CN113841257A - 用于生产纹理化太阳能晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生产至少在一侧上纹理化的太阳能晶片的方法，其中，在第一方法步骤中，提供具有锯切损伤的锯切太阳能晶片，并且在最后一个方法步骤结束时提供具有不同尺寸类型的大锥体和小锥体的纹理化太阳能晶片，并且其中，纹理化太阳能晶片可以随后进行进一步加工以生产太阳能电池。本发明解决的问题是在太阳能电池生产技术的框架内提供改进的纹理化方法。该问题通过生产纹理化太阳能晶片的方法来解决，其中，在第一纹理蚀刻步骤中，以低表面积密度产生大锥体，使得在该方法结束时，小于30％的太阳能晶片纹理化表面被大锥体占据；并且在第二纹理蚀刻步骤中，以大表面积密度产生小锥体。
Description
本发明涉及用于生产至少在一侧上纹理化的晶片(wafer)的方法，其中，在第一方法步骤中，提供具有锯切损伤的锯切太阳能晶片，并且在最后一个方法步骤结束时提供具有不同尺寸类型的大锥体和小锥体的纹理化太阳能晶片，并且其中，纹理化太阳能晶片可以随后进一步加工成太阳能电池。此外，本发明还涉及使用该方法生产的太阳能电池以及用于实施该方法的生产线。
在太阳能电池的生产中，至少主要用于光入射的太阳能电池前侧通常粗糙化或纹理化。该纹理化减少了反射并提高了入射光的吸收。因此，纹理化导致太阳能电池的效率提高。此外，纹理化太阳能电池表面通常被视为美学上令人愉悦的。除了单面太阳能电池外，还有双面太阳能电池，其不仅可以让光在太阳能电池前侧进入太阳能电池，还可以在太阳能电池背侧进入太阳能电池。为了产生益处，可以在太阳能电池的前侧和背侧进行纹理化。目前，全球太阳能电池行业主要使用单晶Si晶片生产太阳能电池，并且将在未来几年继续。这些单晶太阳能晶片通常使用各向异性蚀刻剂(例如，使用含有KOH的蚀刻溶液)进行纹理化，其中，在蚀刻表面上保留在硅单晶111晶面中具有侧表面的锥体，其在太阳能晶片上形成纹理化。可以在工业上用于使太阳能晶片纹理化的常规纹理化方法见述于DE10 2008014 166B3。
近年来，已显著改进了太阳能电池及其生产方法，提高了太阳能电池的效率，并且降低了生产成本。时至今日，光伏器件是成本效益最高且最具环境友好潜力的发电方式。在未来，有必要进一步发展太阳能电池制造方法，以进一步提高太阳能电池的性能，并且进一步降低由太阳辐射获得电能的成本。高性能太阳能电池(例如HJT太阳能电池)在生产方法期间对污染非常敏感，必须相应地认识污染机理，并必须使其影响最小化。
因此，本发明的目的是在太阳能电池生产技术的范围内提供改进的纹理化方法。
该目的通过生产纹理化太阳能晶片的方法来实现，其中，在第一纹理蚀刻步骤中，以低表面密度产生大锥体，使得在该方法结束时，小于30％的太阳能晶片纹理化表面被大锥体占据，其中，在第二纹理蚀刻步骤中，以大表面密度产生小锥体。该方法可以特别简单且具成本效益的方式进行。产生大锥体不仅仅是为了将更多光导入太阳能电池而不是使太阳能电池表面光滑的目的。此外，大锥体实现了在太阳能晶片和太阳能电池生产方法中所用的传输装置之间提供小规模接触区域的目的。例如，传输装置可以是传送带。在太阳能晶片的剩余表面区域，即，具有小锥体的表面区域，由此在很大程度上避免了与传送带或放置太阳能晶片的其他设备部件的接触。大锥体和小锥体之间的边界可以取决于所用传输装置而变化，并且约4μm。因此，纹理化或小锥体的磨损最小化，并且所生产的太阳能电池的质量和平均效率提高。大锥体之间的太阳能晶片表面区域通常完全由小锥体填充。不同尺寸的锥体通过其作为传输锥体和较小的集光锥体的机械或光学功能来区分。由于仅大锥体与传输装置接触，因此太阳能电池可以在小锥体或集光锥体未与传输装置接触的情况下进行传输。在此上下文中，小锥体应理解为比大锥体小的所有锥体。在生产方法期间，大锥体具有传输锥体的任务，传输锥体与传输装置接触，因此太阳能晶片仅位于传输装置上的大锥体尖端。从统计角度来看，锥体的尺寸分布可以是2重分布，有时也称为双模(bimodal)、双尖端(two-tip)或双峰分布。然而，尺寸分布也可以是多重分布，其中，不同尺寸的锥体基于其功能指派为大锥体和小锥体两类。在本发明的范围内，针对具有至少两种不同尺寸类别的所生产锥体的2重(2-fold)或多重(multiple)分布。
根据本发明方法的第一纹理蚀刻步骤可在紧随第一方法步骤的第二方法步骤中进行，其中，提供具有锯切损伤的太阳能晶片。因此，省去了用于去除太阳能晶片表面上的浅表(superficial)晶体损伤的常规方法步骤，其发生在砖形物(brick)锯切期间。除了生产数个大锥体的任务之外，第一纹理蚀刻步骤还承担了去除锯切损伤的额外任务。与常规方法相比，根据本发明的方法中消耗了明显更少的化学品。
第一纹理蚀刻步骤可以用第一纹理蚀刻溶液进行，所述第一纹理蚀刻溶液含有1％至15％的KOH或NaOH或NH4OH或TMAH。这些碱性化学品具有产生锥体所需的各向异性蚀刻效果。特定蚀刻参数(特别是所使用的浓度和温度)由本领域技术人员基于局部目标参数确定，特别是，其相对于纹理拓扑、产出时间和化学消耗进行优化。第一纹理蚀刻溶液可以包含纹理添加剂。纹理添加剂及其效果是现有技术中已知的，因此，本领域技术人员无需对其进行描述。纹理添加剂暂时局部沉积在硅表面上，因此其局部遮盖表面，并可导致锥体尖端的形成。可使用的添加剂的示例为市售可购得的纹理添加剂、表面活性剂、简单醇(simple alcohol)或多元醇、有机酸、酯、醚、醛、酮、糖(单糖、双糖、三糖、低聚糖或多糖)。第一纹理蚀刻溶液所含的蚀刻剂少于用于去除锯切损伤(其通常含有20％KOH)的传统蚀刻浴。在根据本发明的方法中，使用比常规方法中使用的蚀刻剂更少的蚀刻剂来进行纹理蚀刻溶液的制备和再配量(re-dosing)。当使用根据本发明的方法时，在化学品和相应成本方面可显示出高达45％的节省。
第二纹理蚀刻步骤可以用第二纹理蚀刻溶液进行，所述第二纹理蚀刻溶液含有1％至5％的KOH或NaOH或NH4OH或TMAH，以及纹理添加剂。可使用的添加剂的示例为市售可购得的纹理添加剂、表面活性剂、醇(简单醇和多元醇)、有机酸、酯、醚、醛、酮、糖(单糖、双糖、三糖、低聚糖、多糖)。
可以在第一纹理蚀刻步骤和第二纹理蚀刻步骤之间进行至少一个冲洗步骤(rinsing step)。通过冲洗步骤，各种化学处理可以很好地彼此分开，并且可以很好地控制单一加工步骤。具体来说，在太阳能电池制造的规模化经营中，制造成本的最小化非常重要。因此，也可以决定省略冲洗步骤，即使因此必须接受其他缺点。原则上，太阳能电池的纹理化只需两个纹理蚀刻步骤即可完成。可以在第一纹理蚀刻步骤和第二纹理蚀刻步骤和/或至少一个冲洗步骤之间进行至少一个清洁步骤(cleaning step)。通过清洁步骤，可减少随机杂质的影响，并可提高具有均一地最高质量的纹理化太阳能晶片的产量。例如，清洁步骤可在SC1浴或pSC1浴(改良标准清洁/伪标准清洁)中进行，或在含有水、臭氧和HCl的溶液中进行，或在含有水、臭氧、HF和HCl的溶液中进行，或在含有HF和HCl的溶液中进行，或在温度为10℃至80℃的HCl溶液中进行，或在温度为50℃至80℃的HNO3溶液中进行，或在温度为10℃至80℃的DI水中进行，或在温度为50℃至90℃的浓度≤1％的稀释的KOH溶液中进行。清洁可以通过超声波进行辅助。在含有臭氧的气体环境中，也可以使用氧化来替代清洁浴。但是，原则上，纹理化步骤也可以在没有中间清洁步骤的情况下工作。
在根据本发明的方法中，可以在小于10％的太阳能晶片纹理化表面上、优选在5％的纹理化表面上产生大锥体，并且可以在超过90％、优选在95％的太阳能晶片纹理化表面上产生小锥体。大锥体的数量越少，太阳能晶片和传输装置之间的总合计接触表面就越小，用于由太阳能晶片生产太阳能电池。在接触表面较小的情况下，可减少磨损或传输损坏。因此，可以减少杂质，并且可以提高所生产太阳能电池的效率。
生产纹理化太阳能晶片的方法可直接反映在用于实施该方法的生产线中。在这方面，本发明还涉及采用与用于实施本发明方法相应的浴的生产线。生产线根据所需结果进行装备。例如，如果太阳能晶片仅在一侧上进行纹理化，而晶片的一侧并未被保护层遮盖，则生产线进行相应装配用于晶片的单侧加工。如果需要双侧纹理化，则将晶片完全浸入浴中，并使用相应装配的生产线。在根据本发明的生产线中，第一纹理蚀刻工位(station)设置为第一湿化学处理工位，第二第一纹理蚀刻工位设置在更后面的生产线位置。因此，实现了简化用于纹理化的生产线区段。
在另一方面中，本发明涉及一种太阳能电池，其由使用根据本发明的方法生产的太阳能晶片生产。在成品太阳能电池中，具有不同尺寸的锥体由太阳能电池生产期间使用根据本发明的方法产生。与使用常规纹理化方法相比，仅在大锥体顶端与传输装置接触的小表面可导致更高的产量、更高的效率和更低的制造成本。这尤其适用于异质结太阳能电池，与其他类型的太阳能电池相比，异质结太阳能电池在生产期间对杂质、传输损伤和磨损更为敏感。
该太阳能电池的厚度可以低于150μm。根据本发明的方法与厚度例如为120μm或100μm的极薄太阳能晶片兼容。在极薄太阳能晶片的情况下，根据本发明的方法的有利效果变得比晶片较厚的情况下更有效，因为在晶片较薄的情况下，表面与体积之比更大，因此，较薄晶片上更干净、更清晰的表面呈现出比较厚晶片上的效果更强。
本发明的各种选项可由本领域技术人员自行决定相互组合。许多组合和构造的指示更多地干扰本领域技术人员，而不是对其有用。相继随机指示的选项不应被误解为强制性特征解释。下面，将参考附图对本发明进行进一步解释，其中：
图1显示了用于生产纹理化太阳能晶片的常规方法；
图2显示了用于生产纹理化太阳能晶片的本发明方法；
图3显示了通过太阳能晶片的纹理化表面部分的示意性横截面，并且
图4显示了纹理锥体的示例性尺寸分布。
图1显示了常规现有技术的纹理化方法100，从而为图2中根据本发明的方法的后续展示提供参考。在根据现有技术的方法100中，在第一方法步骤101中提供具有锯切损伤的太阳能晶片。然后，在方法步骤102中，晶片在液体浴中进行化学氧化，其中氧化与后续蚀刻步骤相互作用。在冲洗103之后，方法步骤104包括：在含有20％KOH的市售锯切损伤蚀刻浴中去除锯切损伤以及化学抛光。在下一步骤105中，进行冲洗，然后在步骤106中，进行氧化以准备纹理化。在其它冲洗步骤107之后，进行纹理化步骤108。在最后一个方法步骤109中，对晶片进行最终处理，特别是清洁、冲洗和干燥。因此，随后存在纹理化太阳能晶片，其用作后期太阳能电池生产的中间产品。
图2显示了根据本发明方法的示例性实施方式。在第一方法步骤2中，提供了具有锯切损伤的锯切太阳能晶片。紧接着，进行第一纹理蚀刻步骤3，其中，产生大锥体。在呈现的示例性实施方式中，KOH浓度是3％。与使用KOH浓度为20％的蚀刻损伤去除浴的标准方法相比，节省了45％的总消耗KOH和相应的成本。随后，进行冲洗步骤4、清洁步骤5和进一步的冲洗步骤6。在清洁步骤5中，在该情况下使用含有臭氧和HCl的溶液。因为可以由氧气经济高效地产生臭氧，因此该清洁具有最低成本。然后，在第二纹理蚀刻步骤7中，实现大锥体11的完成和小锥体12的产生。方法步骤8表示用于生产纹理化太阳能晶片的本发明方法的完成。在所呈现的示例性实施方式中，最终方法步骤8包括冲洗子步骤、清洁子步骤、进一步的冲洗子步骤和干燥子步骤。在其它示例性实施方式中，最终方法步骤8以改进的方式进行。在最终方法步骤8之后，终止用于生产纹理化太阳能晶片10的本发明方法1。
图3示意性显示了在穿过太阳能晶片10的表面部分的横截面中纹理化太阳能晶片10的根据本发明纹理化的两个表面13之一。在该横截面中，可根据大锥体11和小锥体12之间的不同尺寸进行区分。例如，大锥体11的高度为6μm，而大多数小锥体12的高度为2μm。
图4概述了具有不同尺寸基底区域A的锥体的太阳能晶片的可能表面占据概率W。从柱的尺寸可以看出，具有大基底面积A的大锥体11在太阳能晶片表面上的概率比小锥体12低。在该示例性实施方式中，小锥体12包括大约相同尺寸的小锥体以及中等尺寸的锥体。中等尺寸的锥体足够小，使得在传输装置上放置有大锥体11的太阳能晶片的中等尺寸锥体不会与传输装置接触。因此，中等尺寸的锥体上未发生磨损，此处，其将归类为“小锥体12”。
附图标记
1 生产在至少一侧上纹理化的太阳能晶片的方法
2 第一方法步骤：提供具有锯切损伤的锯切太阳能晶片
3 第一纹理蚀刻步骤
4 冲洗步骤
5 清洁步骤
6 冲洗步骤
7 第二纹理蚀刻步骤
8最终方法步骤，其中间产品是纹理化太阳能晶片
10 太阳能晶片
11 大锥体
12 小锥体
13太阳能晶片的纹理化表面
A 纹理锥体的基底面积
W 锥体尺寸出现概率
100 现有技术方法
101 第一方法步骤：提供具有锯切损伤的锯切太阳能晶片
102 氧化
103 冲洗
104 去除锯切损伤以及抛光
105 冲洗
106 氧化
107 冲洗
108 纹理化
109 最终方法步骤。
Claims (11)
1.用于生产至少在一侧上纹理化的太阳能晶片(10)的方法(1)，其中，在第一方法步骤(2)中，提供具有锯切损伤的锯切太阳能晶片，并且在最后一个方法步骤(8)结束时提供具有不同尺寸类型的大锥体(11)和小锥体(12)的纹理化太阳能晶片，其中，大锥体(11)的高度大于4μm，小锥体的高度低于4μm，并且其中，纹理化太阳能晶片(10)能够随后进一步加工为太阳能电池，
其特征在于，所述方法(1)包括第一纹理蚀刻步骤(3)和第二纹理蚀刻步骤(7)，其中，在第一纹理蚀刻步骤(3)中，以低表面密度产生大锥体(11)，以使得在该方法结束时，小于30％的太阳能晶片(10)的纹理化表面被大锥体占据，并且其中，在第二纹理蚀刻步骤(7)中，以大表面密度产生小锥体(12)，其中，大锥体(11)和小锥体(12)以统计的2重或多重分布出现。
2.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，第一纹理蚀刻步骤(3)紧随第二方法步骤中的第一方法步骤(2)。
3.如权利要求1或2所述的方法(1)，其特征在于，第一纹理蚀刻步骤(3)用第一纹理蚀刻溶液进行，所述第一纹理蚀刻溶液含有1％至15％的KOH或NaOH或NH4OH或TMAH。
4.如权利要求3所述的方法(1)，其特征在于，第一纹理蚀刻溶液含有纹理添加剂。
5.如前述权利要求中至少一项所述的方法(1)，其特征在于，第二纹理蚀刻步骤(7)用第二纹理蚀刻溶液进行，所述第二纹理蚀刻溶液含有1％至5％的KOH或NaOH或NH4OH或TMAH以及纹理添加剂。
6.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在第一纹理蚀刻步骤(3)和第二纹理蚀刻步骤(7)之间进行至少一个冲洗步骤(4、6)。
7.如权利要求1或6所述的方法(1)，其特征在于，在第一纹理蚀刻步骤(3)和第二纹理蚀刻步骤(7)和/或至少一个冲洗步骤(4、6)之间进行至少一个清洁步骤(5)。
8.如前述权利要求中至少一项所述的方法(1)，其特征在于，在小于10％的太阳能晶片(10)的纹理化表面(13)上、优选在5％的纹理化表面(13)上产生大锥体(11)，并且在超过90％的太阳能晶片(10)的纹理化表面(13)上、优选在95％的纹理化表面(13)上产生小锥体(12)。
9.生产线，其特征在于，用于实施权利要求1至8中至少一项所述的方法(1)的生产线装备有相应的浴，其中，在生产线中，第一纹理蚀刻工位设置为第一湿化学处理工位，第二第一纹理蚀刻工位设置在位于更后面的生产线位置。
10.太阳能电池，其特征在于，由太阳能晶片(10)生产太阳能电池，所述太阳能晶片(10)使用如权利要求1-8中至少一项所述的方法生产，且太阳能晶片纹理化中，大锥体(11)和小锥体(12)以统计的2重或多重分布存在。
11.如权利要求10所述的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池的厚度低于150μm。
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