CN111599892B - 一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；再在基片正表面制备光刻掩膜层，再通过蒸汽制绒法制绒，接着在基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P‑N结，最后在基片正表面进行湿法刻蚀，镀减反射膜，印刷烧结，得到成品；本发明公开了一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，工艺设计合理，操作简单可控，选用金刚线切割的硅片作为基片进行加工，制备得到电学性能优异的电池片，从而提高太阳能电池的开路电压，短路电流及填充因子，提高转换效率，实现降本提效的目的，具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体是一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺。
背景技术
目前对新能源的研究和开发主要集中在太阳能、风能、地热能等可再生能源，由于太阳能资源丰富、分布广泛、是最具发展潜力的新能源。在现代化生产发展的今天，石油、煤、天然气等化石然料无法满足发展对能源的需求，并且化石能源的大量使用导致全球气候变暖，自然灾害频繁。而太阳能因其便利、安全可靠、资源充足等优点，已成为世界各国重点支持和发展的新型产业。
虽然晶体硅太阳能电池在近几年有了很大的发展，许多新型技术的引用使晶体硅太阳能电池的效率有了较大的提高，但较高的生产成本依然是目前晶体硅电池行业发展的最大制约因素，因此研究和开发高效、廉价的太阳能电池是世界各国光伏行业攻关的课题。
为降低发电的度电成本，大面积、薄片化和高效率是晶体硅太阳能电池行业的发展趋势。金刚线切割技术是降低硅片成本的里程性的技术革新，由于电池片制成工艺的限制，早期，金刚线切割仅用于单晶硅片的切割，实现了单晶硅电池片发电成本的快速下降，随着金刚线多晶硅片切割及相关电池技术快速的发展，金刚线切割多晶硅片在电池制成过程中的技术难点正逐步被攻克，在电池制备端，新型添加剂不断涌现、干法和湿法黑硅制绒技术取得最大突破，实现了金刚线切割多晶硅片的有效制绒，金刚线切割硅片的使用将使得多晶电池片的发电成本得到大幅降低。
针对该情况，研发人员针对金刚线切割硅片电池片制程中的技术难点进行研究攻克，使其加工工艺进行改进，提高加工效率，简化加工流程，减低成本，这是我们亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，包括以下步骤：
1)选料：选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片；
2)制绒：在基片正表面制备光刻掩膜层，再通过蒸汽制绒法制绒；
3)扩散：取步骤2)制绒处理后的基片，在基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；
4)镀膜：取步骤3)扩散处理后的基片，在基片正表面进行湿法刻蚀，镀减反射膜；
5)印刷，烧结，得到成品。
较优化的方案，包括以下步骤：
1)选料：选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；本发明步骤1)中选用取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，由于传统的砂浆切割所使用的钢线线径一般在110μm左右，加上碳化硅砂浆带来的磨损约60μm，所以砂浆线切割整体的刀缝损失约170微米，而本申请中利用金刚线线径70μm的金刚线切割，整体的刀缝可以做到小于90μm，相比于砂浆切片，本申请中刀缝损失降低了至少47％，因此通过金刚线切割得到基片，损失率更浅，基片质量更优异，切割成本大幅下降；选取基片后进行损伤层的去除，利用硝酸、氢氟酸进行清洗抛光，该步骤可以提高基片表面平整度，保证后续光刻掩膜层与基片之间的牢固性，避免光刻掩膜层粘附损伤层后出现脱落现象；
2)制绒：在基片正表面制备光刻掩膜层，再通过蒸汽制绒法制绒；步骤2)中先在基片正表面制备光刻掩膜层，利用负性光刻胶进行涂覆，并通过显影曝光等步骤，在基片正表面形成光刻掩膜层，该光刻图形为多个均匀分布的孔洞，在该光刻掩膜层制备后，再通过蒸汽制绒法制绒，此时由于光刻掩膜层的存在，制绒后不仅可在基片表面形成均匀分布的孔状绒面，而且孔状绒面的深度明显优于常规制绒工艺，极大程度的降低了反射率，并且不损失少子寿命，可用于大规模的多晶硅制绒；本发明步骤2)中选取了蒸汽制绒法代替常规酸溶液制绒，本申请中酸蒸汽制绒刻蚀的过程可以等效为液滴腐蚀的过程，即热的酸蒸汽在接触到温度较低的硅片衬底时,冷凝成小液珠，在这种液珠腐蚀硅片的过程中不断有液珠被消耗，以及形成新液珠，可在硅片表面形成了大小结构的嵌套，进一步增加了电池片表面陷光能力，且大圆坑中小结构数量的增多也会导致电池片表面反射率进一步下降；
3)扩散：取步骤2)制绒处理后的基片，基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；本发明步骤3)中进行扩散得到PN结，以实现光能到电能的转换，在实际操作中选用扩散炉操作，把基片放在管式扩散炉的石英容器内，在830℃高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子，经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，得到PN结；本申请中通过调整扩散工艺，在低温推进步时加长工艺时间，在维持表面低浓度的同时增加结深，这样不仅可以获得更加均匀的PN结，而且增加低温吸杂的效果，增大短路电流，使生产电池片获得更高的效率；
4)湿法刻蚀：取步骤3)扩散处理后的基片，去离子水冲洗，再依次放入氢氧化钠溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中进行刻蚀；本发明步骤4)中再进行湿法刻蚀，通过化学腐蚀法去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃、去除电池边缘的PN结，保证基片表面清洁；
5)镀膜：取湿法刻蚀后的基片，在基片正表面用PECVD沉积氮化硅膜，再在氮化硅膜表面继续沉积氮氧化硅膜；本发明步骤5)中对湿法刻蚀后的基片进行减反射膜的沉积，选用了氮化硅膜-氮氧化硅膜双层膜结构，其中氮化硅膜具有良好的绝缘性，致密性，稳定性和对杂质离子的掩蔽能力，具有极好的光学性能，可对硅片产生钝化作用，明显改善晶体硅太阳电池的光电转换效率；本申请中采用氮化硅膜-氮氧化硅膜双层膜结构，底层选用高折射率的氮化硅膜层，可增加基片表面的钝化效果，减少了基片表面缺陷态，增加了开路电压；而顶层设计了折射率低的氮氧化硅膜，可提高膜层(氮化硅膜、氮氧化硅膜)之间的光学匹配效果，降低反射率，并提高短路电流密度，从而提高太阳电池的转换效率；
6)印刷：取步骤5)镀膜处理后的基片，采用栅线为“S”型的网版进行正电极印刷，采用栅线为直线型的网版进行负电极印刷；本申请中选用金刚线切割的硅片作为加工基片，其切割线痕较明显，在印刷过程中使用我们正常印刷砂浆线切割硅片的网版印刷，由于栅线为直线型的设计会很容易导致粗线和断栅的问题，因此在印刷金刚线切割的硅片时，网版栅线设计成“S”型，可增加透墨性并且在不增加栅线宽度的情况下能够解决粗线和断栅的问题；
7)烧结，得到成品。
较优化的方案，步骤2)中，制绒具体步骤包括：
a)取步骤1)处理后的基片，在基片正表面涂覆光刻胶，光刻胶厚度为2-3um，置于90℃烘箱中烘烤25-35min，紫外曝光，显影腐蚀，再置于120℃烘箱中烘烤15-20min，在基片正表面形成光刻掩膜层；
b)取氢氟酸、硝酸，混合搅拌5-8min，得到制绒液；将制绒液倒入产生蒸汽的腔室中，温度调节至80-85℃；取带有光刻掩膜层的基片，在30℃下保温8-14min，保温后基片正表面通过蒸汽制绒法制绒，制绒时间为18-20min，再置于氢氧化钠溶液中浸泡10s，去离子水清洗，氮气烘干；
c)去除光刻掩膜层，清洗，结束制绒步骤。
较优化的方案，步骤c)中，光刻掩膜层去除步骤为：将蒸汽制绒后的基片置于去胶液中浸泡10-15min，去胶液温度为80-82℃，再将基片放入丙酮溶液中浸泡6-8min，再将基片放入乙醇浸泡5-10min，去离子水清洗，氮气烘干。
本发明制备光刻掩膜层后进行酸蒸汽制绒，随即去除光刻掩膜层，利用去胶液去除光刻胶，去胶液选用常规光刻胶去胶液，再将基片放入丙酮中，去除基片上残留的去胶液；本着“相似相溶”的原则，本技术方案中又利用乙醇洗去基片上残留的丙酮，最后乙醇溶于水，将整个基片清洗干净。
较优化的方案，步骤5)中，所述氮化硅膜厚度为70-80nm，折射率为2.09-2.11。
较优化的方案，步骤5)中，所述氮氧化硅膜厚度为60-62nm，折射率为1.64-1.66。
较优化的方案，步骤3)中，扩散温度为830℃，扩散时间为17-50min，方阻为60-90Ω/□。
较优化的方案，步骤1)中，损伤层去除厚度为3-4μm。
较优化的方案，步骤1)中，金刚线切割时，金刚线线径选为70μm
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明选用取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，利用金刚线线径70μm的金刚线切割，刀缝损失降低了至少47％，损失率更浅，基片质量更优异，切割成本大幅下降。
2、本发明制绒时先在基片正表面制备光刻掩膜层，制绒后不仅可在基片表面形成均匀分布的孔状绒面，而且孔状绒面的深度明显优于常规制绒工艺，极大程度的降低了反射率，并且不损失少子寿命，可用于大规模的多晶硅制绒。
3、本发明制绒时选取了蒸汽制绒法代替常规酸溶液制绒，制绒过程可以通过调整蒸汽温度与硅片温度之间的温差进行调控，在硅片表面形成了均匀的大小嵌套的孔状绒面，进一步增加了电池片表面陷光能力，降低了电池片表面反射率。
4、本申请中通过调整扩散工艺，在低温推进步时加长工艺时间，在维持表面低浓度的同时增加结深，这样不仅可以获得更加均匀的PN结，而且增加低温吸杂的效果，增大短路电流，使生产电池片获得更高的效率。
5、本发明减反射膜选用了氮化硅膜-氮氧化硅膜双层膜结构，底层选用高折射率的氮化硅膜层，可增加基片表面的钝化效果，增加开路电压，顶层设计了折射率低的氮氧化硅膜，可提高膜层之间的光学匹配效果，降低反射率，并提高短路电流密度，从而提高太阳电池的转换效率。
6、本申请在印刷金刚线切割的硅片时，网版栅线设计成“S”型，可增加透墨性并且在不增加栅线宽度的情况下能够解决粗线和断栅的问题。
本发明公开了一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，工艺设计合理，操作简单可控，选用金刚线切割的硅片作为基片进行加工，制备得到电学性能优异的电池片，从而提高太阳能电池的开路电压，短路电流及填充因子，提高转换效率，实现降本提效的目的，具有较高的实用性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
S1：选料：
选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；其中金刚线线径选为70μm，损伤层去除厚度为3μm。
S2：制绒：
取步骤S1处理后的基片，在基片正表面涂覆光刻胶，光刻胶厚度为2um，置于90℃烘箱中烘烤25min，紫外曝光，显影腐蚀，再置于120℃烘箱中烘烤15min，在基片正表面形成光刻掩膜层；
取氢氟酸、硝酸，混合搅拌5min，得到制绒液，将制绒液倒入产生蒸汽的腔室中，温度调节至80℃；取带有光刻掩膜层的基片，在30℃下保温8min，保温后基片正表面通过蒸汽制绒法制绒，制绒时间为18min，再置于氢氧化钠溶液中浸泡10s，去离子水清洗，氮气烘干；
将蒸汽制绒后的基片置于去胶液中浸泡10min，去胶液温度为80℃，再将基片放入丙酮溶液中浸泡6min，再将基片放入乙醇浸泡5min，去离子水清洗，氮气烘干。
S3：扩散：
取步骤S2制绒处理后的基片，基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；其中扩散温度为830℃，扩散时间为17min，方阻为60Ω/□。
S4：湿法刻蚀：
取步骤S3扩散处理后的基片，去离子水冲洗，再依次放入氢氧化钠溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中进行刻蚀；
S5：镀膜：
取湿法刻蚀后的基片，在基片正表面用PECVD沉积氮化硅膜，再在氮化硅膜表面继续沉积氮氧化硅膜；其中氮化硅膜厚度为70nm，折射率为2.09；氮氧化硅膜厚度为60nm，折射率为1.64；
S6：印刷：
取步骤S5镀膜处理后的基片，采用栅线为“S”型的网版进行正电极印刷，采用栅线为直线型的网版进行负电极印刷；
S7：烧结，得到成品。
实施例2：
S1：选料：
选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；其中金刚线线径选为70μm，损伤层去除厚度为4μm。
S2：制绒：
取步骤S1处理后的基片，在基片正表面涂覆光刻胶，光刻胶厚度为3um，置于90℃烘箱中烘烤35min，紫外曝光，显影腐蚀，再置于120℃烘箱中烘烤20min，在基片正表面形成光刻掩膜层；
取氢氟酸、硝酸，混合搅拌8min，得到制绒液，将制绒液倒入产生蒸汽的腔室中，温度调节至85℃；取带有光刻掩膜层的基片，在30℃下保温14min，保温后基片正表面通过蒸汽制绒法制绒，制绒时间为20min，再置于氢氧化钠溶液中浸泡10s，去离子水清洗，氮气烘干；
将蒸汽制绒后的基片置于去胶液中浸泡15min，去胶液温度为82℃，再将基片放入丙酮溶液中浸泡8min，再将基片放入乙醇浸泡10min，去离子水清洗，氮气烘干。
S3：扩散：
取步骤S2制绒处理后的基片，基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；其中扩散温度为830℃，扩散时间为50min，方阻为90Ω/□。
S4：湿法刻蚀：
取步骤S3扩散处理后的基片，去离子水冲洗，再依次放入氢氧化钠溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中进行刻蚀；
S5：镀膜：
取湿法刻蚀后的基片，在基片正表面用PECVD沉积氮化硅膜，再在氮化硅膜表面继续沉积氮氧化硅膜；其中氮化硅膜厚度为80nm，折射率为2.11；氮氧化硅膜厚度为62nm，折射率为1.66；
S6：印刷：
取步骤S5镀膜处理后的基片，采用栅线为“S”型的网版进行正电极印刷，采用栅线为直线型的网版进行负电极印刷；
S7：烧结，得到成品。
实施例3：
S1：选料：
选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；其中金刚线线径选为70μm，损伤层去除厚度为4μm。
S2：制绒：
取步骤S1处理后的基片，在基片正表面涂覆光刻胶，光刻胶厚度为3um，置于90℃烘箱中烘烤30min，紫外曝光，显影腐蚀，再置于120℃烘箱中烘烤18min，在基片正表面形成光刻掩膜层；
取氢氟酸、硝酸，混合搅拌7min，得到制绒液，将制绒液倒入产生蒸汽的腔室中，温度调节至82℃；取带有光刻掩膜层的基片，在30℃下保温12min，保温后基片正表面通过蒸汽制绒法制绒，制绒时间为19min，再置于氢氧化钠溶液中浸泡10s，去离子水清洗，氮气烘干；
将蒸汽制绒后的基片置于去胶液中浸泡12min，去胶液温度为81℃，再将基片放入丙酮溶液中浸泡7min，再将基片放入乙醇浸泡8min，去离子水清洗，氮气烘干。
S3：扩散：
取步骤S2制绒处理后的基片，基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；其中扩散温度为830℃，扩散时间为36min，方阻为84Ω/□。
S4：湿法刻蚀：
取步骤S3扩散处理后的基片，去离子水冲洗，再依次放入氢氧化钠溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中进行刻蚀；
S5：镀膜：
取湿法刻蚀后的基片，在基片正表面用PECVD沉积氮化硅膜，再在氮化硅膜表面继续沉积氮氧化硅膜；其中氮化硅膜厚度为75nm，折射率为2.10；氮氧化硅膜厚度为61nm，折射率为1.65；
S6：印刷：
取步骤S5镀膜处理后的基片，采用栅线为“S”型的网版进行正电极印刷，采用栅线为直线型的网版进行负电极印刷；
S7：烧结，得到成品。
检测实验：
选取本发明工艺中实施例1-3制备的的太阳能电池(A1、A2、A3)和市场上常见的太阳能电池(B)进行实验，其中实验条件为照度：1000W/㎡；温度：为(25±1)℃，得到如下数据：
| 开路电压(V) | 短路电流(A) | 填充因子(％) | 转换效率(％) | |
| A1 | 0.632 | 8.481 | 77.082 | 17.2 |
| A2 | 0.631 | 8.443 | 77.088 | 17.15 |
| A3 | 0.632 | 8.479 | 77.078 | 17.17 |
| B | 0.628 | 8.343 | 77.011 | 17.0 |
由上表可知：本发明通过对金刚线切割硅片在电池片制备过程中对工艺进行改进，提高了太阳能电池的开路电压，短路电流及填充因子，填充因子提升至少0.1％，转换效率至少提升0.15％，实现了降本提效的技术效果。
结论：本发明公开了一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，工艺设计合理，操作简单可控，选用金刚线切割的硅片作为基片进行加工，制备得到电学性能优异的电池片，从而提高太阳能电池的开路电压，短路电流及填充因子，提高转换效率，实现降本提效的目的，具有较高的实用性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (7)
1.一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)选料：选取金刚线切割得到的多晶硅片为基片，将基片依次放入硝酸、氢氟酸中进行清洗抛光，去除基片表面损伤层；
2)制绒：
a)取步骤1）处理后的基片，在基片正表面涂覆光刻胶，光刻胶厚度为2-3um，置于90℃烘箱中烘烤25-35min，紫外曝光，显影腐蚀，再置于 120℃烘箱中烘烤15-20min，在基片正表面形成光刻掩膜层；
b)取氢氟酸、硝酸，混合搅拌5-8min，得到制绒液；将制绒液倒入产生蒸汽的腔室中，温度调节至80-85℃；取带有光刻掩膜层的基片，在30℃下保温8-14min，保温后基片正表面通过蒸汽制绒法制绒，制绒时间为18-20min，再置于氢氧化钠溶液中浸泡10s，去离子水清洗，氮气烘干；
c)去除光刻掩膜层，清洗，结束制绒步骤；
3)扩散：取步骤2）制绒处理后的基片，基片正表面通过POCL3液态扩散源热扩散法制备P-N结；
4)湿法刻蚀：取步骤3）扩散处理后的基片，去离子水冲洗，再依次放入氢氧化钠溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中进行刻蚀；
5)镀膜：取湿法刻蚀后的基片，在基片正表面用PECVD沉积氮化硅膜，再在氮化硅膜表面继续沉积氮氧化硅膜；
6)印刷：取步骤5）镀膜处理后的基片，采用栅线为“S”型的网版进行正电极印刷，采用栅线为直线型的网版进行负电极印刷；
烧结，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤c）中，光刻掩膜层去除步骤为：将蒸汽制绒后的基片置于去胶液中浸泡10-15min，去胶液温度为80-82℃，再将基片放入丙酮溶液中浸泡6-8min，再将基片放入乙醇浸泡5-10min，去离子水清洗，氮气烘干。
3.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤5）中，所述氮化硅膜厚度为70-80nm，折射率为2.09-2.11。
4.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤5）中，所述氮氧化硅膜厚度为60-62nm，折射率为1.64-1.66。
5.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤3）中，扩散温度为830℃，扩散时间为17-50min，方阻为60-90Ω/□。
6.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤1）中，损伤层去除厚度为3-4μm。
7.根据权利要求1所述的一种通过金刚线切割硅片制备电池片的加工工艺，其特征在于：步骤1）中，金刚线切割时，金刚线线径选为70μm。
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