电池的转换效率。因此氮化硅薄膜作为阻挡层，会阻止杂质向高纯多晶硅薄膜的扩散，保证电池性能不受到破坏；另一方面氮化硅薄膜作为钝化层，进一步钝化硅片表面的悬挂键和体内缺陷态，提高钝化性能，减小表面复合速率，提高电池光电效应。另外氮化硅还能将透射到电池背面的太阳光进一步反射回电池内部，再一次被利用，进一步提高电池的效率。
采用PECVD设备制备氮化硅薄膜，控制温度为450℃，氨气(NH3)和硅烷(SiH4)的总流量为5.6slm,氨气和硅烷的流量比为8.5:1,气压为1700mTorr,功率为3800W,在衬底硅片上沉积氮化硅薄膜的厚度为80nm，在此条件下制备的太阳能电池具有更好的短波效应，能够有效的阻挡来自衬底硅片的杂质，并能起到良好的钝化性能。
所述PECVD设备为德国Centrotherm公司生产并市售的低频(40kHz)管式PECVD设备。
c、生长多晶硅薄膜
如图1所示，现有多晶硅薄膜的制备方法是采用等离子增强化学气相沉积方法在衬底硅片上衬底，而本发明首先对氮化硅薄膜按标准半导体工艺进行清洗，再对衬底硅片1预热，使衬底硅片1的温度为650-900℃，电感炉通过感应线圈3对硅溶液4进行加热使温度保持在1650℃，硅溶液4纯度为6N，在真空度为3×10-9Torr的真空条件下，用石墨吸盘2控制衬底硅片1蘸取硅溶液4，在氮化硅薄膜上制备厚度为100μm表面形貌良好、平整的多晶硅薄膜，得太阳能电池片；本制备多晶硅薄膜方法相对于传统多晶硅电池的制备无需切片，避免了锯痕损失，工艺简单，降低了成本。
其中，硅溶液物理提纯法进行，具体方法为纯度为2N的金属硅，经过吹气造渣，除金属元素和硼元素使纯度达到3N；再酸洗除金属元素、磷元素和硼元素等，使金属硅的纯度提高到4N；真空熔炼除磷和铝等元素，金属纯度进一步提高，达到5N；定向凝固除金属形成柱状晶体硅。形成太阳能级柱状多晶硅硅锭的纯度≥6N。从而完成太阳能级多晶硅提纯的过程。衬底温度为关键参数，随着衬底温度与硅溶液的温度差的减小，衬底和外延层会有更好的结合，缺陷密度和位错也会减小。但是衬底温度也不能太高，衬底温度过高硅片会软化，当衬底硅片与高温硅溶液接触时间过长时就会融化。因此衬底硅片温度保持在650-900℃。
d、退火
为了使蘸取的高纯多晶硅薄膜具有良好的结晶质量，较低的缺陷密度和较高的少子寿命，蘸取后必须对太阳能电池片进行退火处理；
退火在通氢的真空电阻炉中进行，太阳能电池片依次在1350℃、1250℃、900℃、600℃和300℃下各进行保温退火30分钟，最后冷却至25℃；
e、激光开孔
在退火后的太阳能电池片背面氮化硅薄膜用激光开孔，采用激光参数为200K-27A-4.5m/s的皮秒激光器,重复率为18％，平均能量为6W，单点能量为28μJ，激光开孔的效果：线宽30μm,线距1mm,开孔率2.5％；
氮化硅薄膜不仅能够使衬底硅片中杂质不会扩散到多晶硅薄膜，另一方面作为钝化层可使背面复合减少5％-10％、背反射光增加约3％-4％，有效的提高了太阳能电池的性能。
f、PN结、减反膜和电极的制备
采用常规工业化中晶体硅太阳能电池PN结、减反膜和电极的制备方法,完成太阳能电池的制备。
图2为本发明实施例1制备的太阳能电池的结构示意图，普通太阳能电池结构为，从背面起为铝金属电极，铝背场，硅片；本发明制备的太阳能电池为金属电极7，减反膜8，铝背场，衬底硅片1，氮化硅薄膜5，激光开孔，多晶硅薄膜9，激光开孔的位置在图2中的激光开孔处6。相比传统太阳能电池,本太阳能电池在背面多了一层氮化硅钝化层，降低了背面复合速率，提高了背面反射率，从而提高了太阳能电池的转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
a、衬底硅片的制备：
衬底硅片的制备用物理提纯方法，首先取纯度2N的金属硅，经吹起造渣方法，除去金属元素和硼元素，得纯度3N的金属硅，纯度3N的金属硅经酸洗除去金属元素、硼元素和磷元素，再经铸锭的方法得纯度4N的硅锭，把硅锭切割成长156mm×宽156mm，厚度500μm的衬底硅片，所述衬底硅片的少子寿命为5μs，电阻率为2.4Ohmcm，其中，衬底硅片中主要杂质的要求：B<2ppmw、P<3ppmw、Fe<0.16ppmw、Al<0.2ppmw、Ca<0.2ppmw；
b、生长氮化硅薄膜
采用PECVD设备制备氮化硅薄膜，控制温度为450℃，氨气和硅烷的总流量为5.6slm,氨气和硅烷的流量比为8.5:1,气压为1700mTorr,功率为3800W,在衬底硅片上沉积氮化硅薄膜的厚度为80nm；
c、生长多晶硅薄膜
在真空条件下，衬底硅片的温度为650-900℃时，用石墨吸盘控制衬底硅片蘸取液态硅，在氮化硅薄膜上制备厚度为100μm的多晶硅薄膜，得太阳能电池片，所述液态硅的温度为1650℃，纯度为6N；
d、退火
对太阳能电池片进行退火处理,退火在通氢的真空电阻炉中进行，太阳能电池片依次在1350℃、1250℃、900℃、600℃和300℃下各进行保温退火30分钟，最后冷却至25℃；
e、激光开孔
在退火后的太阳能电池片背面用激光开孔，采用激光参数为200K-27A-4.5m/s的皮秒激光器,重复率为18％，平均能量为6W，单点能量为28μJ；
f、PN结、减反膜和电极的制备
采用常规工业化中晶体硅太阳能电池PN结、减反膜和电极的制备方法,完成太阳能电池的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在b中，所述PECVD设备为德国Centrotherm公司生产并市售的低频管式PECVD设备。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在c中，所述真空条件的真空度为3×10-9Torr。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在e中，所述激光开孔的效果：线宽30μm,线距1mm,开孔率2.5％。
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