CN112542531A - 一种硅片预处理及异质结电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅片预处理及异质结电池制备方法,涉及电池制备前硅片预处理及电池制备,包括制绒清洗,在所述的制绒清洗步骤之前依次包括表面预清洗和扩散吸杂。本发明通过新增硅片预处理工艺,可保证异质结电池所用硅片质量均处于稳定状态且电池效率离散性可控。
Description
技术领域
本发明涉及电池制备前硅片预处理及电池制备,属于太阳能电池领域,具体的涉及一种硅片预处理及异质结电池制备方法。
背景技术
光伏发电技术发展至今已取得巨大进步,部分太阳能资源丰富的地区度电成本已低于当地火力发电,为进一步降低成本使更多地区实现平价上网,需要从电池端继续提升太阳能电池转换效率。目前量产太阳能电池技术主要为PERC(英文全名:PassivatedEmitter and Rear Cell)太阳能电池结构,该电池转换效率产线均值近23.0%左右,要想进一步将电池转换效率均值提高到24.0%甚至25.0%以上,就需要改变太阳能电池结构。硅基异质结太阳能电池(英文全名:Silicon Heterojunction Solar cell)由于其工艺简单且理论转换效率高被行业内公认为下一代可量产的太阳能电池结构。
从太阳能电池制备工艺上来看,目前常规的PERC电池由于有高温扩散和高温快速固化两道工序,这两个过程分别对硅片有一定的磷吸杂和铝吸杂处理作用,因此相对而言PERC电池对硅片来料质量波动影响较小。目前异质结电池主要由清洗制绒、非晶硅薄膜(a-Si)沉积、透明导电氧化物薄膜(TCO)沉积、金属化电极制作、氢钝化五个工艺过程组成,且整个工艺制备过程均为低温,无类似PERC电池制备时700℃以上的高温制备过程,因此对来料硅片无任何处理过程,来料硅片质量稍微一波动对末端电池效率影响极大,如图1所示。
目前高温扩散吸杂技术可以有效地避免因片源质量波动而带来的末端电池效率波动现象,对于不同质量的来料硅片,高温热处理吸杂技术可将电池效率提升0.1%-3.0%左右不等,且电池效率的整体集中度也可大幅提高,例如公开号为CN105624795B,专利名称为一种n型硅片热处理方法;及公开号为CN111710748A,专利名称为一种用热处理的N型单晶硅片制作异质结太阳电池的方法。目前扩散吸杂前硅片表面预清洗工艺可参考的仍然是类似于PERC电池高温扩散前的清洗工艺技术,该技术虽然清洗效果较好,但是需要在目前现行的异质结电池制备工艺上大幅增加清洗成本。因此,为了降低硅片在高温热处理前的表面清洗成本和减化工艺流程,需要开发一套更适用于异质结电池硅片高温热处理吸杂前的表面预清洗工艺,该工艺不再需要在硅片表面制备绒面结构仅需将硅片表面的各种来料脏污清洗干净即可。
发明内容
本发明的目的在于:针对异质结电池所用硅片质量不稳定而导致的效率离散性波动大的情况及产线仍将常规PERC电池清洗制绒工艺作为异质结电池高温热处理前的表面清洗工艺的流程复杂且成本相对高昂的问题,本发明提供一种硅片预处理及异质结电池制备方法,提出表面预清洗和扩散吸杂两大步的整套硅片缺陷预处理,工艺简单、成本低廉且高效清洁。
本发明采用的技术方案如下:
一种硅片预处理及异质结电池制备方法,包括制绒清洗,在所述的制绒清洗步骤之前依次包括表面预清洗和扩散吸杂。
本发明通过对于片源质量参差不齐的硅片,在电池制备前新增硅片预处理工艺,新增预处理工艺包括表面预清洗和扩散吸杂两步工艺,硅片在高温扩散吸杂之前要将硅片表面的脏污清洗掉,避免表面脏污扩散时进入硅片内部造成新增缺陷,可保证异质结电池所用硅片质量均处于稳定状态且电池效率离散性可控。
优选地,所述表面预清洗依次包括前清洗、碱洗、后清洗、去氧化层、热水慢提拉及烘干工艺。
优选地,所述表面预清洗具体包括以下工艺:
步骤1:前清洗:主要作用为清洗硅片表面因硅片切割、包装、运输、拆包中所产生有机脏污和部分金属脏污等;前清洗主要采用臭氧水(DIO3)清洗或双氧水清洗;优选为臭氧水(DIO3)清洗;
步骤2:碱洗:主要作用为清洗掉硅片表面切割留下来的残余硅粉,配液为低浓度的碱溶液或碱溶液与制绒添加剂混合溶液;优选为低浓度碱溶液,清洗后硅片表面金刚线线痕依旧存在,如图4所示;
步骤3:后清洗:主要作用为进一步将硅片表面脏污去除,配液同样采用臭氧水(DIO3)清洗或双氧水清洗;优选为臭氧水(DIO3)清洗;
步骤4:去氧化层:主要作用为去除硅片表面氧化层便于脱水烘干并进一步去除表面残余金属颗粒,采用HF或HF和HCl混合溶液进行去氧化层工艺;
步骤5:热水慢提拉:将硅片缓慢从热去离子水中提拉,脱去硅片上绝大部分水滴;
步骤6:烘干:将硅片进行烘干,使烘干后硅片表面无带液情况。
特别说明:每一道化学品槽清洗后均需要有去离子水漂洗,主要作用为清洗表面残余化学药液。
优选地,步骤1和步骤3所采用的臭氧水为HF/HCl/DIO3,由质量浓度0-5.0%HF,质量浓度0.0-1.0%HCl,质量浓度为20-80ppm DIO3,余量为去离子水组成,臭氧水溶液温度均为常温25±5℃,清洗时间均为60-300s。步骤1和步骤3所采用的双氧水清洗溶液为碱溶液/H2O2,由质量浓度0.2-2.0%碱溶液,1.0-5.0%H2O2,余量为去离子水组成,碱溶液为KOH或NaOH溶液,溶液温度为40-70℃,清洗时间为60-300s。
优选地,步骤2所述的碱溶液为KOH或NaOH溶液,质量浓度0.1-5%;制绒添加剂为时创TS53,TS55,HJ21,三峰709等,质量溶度0.1-3%;溶液温度60-90℃,清洗时间为10-360s。
优选地,步骤4所述HF或HF和HCl混合溶液由质量浓度1-10%HF,质量浓度1-10%HCl,余量为去离子水组成,HF或HF和HCl溶液温度均为25±5℃,清洗时间为60-300s。
优选地,步骤5所述的去离子水温度为40-80℃,热水漂洗时间为20-300s。
优选地,步骤6所述烘干温度为40-80℃,时间为300-1000s。
优选地,所述扩散吸杂的具体工艺为:将经过表面预清洗工艺的硅片在600-1200℃内扩散吸杂,扩散吸杂的氛围为POCl3、BBr3或BCl3,时间为5-120min,扩散吸杂结束后,对硅片进行冷却处理。
优选地,在所述的制绒清洗步骤之后还依次包括非晶硅薄膜制备、TCO薄膜沉积、金属化电极制作及氢钝化。
与现有的技术相比本发明的有益效果是:
1)本发明通过新增硅片预处理工艺,可保证异质结电池所用硅片质量均处于稳定状态且电池效率离散性可控;
2)本发明通过改进硅片扩散吸杂前表面预清洗工艺,最优的方案以臭氧水清洗为主要工艺并保证硅片表面在扩散吸杂前处于高度洁净状态;
3)较之硅片在扩散吸杂前采用类似PERC电池扩散前清洗制绒工艺,本发明最优方案不再需要双氧水及制绒添加剂等昂贵的化学品,极大降低了生产运营成本;以单瓦电池的双氧水和添加剂耗量成本节约0.01元计算,1GW产能车间每年可节约化学品成本0.01*109=1000万元。
附图说明
图1为异质结电池与PERC电池工艺对比;
图2为新增硅片预处理的异质结电池工艺;
图3为异质结电池结构示意图;
图4为异质结电池扩散吸杂前表面预清洗工艺;
图5为异质结电池所用硅片按照新增预处理工艺处理后表面形貌;
图6为异质结电池按常规工艺及本专利工艺制备后效率对比;
图7为质量一般的硅片按常规异质结工艺及本专利异质结工艺制备后效率离散性对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,即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。
为了解决异质结电池用硅片不稳定性而导致的电池效率离散性大的问题,本发明通过增加表面预清洗、扩散吸杂两大主要工艺。新增硅片预处理工艺后异质结电池的整体工艺流程将变更为如下工艺流程:表面预清洗-扩散吸杂-制绒清洗-非晶硅薄膜制备-TCO薄膜沉积-金属化电极制作-氢钝化,具体步骤如下:
1.表面预清洗,如图3所示工艺流程为:前清洗→碱洗→后清洗→去氧化层→预脱水(热水慢提拉)→烘干,具体工艺步骤如下所示:
1)前清洗:将硅片用自动化导片机导入湿花篮中,并将湿花篮至于配有一定浓度的臭氧水(DIO3)溶液的槽体中常温下进行前清洗工艺,清洗表面因硅片切割、包装、运输、拆包中所产生的颗粒脏污。臭氧水溶液具体配液为HF/HCl/DIO3,浓度为HF:质量浓度0.1%-5.0%,HCl:质量浓度0.0-1.0%,DIO3:20-80ppm,余量为去离子水。其中溶液温度为常温25±5℃,清洗时间60-300s;
2)碱洗:将步骤2中去离子水漂洗后的硅片随后移至碱槽中,清洗硅片表面因切割留下来的残余硅粉。碱槽配液为低浓度的碱溶液,碱溶液的浓度为质量浓度0.1-5%,余量为去离子水,其中碱溶液可以为KOH或NaOH,溶液温度60-90℃,清洗时间10-120s;
3)后清洗:将步骤4中经去离子水漂洗后的硅片移至后清洗槽中,进一步清洗硅片表面残余有机脏污等,后清洗槽清洗工艺也主要采用臭氧水(DIO3)清洗。臭氧水溶液具体配液为HF/HCl/DIO3,浓度为HF:质量浓度0.1%-5.0%,HCl:质量浓度0.0-1.0%,DIO3:20-80ppm,余量为去离子水。其中溶液温度为常温25±5℃,清洗时间60-300s;
4)去氧化层:将步骤6中经去离子水漂洗后的硅片随后移至HF槽中,去除硅片表面氧化层便于脱水烘干并进一步去除表面残余金属颗粒。HF槽配液主要为HF和HCl混合溶液,其中浓度为HF:质量浓度1-10%,HCl:质量浓度1-10%,余量为去离子水。其中溶液温度为常温25±5℃,清洗时间为60-300s。
5)预脱水:将步骤8中经去离子水漂洗后的硅片随后移至热水槽中将硅片缓慢从热水中提拉出水面,脱去硅片上绝大部分水滴。其中去离子水温度为40-80℃,热水漂洗时间为20-120s;
6)烘干:将步骤9中经热水漂洗后的硅片随后移至烘干槽中进行烘干,保证烘干后硅片表面处于干燥状态,烘干温度为40-80℃,热水漂洗时间为300-1000s。
注:所有化学品清洗工艺后均需配置去离子水漂洗,漂洗硅片表面残余的前置工艺所有化学品,且去离子水温度为常温25±5℃,漂洗时间为60-300s。
2、扩散吸杂
对表面预清洗后的硅片进行扩散吸杂处理,扩散吸杂温度在800度至1200度的范围内,扩散吸杂的氛围为氮气,氧气以及含有磷原子的气体,例如POCl3,扩散吸杂时间在5至120分钟之间,扩散吸杂结束后,对硅片进行一定时间冷却处理。
3、制绒清洗
用酸溶液去除扩散吸杂后硅片表面所形成的磷硅玻璃并用碱溶液对硅片进行表面制绒并形成金字塔陷光结构,硅片去除的厚度在2至10微米之间,然后进行硅片表面清洗,包括碱洗,酸洗,表面圆润化处理,去除表面氧化层、烘干等工艺。
4、非晶硅薄膜制备
绒后清洗硅片进行电池PN结制备,主要包括正面本征非晶硅薄膜和n型掺杂非晶硅薄膜和背面本征非晶硅薄膜和p型掺杂非晶硅薄膜制备过程。
5、TCO薄膜沉积
利用磁控溅射或者反应等离子体镀膜等方法在非晶硅薄膜上制备TCO薄膜,TCO薄膜可以为掺锡氧化铟(ITO),也可以为掺钨氧化铟(IWO)或其他透明导电氧化物或是不同种类导电氧化物叠层等,该薄膜兼具载流子收集及表面减反射双重功能。
6、金属化电极制作
利用丝网印刷技术或电镀技术在上述电池片上制作收集和导出电流的金属栅线,金属栅线可以为细栅和主栅搭配类型也可以为无主栅类型。
7、氢钝化
氢钝化技术在产业上也叫“光注入”或“光致增效”等。利用红光或白光对样品进行光照处理,其作用主要是修复电池内部缺陷。
实施例1-6
实施例1-6除了表面预清洗工艺参数如表1和2所示不同外,其余步骤均与上述的叙述相同且采用相同的工艺。
表1实施例1-6表面预清洗工艺的前清洗、碱洗和后清洗工艺参数
表2实施例1-6表面预清洗工艺的去氧化层、预脱水和烘干工艺参数
异质结电池制备工艺采用常规制备技术及使用本专利新增硅片预处理后技术的电池效率对比结果如图5所示:预处理前采用不同片源质量硅片制备的异质结电池效率均值可在22.85%到23.96%间波动,波动值幅度较大,达1.11%,电池效率不易控制;预处理后整体效率基本保持稳定状态在23.92%-24.04附近,整体波动在0.12%。且单从用质量一般的硅片按照常规异质结工艺及本专利工艺制备的电池效率离散性也大幅改善,效率档位从主要10个档位缩减为主要4个档位分布,如图6所示。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请技术方案构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种硅片预处理及异质结电池制备方法,包括制绒清洗,其特征在于,在所述的制绒清洗步骤之前依次包括表面预清洗和扩散吸杂。
2.根据要求1所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,所述表面预清洗依次包括前清洗、碱洗、后清洗、去氧化层、热水慢提拉及烘干工艺。
3.根据要求2所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,所述表面预清洗具体包括以下工艺:
步骤1:前清洗:前清洗采用臭氧水清洗或双氧水清洗;
步骤2:碱洗:采用碱溶液或碱溶液与制绒添加剂混合溶液;
步骤3:后清洗:采用臭氧水清洗或双氧水清洗;
步骤4:去氧化层:采用HF或HF和HCl混合溶液进行去氧化层工艺;
步骤5:热水慢提拉:将硅片缓慢从热去离子水中提拉,脱去硅片上绝大部分水滴;
步骤6:烘干:将硅片进行烘干,使烘干后硅片表面无带液。
4.根据要求3所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,步骤1和步骤3所采用的臭氧水为HF/HCl/DIO3,由质量浓度0-5.0%HF,质量浓度0.0-1.0%HCl,质量浓度为20-80ppm DIO3,余量为去离子水组成,臭氧水溶液温度均为常温25±5℃,清洗时间均为60-300s;步骤1和步骤3所采用的双氧水清洗溶液为碱溶液/H2O2,由质量浓度0.2-2.0%碱溶液,质量浓度1.0-5.0%H2O2,余量为去离子水组成,碱溶液为KOH或NaOH溶液,溶液温度为40-70℃,清洗时间为60-300s。
5.根据要求3所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,步骤2所述的,碱溶液为KOH或NaOH溶液,质量浓度0.1-5%;制绒添加剂质量溶度0.1-3%;溶液温度60-90℃,清洗时间为10-360s。
6.根据要求3所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,步骤4所述HF或HF和HCl混合溶液由质量浓度1-10%HF,质量浓度1-10%HCl,余量为去离子水组成,HF或HF和HCl溶液温度均为25±5℃,清洗时间为60-300s。
7.根据要求3所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,步骤5所述的去离子水温度为40-80℃,热水漂洗时间为20-300s。
8.根据要求3所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,步骤6所述烘干温度为40-80℃,时间为300-1000s。
9.根据要求1所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,所述扩散吸杂的具体工艺为:将经过表面预清洗工艺的硅片在600-1200℃内扩散吸杂,扩散吸杂的氛围为POCl3、BBr3或BCl3,时间为5-120min,扩散吸杂结束后,对硅片进行冷却处理。
10.根据要求1所述的一种硅片预处理及异质结电池制备方法,其特征在于,在所述的制绒清洗步骤之后还依次包括非晶硅薄膜制备、TCO薄膜沉积、金属化电极制作及氢钝化。
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