CN110931601A - 一种改善晶体硅太阳能电池抗pid性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，所述方法包括以下步骤：1)将镀有氧化铝膜层的PERC电池半成品硅片送入镀膜机，进行抽真空和加热，使镀膜机腔体内达到一定的真空度和温度；2)通入惰性气体，同时打开真空泵阀门保证所述腔体内维持一定压力，对射频电源通电使惰性气体激发成等离子体，利用等离子气体对所述的氧化铝膜层进行预处理；3)将预处理的硅片利用硅烷与氨气的混合气体激发成等离子，在氧化铝膜层上沉积背面氮化硅薄膜。本发明在PERC电池生产过程中通过对射频电源通电使惰性气体激发成等离子体，并利用等离子气体对所述的氧化铝膜层进行预处理，从而从根本上改善其电池抗PID性能。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池领域，特别是涉及一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法。
背景技术
电势诱导衰减(PID)是光伏电池特有的现象，指的是太阳能电池组件在湿热环境及高电压的条件下长期工作而导致输出功率发生衰减的现象。
行业内针对常规铝背场太阳能电池(又称BSF电池)的PID机理及解决方案已经研究的比较透彻，目前铝背场太阳能电池(BSF电池)的PID问题基本能够得到解决；但是随着近年来钝化发射极和背面电池技术(PERC)的普及与推广，人们发现钝化发射极和背面电池(PERC电池)的PID性能相对与常规铝背场太阳能电池更容易出现电势诱导衰减失效。目前行业内针对钝化发射极和背面电池(PERC)的PID失效机理研究还比较欠缺，大部分仍沿用铝背场太阳能电池(BSF)的PID解决方案。如中国专利申请号201510227045.7，公开日期为2015年8月5日的申请案公开了一种抗电势诱导衰减太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：a)在硅片表面形成绒面；b)将硅片热扩散制备p-n结；c)将扩散后的硅片去磷硅玻璃；d)将硅片进行臭氧氧化处理；e)在硅片正面制备氮化硅减反膜；f)利用丝网印刷制备正背面金属电极。该申请案虽然针对常规铝背场太阳能电池(BSF)的PID改善有比较显著的作用，然而由于钝化发射极和背面电池(PERC)与常规铝背场太阳能电池(BSF)在结构上存在差异，因此无法解决钝化发射极和背面电池(PERC)的PID问题。
目前钝化发射极和背面电池(PERC)结构设计中，为了保护电池片核心PN结以及氧化铝钝化膜，通常会在电池片正背面均镀上一定厚度的氮化硅薄膜。其中氮化硅薄膜虽然通过不同厚度和折射率的搭配，可以一定程度上提高对水汽和钠离子的阻挡能力，然而电池组件在湿热环境及高电压的条件下，原本起到背面钝化作用的氧化铝薄膜受穿透的水汽等影响容易发生结构变化，导致背面钝化效果变差，从而导致功率衰减变大，出现PID失效的情况。此外，电池片制作成组件后，组件玻璃封装材料中含有钠离子，该金属离子带正电，在PID测试环境下(高温高湿、1500V高偏压)下，钠离子会在高偏压电场下往电势低的方向迁移，从而穿过电池片氮化硅的保护层进入电池片内部，导致电池片功率降低。
中国专利申请号为201910588502.3，公开日期为2019年11月12日的申请案公开了一种抗电势诱导衰减的背面膜层结构、制备方法、用途及太阳能电池，该背面膜层结构包括自下而上依次贴附在硅基体上的氧化铝钝化层和氮化硅层，所述背面膜层结构还包括碳氮化硅层，所述碳氮化硅层设置在所述氧化铝钝化层和氮化硅层之间、或者贴附在所述氮化硅层上；所述背面膜层结构增设有具有抗氧化、抗水汽性能的碳氮化硅层，从而增强了抗电势诱导衰减效果。该方案通过增加一层碳氮化硅薄膜来提高对氧化铝薄膜起保护作用的薄膜结构的抗氧化性和抗水汽性能。这种方案在提高PERC电池片抗PID性能方面确实能够起到一定效果，但工艺相对复杂，需要引入含碳元素的其他材料，例如甲烷、乙烷等，因此需要额外配备辅助气路和设施，对于已建成工厂来说需要额外较高投资；另外由于碳氮化硅的吸光系数高于氮化硅，增加该层碳氮化硅薄膜将导致太阳能电池片的光学损失较高，电池片转换效率偏低。
因此亟需针对钝化发射极和背面电池(PERC电池)的PID问题进行深入研究，特别是针对钝化发射极和背面电池(PERC)的氮化硅薄膜需要进行深入研究和优化，以提高PERC电池片的PID性能。
发明内容
1.要解决的问题
针对于现有的PERC电池生产完成后需要将电池组件在湿热环境及高电压的环境下进行测试，该测试环境影响电池组件的钝化效果，造成抗PID性能较差的问题，本发明在PERC电池生产过程中通过对射频电源通电使惰性气体激发成等离子体，并利用等离子体对所述的氧化铝膜层进行预处理，从而从根本上改善其电池抗PID性能。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，所述电池的生产包括以下步骤：
1)将镀有氧化铝膜层的PERC电池半成品硅片送入镀膜机，进行抽真空和加热，使镀膜机腔体内达到一定的真空度和温度；
2)通入惰性气体，同时保证所述腔体内维持一定压力，对射频电源通电使惰性气体激发成等离子体，利用等离子体对所述的氧化铝膜层进行预处理；
3)利用硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，在氧化铝膜层上沉积背面氮化硅薄膜。
作为本发明更进一步的改进，所述的惰性气体包括氢气、氮气或氨气的任意一种或几种组合。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤2)中射频电源的功率为5000～10000W，预处理时间为20～100s。本发明中射频电源的功率对提升晶体硅太阳能电池片的抗PID性能有着重要的影响，射频电源的功率越高，等离子体获得的能量越大，对镀有氧化铝膜层的硅片造成轰击的损伤就会越严重，容易造成氧化铝膜层的结构破损，因此射频电源的功率优选为5000-10000W。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤2)中惰性气体的流量为2000～7000sccm，腔体内的温度维持在400～650℃。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤1)中的真空度范围为＜10mtorr，温度为460～485℃。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤2)中惰性气体为氨气，氨气流量为3000sccm。在镀膜的工艺镀膜步之前预先通入氨气，并对射频电源通电使用氨气激发成含有H+、N、NH-、NH2 -等基团的等离子体，利用含有H+、N、NH-、NH2 -等基团等离子体的化学活性和物理冲击作用吹扫硅片在传输过程中吸附在氧化铝膜层表面的微粒杂质，同时还可以蒸发氧化铝膜层上的水汽。
作为本发明更进一步的改进，射频电源的功率为8000W，预处理时间为30s，反应腔体内的温度为500℃。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤2)中腔体内的压力为1700mtorr。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤1)处理之前还包括将PERC电池硅片进行制绒、扩散、激光SE、刻蚀、热氧化、ALD镀氧化铝薄膜的工序步骤，得到PERC电池半成品硅片。
作为本发明更进一步的改进，所述步骤3)之后还包括正面镀膜、背面激光开槽、丝网印刷、高温烧结、电注入处理、电性能分档的处理步骤，完成PERC电池片生产。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，在工艺生产步骤中，在氮化硅薄膜沉积步骤之前利用惰性气体等离子体处理氧化铝膜层，可以利用等离子体的物理冲击和化学活性吹扫硅片在传输过程中容易吸附在氧化铝膜层表面的杂质颗粒，从而在后续生产氮化硅薄膜氮化硅膜层和氧化铝膜层二者之间形成更好的贴合，成膜质量更好，可以避免氮化硅薄膜产生针孔状缺陷，进而避免在PID测试的极端环境下水汽和金属离子沿针孔状缺陷进入电池片内部的通道，同时还可以防止后续组装条件下水汽和金属离子进入电池片内部的通道，最终从根本上提升晶体硅太阳能电池片的抗PID性能，并且由于氧化铝膜层的表面界态的杂质颗粒变少，可以减少界面复合中心，有利于提升表面的钝化性能，从而提高电池片转换效率。
(2)本发明的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，在氧化铝薄膜镀膜完成后采用等离子气体进行处理，还可以有效防止在前序生产工艺过程中因氧化铝薄膜的极易吸水性造成的氧化铝膜层带有水汽，因此容易将水汽带入电池核心造成的PID失效问题，利用等离子体激发的能量蒸发氧化铝在上道工序传输下道工序过程中吸收的水汽，从而从根本上改善PID失效问题。
(3)本发明的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，选择在氮化硅薄膜沉积步骤之前利用惰性气体等离子体处理氧化铝膜层，利用等离子体气体产生的多种基团产生的化学活性和物理冲击作用吹扫硅片在传输过程中吸附在氧化铝膜层的微粒杂质和水分，处理更为彻底有效。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例提供了一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其具体实施步骤如下：
a)使用156.75×156.75尺寸的中环单晶硅片，经过：制绒→扩散→激光SE→刻蚀→热氧化→ALD镀氧化铝薄膜几道工序，加工成PERC电池半成品硅片；所述的激光SE为激光选择性掺杂，ALD是指原子层沉积生长氧化铝。
b)将已完成氧化铝钝化薄膜生产的PERC电池半成品硅片用石墨舟载具放入管式镀膜机中，然后按自动运行工艺流程进行抽真空和加热至所需范围。其中，真空范围为＜10mtorr，温度为460～485℃。
c)当真空和炉管温度达到所需范围之后，先通入氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电使氨气激发成等离子体，利用氨气等离子气体的化学作用和物理吹扫作用对所述氧化铝膜层表面进行预处理，其中射频电源的功率为8000W，氨气的流量为3000sccm，预处理时间为30s，反应腔体的温度为500℃。
d)硅片经过b步骤氨气等离子体预处理之后，同时通入1300sccm流量的硅烷和6300sccm流量的氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电一段时间激发高频电场，使硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，利用等离子体的化学活性在氧化铝薄膜上沉积所需背面氮化硅薄膜。其中射频电源的功率为13000W，反应腔体的温度为500℃，射频电源通电时间为8.5min。
e)将按b-d步骤完成背面氮化硅镀膜后的PERC电池半成品从镀膜机中取出，然后再经过“正面镀膜→背面激光开槽→丝网印刷→高温烧结→电注入处理→电性能分档”6道工序，完成PERC电池片生产。
挑选所述流程生产主流档位PERC电池片总共制作了4块60P版型的组件，然后在温度为85℃，相对湿度为85％，1500V的负压下处理192小时测试衰减比率为0.93％、0.81％、1.13％、0.92％。
实施例2
本实施例提供了一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其具体实施步骤如下：
a)使用156.75×156.75尺寸的中环单晶硅片，经过：制绒→扩散→激光SE→刻蚀→热氧化→ALD镀氧化铝薄膜几道工序，加工成PERC电池半成品硅片。
b)将已完成氧化铝钝化薄膜生产的PERC电池半成品硅片用石墨舟载具放入管式镀膜机中，然后按自动运行工艺流程进行抽真空和加热至所需范围。其中，真空范围为＜10mtorr，温度为460-485℃。
c)当真空和炉管温度达到所需范围之后，先通入氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电使用氨气激发成等离子体，利用氨气等离子气体的化学作用和物理吹扫作用对所述氧化铝膜层表面进行预处理，其中射频电源的功率为5000W，氨气的流量为7000sccm，预处理时间为100s，反应腔体的温度为400℃。
d)硅片经过b步骤氨气等离子体预处理之后，同时通入1300sccm流量的硅烷和6300sccm流量的氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电一段时间激发高频电场，使硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，利用等离子体的化学活性在氧化铝薄膜上沉积所需背面氮化硅薄膜。其中射频电源的功率为13000W，反应腔体的温度为500℃，射频电源通电时间为8.5min。
e)将按b-d步骤完成背面氮化硅镀膜后的PERC电池半成品从镀膜机中取出，然后再经过“正面镀膜→背面激光开槽→丝网印刷→高温烧结→电注入处理→电性能分档”6道工序，完成PERC电池片生产。
挑选所述流程生产主流档位PERC电池片总共制作了4块60P版型的组件，然后在温度为85℃，相对湿度为85％，1500V的负压下处理192小时测试衰减比率为0.25％、0.18％、0.43％、0.71％。
实施例3
本实施例提供了一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其具体实施步骤如下:
a)使用156.75×156.75尺寸的中环单晶硅片，经过：制绒→扩散→激光SE→刻蚀→热氧化→ALD镀氧化铝薄膜几道工序，加工成PERC电池半成品硅片。
b)将已完成氧化铝钝化薄膜生产的PERC电池半成品硅片用石墨舟载具放入管式镀膜机中，然后按自动运行工艺流程进行抽真空和加热至所需范围。其中，真空范围为＜10mtorr，温度为460-485℃；
c)当真空和炉管温度达到所需范围之后，先通入氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电使用氨气激发成等离子体，利用氨气等离子气体的化学作用和物理吹扫作用对所述氧化铝膜层表面进行预处理，其中射频电源的功率为10000W，氨气的流量为2000sccm，预处理时间为20s，反应腔体的温度为650℃。
d)硅片经过b步骤氨气等离子体预处理之后，同时通入1300sccm流量的硅烷和6300sccm流量的氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电一段时间激发高频电场，使硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，利用等离子体的化学活性在氧化铝薄膜上沉积所需背面氮化硅薄膜。其中射频电源的功率为13000W，反应腔体的温度为500℃，射频电源通电时间为8.5min。
e)将按b-d步骤完成背面氮化硅镀膜后的PERC电池半成品从镀膜机中取出，然后再经过“正面镀膜→背面激光开槽→丝网印刷→高温烧结→电注入处理→电性能分档”6道工序，完成PERC电池片生产。
挑选所述流程生产主流档位PERC电池片总共制作了4块60P版型的组件，然后在温度为85℃，相对湿度为85％，1500V的负压下处理192小时测试衰减比率为1.05％、1.18％、0.88％、0.94％。
对比例1
步骤1)：使用156.75×156.75尺寸的中环单晶硅片，经过：制绒→扩散→激光SE→刻蚀→热氧化→ALD镀氧化铝薄膜几道工序，加工成PERC电池半成品硅片；
步骤2)：将已完成氧化铝钝化薄膜生产的PERC电池半成品硅片用石墨舟载具放入管式镀膜机中，然后按自动运行工艺流程进行抽真空和加热至所需范围。其中，真空范围为＜10mtorr，温度为460～485℃；
步骤3)：当真空和炉管温度达到所需范围之后，直接同时通入1300sccm流量的硅烷和6300sccm流量的氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电一段时间激发高频电场，使硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，利用等离子体的化学活性在氧化铝薄膜上沉积所需背面氮化硅薄膜。其中射频电源的功率为13000W，反应腔体的温度为500℃，射频电源通电时间为8.5min。
步骤4)：将按步骤2)-步骤3)完成背面氮化硅镀膜后的PERC电池半成品从镀膜机中取出，然后再经过“正面镀膜→背面激光开槽→丝网印刷→高温烧结→电注入处理→电性能分档”6道工序，完成PERC电池片生产。
挑选所述流程生产主流档位PERC电池片总共制作了4块60P版型的组件，然后在温度为85℃，相对湿度为85％，1500V的负压下处理192小时测试衰减比率为3.86％、3.57％、5.46％、4.35％。
其中实施例1与对比例1生产的电池的效率对比如表1所示：
表1实施例1与对比例1生产的电池的效率对比
表1可以得出，实施例1的电池片转换效率Eta较对比例1偏高0.03％。
对比例2
本实施例为在氧化铝膜镀膜之前采用等离子气体处理硅片的对比例，由于在背钝化氧化铝膜之前各工序的生产过程中环境中颗粒粉尘等会使硅片表面带有污染物，因此采用等离子清洗氮化硅膜表面的脏污，从而防止氧化铝膜将硅片膜上的污染物覆盖后，污染物进入电池内部，以提升钝化性能，该对比例的具体步骤为：
a)使用156.75×156.75尺寸的中环单晶硅片，经过：制绒→扩散→激光SE→刻蚀→热氧化→加工成PERC电池半成品硅片；
b)将已完成热氧化的PERC电池半成品硅片采用石墨舟载具放入管式镀膜机中，然后按自动运行工艺流程进行抽真空和加热至所需范围。其中，真空范围为＜10mtorr，温度为460～485℃。
c)当真空和炉管温度达到所需范围之后，先通入氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电使用氨气激发成等离子体，利用氨气等离子气体的化学作用和物理吹扫作用对热氧化完成后的PERC电池半成品硅片表面进行预处理，其中射频电源的功率为8000W，氨气的流量为3000sccm，预处理时间为30s，反应腔体的温度为500℃，预处理后进行ALD镀氧化铝薄膜工序；
d)将完成镀氧化铝薄膜后的硅片，同时通入1300sccm流量的硅烷和6300sccm流量的氨气，同时打开真空泵阀门保证腔体内压力在1700mtorr，并对射频电源通电一段时间激发高频电场，使硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，利用等离子体的化学活性在氧化铝薄膜上沉积所需背面氮化硅薄膜。其中射频电源的功率为13000W，反应腔体的温度为500℃，射频电源通电时间为8.5min。
e)将按b-d步骤完成背面氮化硅镀膜后的PERC电池半成品从镀膜机中取出，然后再经过“正面镀膜→背面激光开槽→丝网印刷→高温烧结→电注入处理→电性能分档”6道工序，完成PERC电池片生产。
挑选所述流程生产主流档位PERC电池片总共制作了4块60P版型的组件，然后在温度为85℃，相对湿度为85％，1500V的负压下处理192小时测试衰减比率为2.56％、3.12％、4.68％、3.72％。
该对比例的方法是通过防止污染物被氧化铝钝化膜覆盖，进而防止污染物进入电池内部的来考虑，并未实际解决PID测试环境下PERC电池容易产生的缺陷，因此针对PID测试功率衰减率有一定程度的改善，但改善的效果不显著。
实施例与对比例所生产电池片制作组件的PID功率衰减率对比结果表2所示。
表2实施例与对比例所生产电池片制作组件的PID功率衰减率对比
Claims (10)
1.一种改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述电池的生产包括以下步骤：
1)将镀有氧化铝膜层的PERC电池半成品硅片送入镀膜机，进行抽真空和加热，使镀膜机腔体内达到一定的真空度和温度；
2)通入惰性气体，同时保证所述腔体内维持一定压力和温度，对射频电源通电使惰性气体激发成等离子体，利用所述等离子体对所述的氧化铝膜层进行预处理；
3)利用硅烷与氨气的混合气体激发成等离子体，在氧化铝膜层上沉积背面氮化硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述的惰性气体包括氢气、氮气或氨气的任意一种或几种组合。
3.根据权利要求1或2所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤2)中射频电源的功率为5000～10000W，预处理时间为20～100s。
4.根据权利要求3所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤2)中惰性气体的流量为2000～7000sccm，所述腔体内的温度维持在400～650℃。
5.根据权利要求4所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤1)中的真空度范围为＜10mtorr，温度为460～485℃。
6.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤2)中惰性气体为氨气，所述氨气流量为3000sccm。
7.根据权利要求1所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤2)中射频电源的功率为8000W，预处理时间为30s，反应腔体内的温度为500℃。
8.根据权利要求6或7所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤2)中腔体内的压力为1700mtorr。
9.根据权利要求8所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤1)处理之前还包括将PERC电池硅片进行制绒、扩散、激光SE、刻蚀、热氧化、ALD镀氧化铝薄膜的工序步骤，得到PERC电池半成品硅片。
10.根据权利要求9所述的改善晶体硅太阳能电池抗PID性能的方法，其特征在于：所述步骤3)之后还包括正面镀膜、背面激光开槽、丝网印刷、高温烧结、电注入处理、电性能分档的处理步骤，完成PERC电池片生产。
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