CN108074999A - 一种选择性发射极黑硅电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种选择性发射极黑硅电池，包括电池银栅线、氮化硅膜、黑硅绒面、选择性发射极、硅衬底及铝背场，该选择性发射极黑硅电池的制作方法包括如下步骤：1硅片去损伤层/抛光工艺；2正面PN结工艺；3发射极掩膜形成；4磷硅玻璃层和掩膜去除工艺；5反应离子刻蚀形成黑硅绒面工艺；6黑硅绒面修复工艺；7镀减反射膜；8丝网印刷和烧结工艺。该选择性发射极黑硅电池及其制作方法将黑硅工艺放置在扩散工艺后，使用抛光技术，有效避免由于RIE绒面形貌导致的扩散PN掺杂浓度不均的问题，减少干法制绒后绒面形貌对扩散后PN结深的影响，改善PN结的均匀性，提高产品的质量，同时将选择性发射极技术与黑硅制绒工艺结合在一起，进一步提高电池片转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池领域，尤其涉及一种选择性发射极黑硅电池及其制作方法。
背景技术
目前，为了降低生产成本，硅片薄片化成为晶体硅太阳能电池的发展趋势之一。硅片变薄时，对光吸收和钝化的要求非常严格，特别是在钝化效果较好时，光吸收就成为了制约电池效率提升的关键因素。太阳能电池作为一种光电转换器件，如果能够能增加硅片表面的吸光率，将对提高太阳能电池光电转换效率有很大帮助。
基于黑硅的光吸收特性，近年来许多研究都开始尝试将黑硅工艺引入太阳能电池工艺，以提高太阳能电池的转换效率。这个领域里，研究者尝试了许多试验方法和技术，比如激光脉冲技术、等离子体刻蚀技术、电化学腐蚀、金属催化化学腐蚀(MCCE)等，这些技术都是通过一定程度的改变了晶体表面结构，从而达到减少硅表面反射的目的。由于工艺制程，设备以及稳定性等问题，目前只有金属催化化学腐蚀(MCCE)和等离子刻蚀技术(RIE)具备量产条件，而RIE技术由于工艺稳定、环保、损伤层小以及效率提升幅度大等原因得到各光伏企业的重视。该技术利用等离子体刻蚀技术，在硅片表面刻蚀形成亚微米尺度的绒面，降低入射光的额反射，提高电池片的转换效率。
目前常规RIE黑硅常规工艺流程如下：
步骤一，制绒工艺；
步骤二，RIE黑硅绒面制备工艺；
步骤三，黑硅绒面修复工艺；
步骤四，扩散工艺；
步骤五，后清洗工艺；
步骤六，减反射膜制备工艺；
步骤七，丝网印刷/烧结工艺。
这种工艺经过RIE黑硅制绒后，硅片表面会形成深度为200～500nm左右小绒面，而此深度与目前的扩散PN结深相当。在这种绒面形貌的情况下，酸制绒和RIE黑硅绒面均会对PN结的扩散深度产生影响，同时也会导致局部的扩散浓度随绒面起伏而有变化，增加PN结的不均匀性；在这种情况下使用SE技术，由于湿法刻蚀的不稳定性，PN结的不均匀性会得到进一步的恶化，使得电池转换效率波动变大，进一步影响电池性能。
常规SE技术工艺流程如下：
步骤一，制绒工艺；
步骤三，扩散工艺；
步骤四，掩膜制备；
步骤五，后清洗工艺(表面死层，掩膜和边缘PN结去除)；
步骤六，减反射膜制备工艺；
步骤七，丝网印刷/烧结工艺。
这个工艺流程成熟稳定，但是目前尚未见到黑硅技术与SE技术的结合的成果报导。
而有的工艺(如专利号CN201510003710.4，CN201520004215.0，CN201610108899.8)虽然也提到了背面抛光技术，通过提高背面反射率，减小复合面积，从而提升黑硅电池性能，这些工艺但是仍然使用的是常规工艺流程，仍然没有考虑到黑硅绒面尺寸对扩散均匀性的影响，相对常规干法黑硅电池没有明显的效率提升。
还有些工艺(如专利号CN 201610181805.X)虽然提到了使用丝网印刷或者喷墨打印的方法在硅片上制备一层具有若干等间隔分布的掩膜单元，并对硅片进行选择性的RIE干法制绒，但是此电池主体工艺仍未脱离常规电池工艺流程，且此掩膜的目的是进一步降低黑硅电池的反射率，从而降低黑硅光伏组件的封装损失的目的，与选择性发射极技术无关。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种选择性发射极黑硅电池及其制作方法，减少了制造成本和工艺时间，可以有效避免由于RIE绒面形貌导致的扩散PN掺杂浓度不均的问题，提高产品的质量，进一步提升电池转化效率，减少了湿法掩膜去除过程中造成了电池转化效率不稳定问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种选择性发射极黑硅电池，包括电池银栅线、氮化硅膜、黑硅绒面、选择性发射极、硅衬底及铝背场，所述铝背场位于所述硅衬底的背面，所述选择性发射极位于硅衬底上，所述黑硅绒面位于所述选择性发射极上，所述氮化硅膜位于所述黑硅绒面上，所述电池银栅线位于所述氮化硅膜上。
本发明还提供一种选择性发射极黑硅电池的制作方法，包括如下步骤：步骤一、硅衬底去损伤层/抛光工艺；
步骤二、硅衬底正面PN结工艺；
步骤三、在PN结面形成电池图案的掩膜；
步骤四、采用湿法清洗工艺对硅衬底背面和侧面进行刻蚀、回刻以及掩膜去除，在PN结面形成高低方阻发射极；
步骤五、对硅衬底表面进行RIE制绒，形成黑硅绒面；
步骤六、对黑硅绒面进行修复工艺；
步骤七、在黑硅绒面进行镀减反射膜工艺；
步骤八、采用丝网印刷工艺在氮化硅膜上形成电池银栅线、在硅衬底背面形成铝背场，烧结后制得电池片。
选择性发射极磷扩散要求在电极栅线与硅片接触部位形成高掺杂深扩散区，在其他区域形成低掺杂浅扩散区，这样便在低掺杂区和高掺杂区交界处获得一个横向N-N高低结，并在电极栅线下N-P结，与传统的一个PN结相比，这种结构可以提高光生载流子的收集率，提高太阳能的输出电压，降低太阳能电池串联的电阻，减小光生载流子的表面复合，减少扩散死层的影响而改善扩散层的整体性能。
本发明结合了RIE黑硅技术和SE技术，增加了去除正面损伤层/背面抛光工艺，通过优化工艺流程，将黑硅工艺放置在扩散工艺之后，同时结合硅片表面抛光技术，可减少干法制绒后绒面形貌对扩散后PN结深的影响，改善PN结的均匀性，从而达到提高电池片转换效率的目的。
黑硅SE电池的结合降低了电池表面反射率、受光面光生载流子的表面复合、电极处的接触电阻、扩散死层，从而提升了电池的短路电流，开路电压，填充因子，使得电池的转换效率大幅提升。
作为优选，步骤一中，去损伤层/抛光工艺采用混酸处理方式和碱处理方式，混酸处理使用HF、HNO3混合液进行处理，碱处理采用KOH溶液进行处理，采用该工艺制得的硅片表面形貌平整，保证PN结均匀性，同时实现背面抛光效果。经过多次试验，所述混合液中HF、HNO3、H20的体积比优选为1：8：3，所述KOH溶液的浓度优选为9％，温度优选为60℃，去损伤层/抛光效果较好。
作为优选，通过丝网印刷或喷墨打印方式在PN结面形成电池图案的掩膜。
作为优选，步骤四中，使用HF、HNO3、H2SO4混合液对硅衬片背面和侧面进行刻蚀及回刻，使用掩膜去除药液去除掩膜，在硅片PN结面形成高低方阻发射极，经过多次试验，混合液中HF、HNO3、H2SO4、H20的体积比优选为1：8：10：5，可以消除扩散造成的旁路导通问题，效果较好。
作为优选，步骤五中，RIE制绒使用SF6、O2、Cl2混合气体，利用离化后的F基团对硅衬片表面进行腐蚀，生成SiF4气体，起到刻蚀作用，O2与硅生成SiO2，起到自掩膜作用，Cl2与硅生成SiCl4，起到自掩膜作用，自掩膜效应非常明显，可以在刻蚀作用和钝化共同作用下形成均匀性好的黑硅绒面。
作为优选，步骤六中，黑硅绒面修复工艺先使用BOE、H2O2、H2O混合液对硅衬片表面进行修复，经过多次试验，混合液中BOE、H2O2、H2O的体积比优选为1：2：3；然后再使用HF、HCl混合液对硅衬片表面进行清洗，经过多次试验，混合液中HF、HCl、H2O的体积比优选为为1：1：5，去杂效果显著。
作为优选，步骤七中，采用PECVD工艺在黑硅绒面沉积SiNx薄膜，经过多次试验，SiNx薄膜，厚度控制在75-85nm，折射率控制在2.05-2.15之间效果较好。
本发明的有益效果是：
(1)去损伤层/抛光工艺，经过处理后硅片两面均相对平整，一方面便于磷扩散的均匀性，另一方面也实现了背面抛光工艺，此工艺可以整合在同一个工艺步骤、同一台设备上完成，减少了制造成本和工艺时间；
(2)本发明采用先PN扩散，后进行RIE制绒的方法，可以有效避免由于RIE绒面形貌导致的扩散PN掺杂浓度不均的问题，提高产品的质量；
(3)结合SE技术，进一步提升电池转化效率；同时由于优化了工艺流程步骤，可以减小SE技术中表面回刻时PN结不均匀的影响，减少了湿法掩膜去除过程中造成了电池转化效率不稳定问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1是本发明选择性发射极黑硅电池的结构示意图；
图中：1.电池银栅线，2.氮化硅膜，3.黑硅绒面，4.选择性发射极，5.硅衬底，6.铝背场。
具体实施方式
现在结合附图对发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种选择性发射极黑硅电池，包括电池银栅线1、氮化硅膜2、黑硅绒面3、选择性发射极4、硅衬底5及铝背场6，所述铝背场6位于所述硅衬底5的背面，所述选择性发射极4位于硅衬底5上，所述黑硅绒面3位于所述选择性发射极4上，所述氮化硅膜2位于所述黑硅绒面3上，所述电池银栅线1位于所述氮化硅膜2上。
该选择性发射极黑硅电池的制作方法包括如下步骤：
步骤一，去损伤层/抛光工艺。
此工艺实现表面形貌平整，同时实现背面抛光效果。对于硅衬底5处理方案有两种：混酸处理方式和碱处理。混酸处理使用强酸(HF:HNO3：H2O＝1：8：3体积比)进行处理，酸处理后，可以实现一侧表面平整，一面具有抛光效果；碱处理采用KOH溶液(浓度9％，温度60℃)，对表面进行处理，实现硅衬底5表面的平整性和抛光效果。
步骤二，正面PN结(选择性发射极4)形成工艺。
在高温(760度到850度之间)扩散炉中，通入POCl3，O2和N2，进行高温扩散，形成PN结，扩散方阻控制在80欧姆左右。
步骤三，正面电池图案掩膜的制备。
通过丝网印刷或者喷墨打印的方式在PN结面形成电池图案的掩膜。
步骤四，湿法清洗工艺。
使用混酸(HF：HNO3：H2SO4：H2O＝1：8：10：5)对硅片背面和侧面进行刻蚀及回刻，消除扩散造成的旁路导通问题，使用5％浓度的HF去除正面磷硅玻璃，并烘干。
步骤五，RIE制绒，形成黑硅绒面3。
使用特气SF6，O2和Cl2等，利用离化后的F基团对硅片表面进行腐蚀，生成SiF4气体，起到刻蚀作用；O2与硅生成SiO2，有自掩膜作用，在一定程度上可以调整微观形貌，但是工艺窗口较窄；加入Cl2，副产物为SiCl4不易挥发，自掩膜效应明显，可以在刻蚀作用和钝化共同作用下形成均匀性好的黑硅绒面3，此工艺中黑硅绒面尺寸控制在亚微米级别(200-500nm)。
步骤六，黑硅绒面3修复工艺。
使用混合药液(BOE：H2O2：H2O＝1：2：3)去除由于腐蚀形成的损失层，从而实现对硅片表面的修复处理；然后使用混酸(HF：HCl：H2O＝1：1：5)，对硅片表面进行清洗，去除表面的氧化层或金属杂质。
步骤七，镀减反射膜(氮化硅膜2)工艺。
正面采用PECVD工艺沉积SiNx薄膜，厚度控制在75-85nm，折射率控制在2.05-2.15之间。
步骤八，丝网印刷/烧结，采用丝网印刷工艺在正面形成电池银栅线1(需要与掩膜图案对准)，背面形成铝背场6接触，烧结后制造成电池片。
本发明不但将黑硅工艺放置在扩散工艺之后，而且使用抛光技术，可以有效避免由于RIE绒面形貌导致的扩散PN掺杂浓度不均的问题，可减少干法制绒后绒面形貌对扩散后PN结深的影响，改善PN结的均匀性，提高产品的质量。同时将选择性发射极技术(SE技术)与黑硅制绒工艺结合在一起，进一步提高电池片转换效率的目的。
本工艺附加成本低，适合多晶硅片，而且SE技术已经成熟，完全可以产业化生产，相比常规干法黑硅电池效率绝对值提升在0.2％以上。
与现有技术相比，本发明的优点体现在：
1、去损伤层/抛光工艺，经过处理后硅片两面均相对平整，一方面便于磷扩散的均匀性，另一方面也实现了背面抛光工艺，此工艺可以整合在同一个工艺步骤、同一台设备上完成，减少了制造成本和工艺时间；
2、本发明采用先PN扩散，后进行RIE制绒的方法，可以有效避免由于RIE绒面形貌导致的扩散PN掺杂浓度不均的问题，提高产品的质量；
3、结合SE技术，进一步提升电池转化效率；同时由于优化了工艺流程步骤，可以减小SE技术中表面回刻时PN结不均匀的影响，减少了湿法掩膜去除过程中造成了电池转化效率不稳定问题。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种选择性发射极黑硅电池，其特征在于，包括电池银栅线、氮化硅膜、黑硅绒面、选择性发射极、硅衬底及铝背场，所述铝背场位于所述硅衬底的背面，所述选择性发射极位于硅衬底上，所述黑硅绒面位于所述选择性发射极上，所述氮化硅膜位于所述黑硅绒面上，所述电池银栅线位于所述氮化硅膜上。
2.一种选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、硅衬底去损伤层/抛光工艺；
步骤二、硅衬底正面PN结工艺；
步骤三、在PN结面形成电池图案的掩膜；
步骤四、采用湿法清洗工艺对硅衬底背面和侧面进行刻蚀、回刻以及掩膜去除，在PN结面形成高低方阻发射极；
步骤五、对硅衬底表面进行RIE制绒，形成黑硅绒面；
步骤六、对黑硅绒面进行修复工艺；
步骤七、在黑硅绒面进行镀减反射膜工艺；
步骤八、采用丝网印刷工艺在氮化硅膜上形成电池银栅线、在硅衬底背面形成铝背场，烧结后制得电池片。
3.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤一中，去损伤层/抛光工艺采用混酸处理方式和碱处理方式，混酸处理使用HF、HNO3混合液进行处理，碱处理采用KOH溶液进行处理。
4.如权利要求3所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，所述混合液中HF、HNO3、H20的体积比为1：8：3，所述KOH溶液的浓度为9％，温度为60℃。
5.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤三中，通过丝网印刷或喷墨打印方式在PN结面形成电池图案的掩膜。
6.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤四中，使用HF、HNO3、H2SO4混合液对硅衬片背面和侧面进行刻蚀及回刻，使用掩膜去除药液去除掩膜。
7.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤五中，RIE制绒使用SF6、O2、Cl2混合气体，利用离化后的F基团对硅衬片表面进行腐蚀，生成SiF4气体，起到刻蚀作用，O2与硅生成SiO2，起到自掩膜作用，Cl2与硅生成SiCl4，起到自掩膜作用。
8.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤六中，黑硅绒面修复工艺先使用BOE、H2O2、H2O混合液对硅衬片表面进行修复，然后再使用HF、HCl混合液对硅衬片表面进行清洗。
9.如权利要求2所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，步骤七中，采用PECVD工艺在黑硅绒面沉积SiNx薄膜。
10.如权利要求9所述的选择性发射极黑硅电池的制作方法，其特征在于，所述SiNx薄膜的厚度为75-95nm，折射率为2.05-2.15。
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