CN110943142A - 一种制备光伏电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备光伏电池的方法，该方法包括采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片，对研磨后的所述光伏硅片进行掺杂扩散，形成P‑N结，依次对所述光伏硅片进行镀膜、制备上下电极，并进行封装。通过采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片来取代现有的腐蚀制绒工艺，可以使得光伏硅片表面的粗糙度降低至纳米级，减少了复合中心的数量，提高了光生载流子的寿命。

Description

一种制备光伏电池的方法
本申请要求在2018年9月21日提交中华人民共和国知识产权局、申请号为201811107219.6、发明名称为“一种制备光伏电池的方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明实施例涉及光伏技术领域，尤其涉及一种制备光伏电池的方法。
背景技术
目前国内外光伏电池硅片普遍采用表面制绒工艺，目的是使入射光的反射率由30.9％降到12～20％。但这也使硅片表面受到严重的化学腐蚀损伤，导致硅片表面出现大量“复合中心”。当光生载流子与“复合中心”相遇时，迅速被“复合”而消失，使光生载流子的平均寿命从1000微秒以上降到1～10微秒。因此制绒工艺成为光电转换率长期徘徊在15～18％低水平的重要原因。
因此，亟需一种可以减少复合中心，提高光生载流子平均寿命的方法来制备光伏电池，以提高光伏电池的光电转换率。
发明内容
本发明实施例提供一种制备光伏电池的方法，用以提高光伏电池的光电转换率。
本发明实施例提供的一种制备光伏电池的方法，包括：
采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片；
对研磨后的所述光伏硅片进行掺杂扩散，形成P-N结；
依次对所述光伏硅片进行镀膜、制备上下电极，并进行封装。
上述技术方案中，通过采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片来取代现有的腐蚀制绒工艺，可以使得光伏硅片表面的粗糙度降低至纳米级，减少了复合中心的数量，提高了光生载流子的寿命。
可选的，所述采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片，包括：
对所述光伏硅片的上表面和下表面分别进行多次研磨，所述多次研磨的精度逐渐提高；所述纳米聚晶金刚石的粒径随着研磨精度的提高而减小。
通过多次研磨可以提高研磨的精度，进一步降低光伏硅片的表面的粗糙度。
可选的，所述多次研磨为至少两次研磨；
所述对所述光伏硅片的上表面和下表面分别进行多次研磨，包括：
采用第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的背表面进行第一次研磨；采用第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的背表面进行第二次研磨；
采用所述第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的上表面进行第一次研磨；采用所述第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的上表面进行第二次研磨；
其中，所述第一粒径大于所述第二粒径。
上述技术方案中，采用的纳米聚晶金刚石研磨液的粒径越小，研磨后得到的精度也就越高。
可选的，所述纳米聚晶金刚石为类球状纳米聚晶金刚石。
可选的，所述纳米聚晶金刚石研磨液包括研磨剂和纳米聚晶金刚石磨粒；所述研磨剂为去离子水或轻质油。
可选的，所述第一粒径为0.4～0.6微米的粒径；所述第二粒径为小于0.1微米的粒径。
可选的，对所述光伏硅片进行镀膜，包括：
对所述光伏硅片的上表面进行减反射镀膜；
对所述光伏硅片的背表面镀反射膜。
上述技术方案中，通过对光伏硅片的上表面进行减反射镀膜，可以降低光伏硅片上表面的反射率，提高光电转换率。
可选的，所述对所述光伏硅片的上表面进行减反射镀膜，包括：
对所述光伏硅片的上表面进行多层减反射镀膜。
上述技术方案中，通过采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片的方式可以减少复合中心的数量，提高光生载流子的平均寿命。进一步，通过多层减反射镀膜降低光伏硅片上表面的反射率，可大幅提高光电转换率。
可选的，所述多层减反射镀膜的折射率由外层到内层逐渐增大；所述多层减反射镀膜的厚度由外层到内层逐渐减小。
可选的，所述掺杂扩散的厚度为0.3～0.5微米。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种制备光伏电池的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
目前国内外光伏电池的制备技术普遍采用制绒工艺，致使光电转换率长期处于15％～18％的较低水平。本发明为解决这一问题，提供了一种既能达到极低的光反射率又不腐蚀损伤光伏电池硅片表面的两全方法，从而大大提高了光生载流子的寿命和光电转换率。图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种制备光伏电池的方法的流程。
如图1所示，该流程具体包括：
步骤101，采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片。
在本发明实施例中，纳米聚晶金刚石研磨液可以包括研磨剂和纳米聚晶金刚石磨粒，该研磨剂可以为去离子水或轻质油。该纳米聚晶金刚石可以为类球状纳米聚晶金刚石。
在对该光伏硅片进行研磨时，可以对光伏硅片的上表面和下表面分别进行多次研磨，多次研磨的精度逐渐提高。其中，纳米聚晶金刚石的粒径随着研磨精度的提高而减小。在本发明实施例中，研磨的精度可以通过粗研磨、细研磨、精细研磨和超精细研磨等来描述。不同精度的研磨得到的光伏硅片的表面的粗糙度不同。
在具体实施过程中，该多次研磨可以为至少两次，这里以两次研磨为例进行描述，也可以进行更多次，进行更多次研磨时，使用的纳米聚晶金刚石的粒径是逐渐减小的。具体的，首先，采用第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对光伏硅片的背表面进行第一次研磨，采用第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对光伏硅片的背表面进行第二次研磨。然后采用第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对光伏硅片的上表面进行第一次研磨，采用第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对光伏硅片的上表面进行第二次研磨。其中，第一粒径大于第二粒径。该第一粒径和第二粒径可以依据经验进行设置，例如，该第一粒径可以为0.4～0.6μm的粒径，该第二粒径可以为小于0.1μm的粒径。
通过上述步骤可以看出，对光伏硅片的上表面和背表面进行研磨时，研磨精度是相同的，这样可以使得上表面和背表面的粗糙度基本相同。
举例来说，上述第一次研磨可以为细研磨：
在研磨机上，采用粒径D50＝0.4～0.6μm的类球状纳米聚晶金刚石研磨液，在300目合成铜盘上进行研磨，研磨液滴到磨盘上，磨盘转速可以为40～50rpm。光伏硅片是用粘结剂(石蜡或水杨酸苯酯)粘贴在陶瓷粘贴板上的，再将粘贴板置于磨盘的工位上，然后启动研磨机进行研磨。在研磨过程中，粘贴板转速可以为500～800rpm，被研磨晶片上的压强可以为0.03～0.05MP，研磨液中金刚石磨粒的质量浓度可以为wt％＝0.2～0.3％，研磨液的滴入速度可以为3.0～4.0ml/min，研磨时间可以为20～25分钟，研磨后的光伏硅片的去除量可以为10～18μm，去除率可以为5～9μm/min，研磨后的光伏硅片的表面的粗糙度Ra可以为8～11nm。
上述第二次研磨可以为精细研磨：
在研磨机上，采用粒径D50≤0.1μm的类球状纳米聚晶金刚石研磨液，在合成锡盘上进行研磨。研磨液滴到磨盘上，磨盘转速可以为50～70rpm。光伏硅片粘贴在陶瓷粘贴板上，再将粘贴板置于磨盘的工位上，然后启动研磨机进行研磨。粘贴板转速可以为800～1400rpm，被研磨晶片上的压强可以为0.025～0.03MP，研磨液中金刚石磨粒的质量浓度可以为wt％＝0.4～0.5％，研磨液的滴入速度可以为3.0～4.0ml/min，研磨时间可以为20～25min，研磨后的光伏硅片的表面的粗糙度Ra可以为1.0～1.3nm。
需要说明的是，第一次研磨和第二次研磨的加工总时间可以为40～50分钟。其中，上表面和背表面各进行两次研磨。上述研磨机可以为高精度研磨机。
本发明实施例中所采用的纳米聚晶金刚石粒径大小用D50表示，D50也称为中位粒径或中值粒径。
本发明实施例可以对单晶硅光伏硅片和多晶硅光伏硅片都可以研磨，其中，对单晶硅光伏硅片(粗糙度Ra＝0.09μm)研磨后的粗糙度可以如表1所示例子，对多晶硅光伏硅片(粗糙度Ra＝0.045μm)进行研磨后的粗糙度可以如表2所示例子。
表1
Figure BDA0001826908130000051
Figure BDA0001826908130000061
表2
Figure BDA0001826908130000062
在本发明实施例中，采用类球状纳米聚晶金刚石对光伏硅片的表面进行研磨后，其损伤层厚度可降到制绒工艺造成的微米级损伤层厚度的几十分之一。因此，由制绒工艺造成的损伤、缺陷所产生的“复合中心”数量将大大减少，使得光生载流子的寿命由制绒工艺造成的1～10微秒提升到1000微秒以上。
步骤102，对研磨后的所述光伏硅片进行掺杂扩散，形成P-N结。
在扩散炉中可以对光伏硅片的上表面和背表面同时掺杂扩散，也可以只对光伏硅片的上表面掺杂扩散，本发明实施例对此不做限制。在进行掺杂扩散时，可以采用磷或硼的掺杂。掺杂扩散后形成P-N结。
在本发明实施例中，离子扩散时，扩散的厚度可以为0.3～0.5μm。
步骤103，依次对所述光伏硅片进行镀膜、制备上下电极，并进行封装。
在上述步骤102之后，还需要对光伏硅片进行镀膜，具体的，可以对光伏硅片的上表面进行减反射镀膜，对光伏硅片的背表面镀反射膜。
可选的，可以对光伏硅片的上表面进行多层减反射镀膜，对光伏硅片的背表面镀铝反射膜。在本发明实施例中，多层可以为3层或3层以上，例如4层。
采用多层(例如3层)材料的减反射镀膜后，可使波长为400nm、600nm、1200nm的入射光的反射率接近于零。其余波长的反射率最高不超过2.82％，远低于制绒工艺的反射率12～20％。这样一来，太阳光能量80％以上所在的波段，即波长在400nm～1200nm范围内的入射光，97％以上均能参与光电转换过程。具体的三层减反射镀膜后硅片表面光的反射率可以如表3所示。
表3
光色 波长nm 位相角 反射率％
紫光 400 135° 0.048％
绿光 500 108° 1.6％
橙色光 600 90° 0.00062％
红光 700 77.14° 0.69％
近红外光 800 67.5° 2.82％
近红外光 1000 54° 1.17％
近红外光 1200 45° 0.00067％
多层减反射镀膜所选择的镀膜材料应该满足：透明、不导电、对光线不吸收、有足够强度、不易老化脱落、理化性能稳定、能保证镀层厚度均匀、价格合理等条件。为实现表3中所示的目标，多层减反射镀膜的折射率可以由外层到内层逐渐增大，多层减反射镀膜的厚度可以由外层到内层逐渐减小。
以三层镀膜为例，由外层到内层分别为第一层、第二层、第三层，折射率应满足：第一层镀膜的折射率可以为1.3～1.4，第二层镀膜的折射率可以为1.8～1.9，第三层镀膜的折射率可以为2.5～2.6。而镀膜的厚度应满足：第一层镀膜的厚度可以为100～115nm，第二层镀膜的厚度可以为79～84nm，第三层镀膜的厚度可以为56～61nm。
上述实施例表明，通过采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片，对研磨后的所述光伏硅片进行掺杂扩散，形成P-N结，依次对所述光伏硅片进行镀膜、制备上下电极，并进行封装。通过采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片来取代现有的腐蚀制绒工艺，可以使得光伏硅片表面的粗糙度降低至纳米级，减少了复合中心的数量，提高了光生载流子的寿命。
在本发明实施例中，采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片以及进行多层减反射镀膜后，单晶硅光伏电池的转换率，保守估计可由17％提高到25％。若与7倍聚光和太阳跟踪的单晶光伏电池工艺相结合，转换率可由它的24-26％进一步提高到30％以上。若与背表面膜钝化技术相结合，光电转换率也可由它的23.3％进一步提升到30％以上。
采用本发明所述的方法，与现有技术相比，取得了光伏电池光电转换率由17％左右提高到30％的进步，达到了降低光伏发电成本，使低于目前市电价的效果。节省了煤电以及石化发电的资源消耗，提高了清洁能源在总能源中所占的比例。
举例来说，青海柴达木盆地年平均日照3000小时，太阳总辐射量达1944kw-h/平方米/年。该地区矿产资源丰富，但缺乏电力开采。若在柴达木盆地的1/1000面积(约260平方公里)上，敷设本工艺所提供的光电转换率为30％的单晶光伏电池，则年发电量为1516亿kw-h，是三峡电站年发电量(976亿kw-h)的1.48倍。光伏发电功率为50.5GW，约为三峡电站功率22.5GW的2倍。
若按2018年我国市电价每度0.49元计，柴达木盆地光伏电站年产值约为743亿元。2018年我国单晶光伏电池光电转换率约17％，光伏电池市场价为220元/100W。若计及转换率提升至30％后的成本下降，但考虑安装成本和其他无法准确预计的支出后，以330元/100W计，则50.5GW的光伏电站总投资约为1660亿元，低于三峡电站总投资额1820亿元，但发电量为三峡电站的1.48倍。柴达木盆地光伏电站一年的发电效益按市电价计为743亿元，约为光伏电站总投入成本的1/2，即两年可回收成本，而后的每年743亿元的发电效益为纯收益，也可用作扩建新光伏电站的启动资金。两年后在还请投资后，可进入良性的自我滚动发展模式，6年后滚动成4座，14年后形成64座，此时约占用柴达木盆地1/20的面积，其发电量约为三峡电站的100倍。届时我国可基本实现能源光伏化，并为全球的绿色能源化作出贡献。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种制备光伏电池的方法，其特征在于，包括：
采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片；
对研磨后的所述光伏硅片进行掺杂扩散，形成P-N结；
依次对所述光伏硅片进行镀膜、制备上下电极，并进行封装。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用纳米聚晶金刚石研磨液研磨光伏硅片，包括：
对所述光伏硅片的上表面和下表面分别进行多次研磨，所述多次研磨的精度逐渐提高；所述纳米聚晶金刚石的粒径随着研磨精度的提高而减小。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多次研磨为至少两次研磨；
所述对所述光伏硅片的上表面和下表面分别进行多次研磨，包括：
采用第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的背表面进行第一次研磨；采用第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的背表面进行第二次研磨；
采用所述第一粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的上表面进行第一次研磨；采用所述第二粒径的纳米聚晶金刚石研磨液对所述光伏硅片的上表面进行第二次研磨；
其中，所述第一粒径大于所述第二粒径。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米聚晶金刚石为类球状纳米聚晶金刚石。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米聚晶金刚石研磨液包括研磨剂和纳米聚晶金刚石磨粒；所述研磨剂为去离子水或轻质油。
6.如权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一粒径为0.4～0.6微米的粒径；所述第二粒径为小于0.1微米的粒径。
7.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，对所述光伏硅片进行镀膜，包括：
对所述光伏硅片的上表面进行减反射镀膜；
对所述光伏硅片的背表面镀反射膜。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述光伏硅片的上表面进行减反射镀膜，包括：
对所述光伏硅片的上表面进行多层减反射镀膜。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多层减反射镀膜的折射率由外层到内层逐渐增大；所述多层减反射镀膜的厚度由外层到内层逐渐减小。
10.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂扩散的厚度为0.3～0.5微米。
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