CN109273559A - 抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用 - Google Patents
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Abstract
抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用，其特征是在单晶硅或多晶硅太阳电池制备过程中，将清洗制绒工序中的制绒步骤改用抛光。本发明可减少硅片表面的复合损耗、载流子在发射极层或TCO层等中的传输损耗和阻碍，提高太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率；大大减少化学试剂的用量，降低工艺控制的难度并提高产品的均匀性和一致性。可减少微观裂纹，降低生产中的破片率和组件生产的隐裂；并且由于抛光的刻蚀量小于制绒的刻蚀量，所以可采用更薄的硅片，硅片厚度可减少10微米，可节省硅片部分成本10‑15%；可减少组件中焊带等所导致的系统串联电阻的影响以及系统连接用导线中的传输损耗。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池和半导体器件领域。涉及太阳电池的制备技术。
背景技术
对于现行晶体硅太阳电池制备和研发，为了减少硅片表面的光反射损失，最大程度的提高器件的光生电流，无论是单晶硅还是多晶硅，还是Al背场、PERC、PERT、TOPCON、a-Si:H/c-Si异质结等等各种器件结构，为了获得最佳的对光的减反射效果，其制备过程中均要对硅片表面尤其是主迎光面进行“制绒处理”，即将硅片表面通过化学试剂刻蚀或者其它方法刻蚀，将其做的凹凸不平，然后再结合减反射薄膜，共同作用下使得硅片表面对光的反射损失降到最低。但如此做法，存在以下问题：
1）制绒后硅片表面的比表面积增大。以单晶硅为例，其制成的金字塔结构使得硅片实际表面积增大为抛光硅片的约1.3倍。这导致a)硅片表面的复合损耗大大增加，降低了太阳电池的开路电压。b)对于扩散法制备的晶体硅太阳电池，因为发射极层只有两三百纳米，是在硅片绒面的最外层，这导致载流子在被电极收集之前所要迁移过的行程相比于抛光表面增大很多（约为2倍），这导致载流子在发射极中的复合损耗大大增加，串联电阻增加，造成开路电压、填充因子和短路电流的降低。C)对于a-Si:H/c-Si异质结太阳电池，即非晶硅/晶体硅异质结太阳电池，器件制备所需的TCO薄膜材料的实际用量远远大于抛光表面的用量，且载流子在TCO中迁移的电阻大大增加，导致串联电阻增加，造成器件的短路电流和填充因子下降。
2）在现有生产过程中，硅片的制绒主要采用化学试剂刻蚀法，化学试剂常用的是低浓度的氢氧化钠溶液或者低浓度的有机碱溶液，并配备少量的添加剂。添加剂的作用是增加制绒的均匀性和稳定性。这样的方法制得的绒面微观上很不均匀。对单晶硅片，体现在金字塔的大小不一，金字塔的倾角也有大有小；对多晶硅片，则硅片表面形成的凹坑形状、大小都不均匀。这种微观的不均匀会造成太阳电池在制结和减反射膜制备后同一硅片上的均匀性存在差异，从而导致太阳电池微观漏电损耗；这种结构差异受制绒过程中试剂的成分和工艺条件影响很大，导致不同批次的产品性能存在明显差异，需要工程师不断对制绒工艺以及后继配套的扩散工艺、减反膜工艺等进行调整，以保持性能的稳定。
3）制绒后硅片表面存在的凹凸不平，尤其是单晶硅绒面的金字塔的底端，会造成应力集中，容易形成微观裂纹，在太阳电池生产过程或后继包装、运输过程中破片率增加。
4）现在硅片表面的制绒方法，均是要对硅片表面进行刻蚀，以湿化学法制绒为例，其需要耗费大量的化学试剂，耗费量与制绒所需刻蚀掉硅片表面的硅原子的量呈线性正比关系，耗费大量化学试剂，当然也包括机器、机时和人工等成本的支出。
5）在制备过程中晶体硅太阳电池片性能的测试是暴露在大气中进行的，而在真实应用中晶体硅太阳电池片是被EVA、玻璃封装起来的，其光入射情况与在大气中显著不同，这导致很多太阳电池的绒面和减反射膜的优化设计对最终组件发电量的贡献并不明显，甚至还导致最终发电量降低。
发明内容
本发明主要是对晶体硅太阳电池的制备，提出一种新的硅片表面处理方法，以此提高太阳电池的性能，降低其制备成本和制备工艺的控制难度，并与太阳电池后继制备过程中的减反射制备、组件封装时EVA、封装玻璃协调优化配置以获得最终更优的发电性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
在单晶硅或多晶硅太阳电池的制备过程中，将其清洗制绒工序中的“制绒”步骤更改为抛光。 所述的抛光是指用高浓度的碱性或者酸性溶液刻蚀硅片的两个表面，在去除损伤层的基础上使得硅片表面变得平整，微观上无明显的突起或凹陷。
具体地说，本发明所述的抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用，包括以下步骤。
（1）用氨水与双氧水的混合溶液或其它预清洗剂对硅片表面进行预清洗。
（2）采用加热的高浓度的氢氧化钠溶液刻蚀硅片表面，去除硅片表面损伤层。
（3）根据晶体硅太阳电池制结对硅片表面平整度和洁净度的要求，选择高浓度的有机碱、氢氧化钠、氢氟酸和硝酸混合液等对硅片表面抛光。
（4）再采用盐酸与双氧水的混合溶液或其它清洗剂对硅片表面进行清洗。
（5）采用含氢氟酸的溶液去除硅片表面氧化层，然后烘干硅片表面。
步骤（1）所述的其它预清洗剂是指具有去除硅片表面有机沾污的溶液，如臭氧与氢氧化钾的混合溶液，乙醇的水溶液等。
步骤（4）所述的其它清洗剂是指可去除硅片表面金属离子沾污的酸溶液，如盐酸与氢氟酸的混合溶液。
对于采用扩散制结技术的单晶硅或多晶硅太阳电池，硅片的最大刻蚀深度≤4微米；抛光后硅片表面每平方毫米的面积上高度>500nm的凸起≤100个。在随后的太阳电池减反射层的制备过程中制备至少三层结构的复合减反射薄膜，其等效折射率为2.3~2.5，制备减反射薄膜后太阳电池表面无金属电极遮挡对入射太阳光的加权反射率≤2%，对500nm、950nm波长的入射光的反射率≤1.5%。
对于a-Si:H/c-Si异质结的单晶硅或多晶硅太阳电池，硅片的最大刻蚀深度≤10微米；抛光后硅片表面每平方毫米的面积上高度>500nm的凸起≤50个，表面在TCO薄膜外额外沉积减反射薄膜，制备减反射薄膜后太阳电池表面无金属电极遮挡对入射太阳光的加权反射率≤2%，对500nm、950nm波长的入射光的反射率≤1.5%。
发明的技术效果是：
（1）适用于单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，包括铝背场、PERC、PERT、TOPCON、a-Si:H/c-Si异质结等所有结构。相比于硅片表面制绒技术，可减少硅片表面的复合损耗、载流子在发射极层或TCO层等中的传输损耗和阻碍，提高太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率等各项指标。
（2）相比于现行的晶体硅太阳电池生产中的化学刻蚀制绒技术，会大大减少化学试剂的用量，降低工艺控制的难度并提高产品的均匀性和一致性。并且会降低后继扩散和减反射层制备的工艺调整的难度，并减少氮化硅、TCO层材料的用量和制备的工艺时间（对于单晶硅可节省材料并减少工艺时间约30%，对于多晶硅，可节省材料并减少工艺时间约百分之20-25%），大大降低制备成本。
（3）相比于制绒技术，可减少微观裂纹，降低生产中的破片率和组件生产的隐裂问题。并且由于抛光的刻蚀量小于制绒的刻蚀量，所以可采用更薄的硅片，硅片厚度可减少10微米，进一步降低成本，节省硅片部分的成本约10-15%。
（4）因为本发明所得太阳电池的开路电压高，在组件应用时相比于制绒技术的太阳电池可减少组件中焊带等所导致的系统串联电阻的影响以及系统连接用导线中的传输损耗。
（5）本发明尤其适用于多晶硅太阳电池，包括p型的铝背场、PERC电池，n型的PERT、TOPCON电池，甚至a-Si:H/c-Si异质结结构的太阳电池。
附图说明
附图1为本发明实施例1所得电池结构在无金属栅线遮挡处的光反射率谱。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
对于p型单晶硅铝背场单晶硅太阳电池，其制备过程开始阶段依次采用氨水与双氧水混合溶液预清洗、NaOH溶液预抛光、氢氟酸+硝酸混合溶液抛光、稀盐酸+氢氟酸清洗，最终烘干为主要流程的预处理，然后进行三氯氧磷扩散、二次清洗、沉积氮化硅/氟化镁复合减反射膜、铝背场及金属电极制备等工序，最终获得的单晶硅太阳电池开路电压相比于制绒技术制备的太阳电池:表面复合速率降低了约三分之一，发射极的串阻降低了约10%；开路电压提高了5-10mV，填充因子提高了1%。节约硅片材料约7%。
实施例2。
对于p型多晶硅铝背场单晶硅太阳电池，其制备过程开始阶段依次采用氢氧化钾与臭氧溶液预清洗、NaOH溶液预抛光、氢氟酸+硝酸混合溶液抛光、稀盐酸清洗，再稀氢氟酸清洗，最终烘干为主要流程的预处理，然后进行三氯氧磷扩散、二次清洗、氮化硅/氟化镁复合减反射膜、铝背场及金属电极制备等工序，最终获得的多晶硅太阳电池开路电压相比于制绒技术制备的太阳电池:表面复合速率降低了约15%，发射极的串阻降低了约10%；开路电压提高了10-20mV，填充因子提高了1%。节约硅片材料约7%。
实施例3。
对于n型单晶硅PERT太阳电池，采用氢氟酸+硝酸混合溶液抛光技术代替碱性溶液制绒技术，硅片的发射极面减反射层采氮化硅/氟化镁或氧化铝/氮化硅/氟化镁减反射膜结构。发射极的串阻损耗降低了约15%，表面复合速率降低了约40%，可提高开路电压10-30mV，转换效率绝对值提高了1-3%。
实施例4。
对于n型多晶硅PERT太阳电池，其制备过程开始阶段依次采用乙醇的水溶液预清洗、NaOH溶液预抛光、氢氟酸+硝酸混合溶液抛光、稀盐酸+氢氟酸清洗，最终烘干为主要流程的预处理，然后采用如n型单晶硅PERT类似的扩硼、扩磷、双面减反射膜制备、双面金属电极制备等流程，获得产品的转换效率超过20%。
实施例5。
对于n型单晶硅a-Si:H/c-Si异质结太阳电池，采用氢氟酸+硝酸混合溶液抛光技术代替碱性溶液制绒技术，硅片的两个表面采用TCO/氮化硅复合膜层，可提高开路电压10-30mV，提高短路电流超过1mA/cm2，填充因子提高2-4%，转换效率绝对值提高了1-3%。节省硅片成本约8%，节省TCO材料约25%，节省清洗过程中的碱试剂超过30%。
实施例6。
对于n型多晶硅片，其制备过程开始阶段依次采用预清洗、NaOH溶液预抛光、氢氟酸+硝酸混合溶液抛光、氨水+双氧水、盐酸+碳酸、氢氟酸清洗，最终烘干为主要流程的预处理，然后采用如n型单晶硅a-Si:H/c-Si类似的一面是本征非晶硅、p型重掺非晶硅、TCO层、金属栅线，另外一面是本征非晶硅、n型重掺非晶硅、TCO、金属栅线的结构，可获得转换效率超过20%的n型多晶硅a-Si:H/c-Si异质结太阳电池。
Claims (3)
1.抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用，其特征是在单晶硅或多晶硅太阳电池制备过程中，将清洗制绒工序中的制绒步骤改用抛光。
2.根据权利要求1所述的抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用，其特征是包括以下步骤：
（1）用氨水与双氧水的混合溶液或其它预清洗剂对硅片表面进行预清洗；
（2）采用加热的高浓度的氢氧化钠溶液刻蚀硅片表面，去除硅片表面损伤层；
（3）根据晶体硅太阳电池制结对硅片表面平整度和洁净度的要求，选择高浓度的有机碱、氢氧化钠或氢氟酸和硝酸混合液对硅片表面抛光；
（4）再采用盐酸与双氧水的混合溶液或盐酸与氢氟酸的混合溶液对硅片表面进行清洗；
（5）采用含氢氟酸的溶液去除硅片表面氧化层，然后烘干硅片表面。
3.根据权利要求1所述的抛光处理晶体硅片表面技术在太阳电池制备中的应用，其特征是所述步骤（1）所述的其它预清洗剂为臭氧与氢氧化钾的混合溶液，乙醇的水溶液。
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