CN112509919A - 一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法。该方法包括：S1、对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域；S2、对硅基体进行掺杂和退火处理，以使得硅基体背面的多晶硅层变为表面覆盖有含磷氧化层的掺磷多晶硅层，同时在硅基体正面的含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域上均形成薄氧化层；S3、对硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；S3、对硅基体进行后处理。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法。
背景技术
在晶体硅太阳电池中，光学、电学和电阻损失是限制太阳能电池效率的主要因素。目前已有的商业化晶体硅太阳电池中，多晶太阳能电池采用酸制绒，形成蠕虫状的孔洞结构，制绒后表面反射率在16％-20％；相较于多晶电池，单晶电池表面采用碱制绒技术，形成金字塔结构，可以获得比常规多晶电池更低的表面反射率，制绒后反射率为11％-13％。由于多晶硅片金刚线切割的推广，常规的酸制绒工艺后表面反射率更高，并且伴有明显的线痕等外观缺陷，严重影响多晶电池效率，黑硅技术可以完美的解决这一问题，无论RIE技术还是湿法黑硅技术，既可以提升多晶电池效率又可以降低多晶电池成本，是多晶提效降本的必经之路。目前，国内已经有一些厂商将该黑硅技术应用到多晶电池生产中，该技术可以降低表面反射率，提升电池的短路电流，从而提升电池效率。然而，黑硅技术在单晶电池中的应用却鲜有报道。在单晶电池中叠加黑硅技术，可以进一步的降低电池表面反射率，提升短路电流，从而提升电池效率；此外，黑硅单晶电池表面各角度反射率均很低，而常规单晶只对垂直入射的光反射率低，黑硅TOPCon电池可以满足特斯拉瓦的需求。
目前，常用的黑硅技术有如下几种：1)激光刻蚀法、2)气相腐蚀法、3)发应离子刻蚀法(RIE)、4)金属催化化学腐蚀法(MCCE)。激光刻蚀法和气相腐蚀法由于设备造价昂贵，在产业化中应用很少，一般用于实验室研究；反应离子刻蚀法和金属催化化学腐蚀法均在多晶电池产业中有广泛的应用。
目前，国内已经有一些厂商将TOPCon技术应用到电池生产中，在制备隧穿氧化层和掺杂多晶硅层的过程大多采用LPCVD设备，由于沉积多晶硅的前驱体的硅烷为气态，化学反应沉积的过程中由于硅片贴合的紧密程度不一致，难免会在正面产生随机的绕镀区域，且此绕镀区域会对电池的性能带来以下负面影响：
1)绕镀区域跟非绕镀区域存在颜色差异，镀膜后有明显色差，导致电池外观不良；
2)绕镀区域的多晶硅吸光能力强，不利于电池对光线的吸收，引起效率的降低；
3)绕镀区域的多晶硅影响浆料的烧穿效果，导致电池的填充因子降低，引起效率的降低。
常用的去绕镀方法为通过酸溶液或碱溶液去除绕镀，这两种方法在去除正面绕镀时，酸碱溶液不仅会与绕镀区域的硅发生反应，在正面非绕镀区域也会与硅发生反应，因此，正面在去除绕镀之后，无可避免的会将非绕镀区域的金字塔刻蚀掉一部分，造成正面反射率升高，电流降低。
因此，如何在保证在不升高正面反射率，不降低电流的前提下，去除电池正面的绕度，以提高单位面积特斯拉瓦的发电功率是接下来特斯拉瓦的重点研究方向之一。
发明内容
本发明的目的在于利用RIE技术去除钝化接触电池中的多晶硅绕镀，既获得良好的外观，又降低电池表面反射率，提高电池效率，提供一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法。
本发明的一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法，包括以下步骤：
S1、对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域；
S2、对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；
S3、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理。
本发明提供的一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤S2中，
反应离子刻蚀的气体为SF4、CL2与O2的混合气体。
其中，在步骤S2中，
对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理，扩孔处理的溶液为NaOH溶液，扩孔之后的所述纳米级空洞结构的长为50-300nm，深度为50-300nm。
其中，在步骤S1中，所述对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片在N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域包括：
S11、在制绒后的N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；
S12、去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极，并在背面形成平整形貌；
S13、在N型单晶硅基体的背面依次沉积隧穿氧化层和多晶硅层；在沉积过程中，在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域。
其中，在步骤S2中，所述对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构之前，所述方法还包括：
S3’，在N型单晶硅基体背面沉积氮化硅叠层减反膜；
其中，在步骤S3中，所述对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理包括：
S31、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程的残留物和离子轰击的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理；
S32、在N型单晶硅基体正面沉积氧化铝、氮化硅叠层减反膜体；
S33、在N型单晶硅基体的正面制备p+金属电极，在N型单晶硅基体的背面制备n+金属电极。
其中，在步骤S11中，
采用硼扩散的方法对制绒后的N型单晶硅基体进行硼掺杂，以在N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；硼扩散的硼源为三溴化硼或硼浆。
其中，在步骤S12中，
采用HF/HNO3/H2SO4的混合溶液刻蚀N型单晶硅基体的背面，以去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极，并在背面形成平整形貌。
其中，在步骤S33中，
所述p+金属电极和n+金属电极均为“H”型栅线。
其中，在步骤S2之前，所述方法还包括：
S2’、对N型单晶硅基体进行掺杂和退火处理，以使得N型单晶硅基体背面的多晶硅层变为表面覆盖有含磷氧化层的掺磷多晶硅层，同时在N型单晶硅基体正面的含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域上均形成薄氧化层。
本发明的实施包括以下技术效果：
由于绕镀产生的多晶硅(对应于本申请的含有多晶硅绕镀的第一区域)的致密性没有单晶硅(对应于本申请的不含多晶硅绕镀的第二区域)的致密性好，因此，RIE对多晶硅(对应于本申请的含有多晶硅绕镀的第一区域)的刻蚀速率比单晶硅(对应于本申请的不含多晶硅绕镀的第二区域)快很多。因此，本发明利用RIE对多晶硅和单晶硅的刻蚀速率之间的差异来实现选择性刻蚀，从而实现去除第一区域的多晶硅绕镀，同时RIE形成的表面形貌能够大大降低电池正面的反射率，提高短路电流，从而提高太阳能电池的转换效率。并且，本发明先制备背面钝化接触结构，再在正面叠加RIE技术，使电池片正面呈现全黑色，利用这种技术制备的钝化接触电池来制备特斯拉瓦，其效率高，单位面积的发电功率高。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S1后的电池结构截面示意图。
图2为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S11后的电池结构截面示意图。
图3为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S12后的电池结构截面示意图。
图4为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S13后的电池结构截面示意图。
图5为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S2’后的电池结构截面示意图。
图6为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤步骤S2”中双面碱洗后的电池结构截面示意图。
图7.1为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S2中制备氧化层之后的电池结构截面示意图。
图7.2为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S2中进行反应离子刻蚀后的电池结构截面示意图。
图8为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S32后的电池结构截面示意图。
图9为本发明实施例的一种基于RIE的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤S33后的电池结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到保护。
本发明的一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法，包括以下步骤：
S1、对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片在N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域；
在一个实施例中，在步骤S1中，所述对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片在N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域包括：
S11、在制绒后的N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；
在一个实施例中，采用硼扩散的方法对制绒后的N型单晶硅基体进行硼掺杂，以在N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；硼扩散的硼源为三溴化硼或硼浆。
S12、去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极，并在背面形成平整形貌；
在一个实施例中，通过单面酸刻蚀的方法去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极。
S13、在N型单晶硅基体的背面依次沉积隧穿氧化层和多晶硅层；在沉积过程中，在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域。
在一个实施例中，通过LPCVD法在硅基体的背面制备隧穿氧化层和掺杂多晶硅层，同时在N型单晶硅基体正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域。
S2’、对N型单晶硅基体进行掺杂和退火处理，以使得N型单晶硅基体背面的多晶硅层变为表面覆盖有含磷氧化层的掺磷多晶硅层，同时在N型单晶硅基体正面的含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域上均形成薄氧化层；
S2、对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；
在一个实施例中，在步骤S2中，对N型单晶硅基体进行反应离子刻蚀的气体为SF4、CL2与O2的混合气体。
在一个实施例中，还需对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理，扩孔处理的溶液为NaOH溶液，扩孔处理的温度为20～25℃，扩孔处理的时间为30～60s。
在一个实施例中，扩孔之后的纳米级空洞结构的长为50-300nm，深度为50-300nm。
S3、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理。
在一个实施例中，所述对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理包括：
S31、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程的残留物和离子轰击的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理；
S32、在N型单晶硅基体正面沉积氧化铝、氮化硅叠层减反膜体；
S33、在N型单晶硅基体的正面制备p+金属电极，在N型单晶硅基体的背面制备n+金属电极。
在一个实施例中，所述p+金属电极和n+金属电极均为“H”型栅线。正面“H”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述正面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm；背面“H”型栅线包括包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm。
可选地，在步骤S2中，所述对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构之前，所述方法还包括：
S3’，在N型单晶硅基体背面沉积氮化硅叠层减反膜；
本实施例中，通过在步骤S2之前在N型单晶硅基体背面沉积氮化硅叠层减反膜，以避免后续RIE工艺对电池背面造成破坏。
可选地，在步骤S2之前，所述方法还包括：
S1’、对N型单晶硅基体进行清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构，所述金字塔结构的厚度为2-5um。
由于绕镀产生的多晶硅(对应于本申请的含有多晶硅绕镀的第一区域)的致密性没有单晶硅(对应于本申请的不含多晶硅绕镀的第二区域)的致密性好，因此，RIE对多晶硅(对应于本申请的含有多晶硅绕镀的第一区域)的刻蚀速率比单晶硅(对应于本申请的不含多晶硅绕镀的第二区域)快很多。因此，本发明利用RIE对多晶硅和单晶硅的刻蚀速率之间的差异来实现选择性刻蚀，从而实现去除第一区域的多晶硅绕镀，同时RIE形成的表面形貌能够大大降低电池正面的反射率，提高短路电流，从而提高太阳能电池的转换效率。并且，本发明先制备背面钝化接触结构，再在正面叠加RIE技术，使电池片正面呈现全黑色，利用这种技术制备的钝化接触电池来制备特斯拉瓦，其效率高，单位面积的发电功率高。
下面将以具体的实施例对本发明的制备方法进行详细地说明。
步骤S1、选择N型单晶硅基体1，并对N型单晶硅基体1进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构2。其中，N型单晶硅基体1的电阻率为0.3Ω·cm，厚度为100μm，金字塔结构2的尺寸为2um。完成本步骤后的电池结构如图1所示。
步骤S11、采用硼扩散的方法对制绒后的N型单晶硅基体进行硼掺杂，以在N型单晶硅基体的双面制备p+发射极3；硼扩散的硼源为三溴化硼或硼浆，扩散温度为950-1100℃，硼扩散方阻为70～150Ω/sq。完成本步骤后的电池结构如图2所示。
步骤S12、采用HF/HNO3/H2SO4的混合溶液单面刻蚀，去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极3，并在背面形成平整形貌4，刻蚀完成后，N型单晶硅基体减重0.4-0.8g。完成本步骤后的电池结构如图3所示。
步骤S13、在N型单晶硅基体的背面依次沉积隧穿氧化层5和多晶硅层6；在沉积过程中，在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀第一区域7和不含多晶硅绕镀的第二区域8。其中隧穿氧化层5的厚度为0.5-1.5nm，多晶硅层6的厚度为60-300nm。完成本步骤后的电池结构如图4所示。
步骤S2’、对N型单晶硅基体进行磷离子注入和退火处理，以使得N型单晶硅基体背面的多晶硅层6变为表面覆盖有含磷氧化层的掺磷多晶硅层9，同时在N型单晶硅基体正面的含有多晶硅绕镀的第一区域7和不含多晶硅绕镀的第二区域8上均形成薄氧化层10。完成本步骤后的电池结构如图5所示。
步骤S2”，在N型单晶硅基体背面沉积氮化硅叠层减反膜11。完成本步骤后的电池结构如图6所示。
步骤S2、首先用HF去除N型单晶硅基体正面含有多晶硅绕镀的第一区域7和不含多晶硅绕镀的第二区域8上的薄氧化层10。完成本步骤后的电池结构如图7.1所示。
接着对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的含有多晶硅绕镀的第一区域7的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构12；其中，对N型单晶硅基体进行反应离子刻蚀的气体为SF4、CL2与O2的混合气体，功率为100～600w，形成的纳米级空洞结构的长为50-300nm，深度为50-300nm。完成本步骤后的电池结构如图7.2所示。
S31、对N型单晶硅基体进行清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程的残留物和离子轰击的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理。其中，对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理的溶液为NaOH溶液，扩孔处理的温度为20～25℃，扩孔处理的时间为30～60s。
S32、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体正面沉积氧化铝、氮化硅叠层减反膜体13。完成本步骤后的电池结构如图8所示。
S33、在N型单晶硅基体的正面制备正面采用丝网印刷的方法制备p+金属电极14，并烧结，在N型单晶硅基体的背面采用丝网印刷的方法制备n+金属电极15，并烧结。其中，正面“H”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述正面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm；背面“H”型栅线包括包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种基于反应离子刻蚀法制备黑硅钝化接触电池的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片在N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域；
S2、对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；
S3、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，
对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理，扩孔处理的溶液为NaOH溶液，扩孔之后的所述纳米级空洞结构的长为50-300nm，深度为50-300nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，
反应离子刻蚀的气体包含SF4、CL2、O2中的一种或几种的混合气体。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述对N型单晶硅进行结构化处理，形成金字塔结构，对处理后的硅片在N型单晶硅基体的背面依次形成隧穿氧化层和多晶硅层，同时在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域：
S11、在制绒后的N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；
S12、去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极，并在背面形成平整形貌；
S13、在N型单晶硅基体的背面依次沉积隧穿氧化层和多晶硅层；在沉积过程中，在N型单晶硅基体的正面形成含有多晶硅绕镀第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述对N型单晶硅基体的正面进行反应离子刻蚀，以去除电池正面的多晶硅绕度，同时在电池正面的微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构之前，所述方法还包括：
S3’，在N型单晶硅基体背面沉积氮化硅叠层减反膜。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行后处理包括：
S31、对步骤S2处理后的N型单晶硅基体进行清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程的残留物和离子轰击的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理；
S32、在N型单晶硅基体正面沉积氧化铝、氮化硅叠层减反膜体；
S33、在N型单晶硅基体的正面制备p+金属电极，在N型单晶硅基体的背面制备n+金属电极。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S11中，
采用硼扩散的方法对制绒后的N型单晶硅基体进行硼掺杂，以在N型单晶硅基体的双面制备p+发射极；硼扩散的硼源为三溴化硼或硼浆。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S12中，
采用HF/HNO3/H2SO4的混合溶液刻蚀N型单晶硅基体的背面，以去除N型单晶硅基体背表面的p+发射极，并在背面形成平整形貌。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S33中，
所述p+金属电极和n+金属电极均“H”型栅线。
10.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S2之前，所述方法还包括：
S2’、对N型单晶硅基体进行掺杂和退火处理，以使得N型单晶硅基体背面的多晶硅层变为表面覆盖有含磷氧化层的掺磷多晶硅层，同时在N型单晶硅基体正面的含有多晶硅绕镀的第一区域和不含多晶硅绕镀的第二区域上均形成薄氧化层。
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