CN114361273A - 硅片及其制备方法和太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了硅片及其制备方法和太阳能电池，所述硅片的表面为凸凹不平的结构，所述凸凹不平的结构表面设有绒面。通过在硅片表面设置凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上设置绒面，从而使硅片表面的类金字塔数量大幅增多，从而增大了太阳能电池片的短路电流，提升了太阳能电池片的光转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种硅片及其制备方法和太阳能电池。
背景技术
目前技术是先将硅片切割成平整的表面，再通过制绒工序利用低浓度的碱液，先将硅片在低碱浓度(NaOH或KOH和H2O)高温度的槽里进行抛光，达到去除表面的机械损伤及形成平整的表面，再通过一定浓度的臭氧对硅片表面的有机物进行清洗，再将清洗后的硅片利用低碱浓度(NaOH或KOH和H2O和添加剂)高温度的槽里进行反应，形成绒面，再通过溶液中的添加剂对绒面结构进行修复，形成个体完整、大小均匀、表面平滑的金字塔结构，达到了光束的多次折射，促进了投射光的二次吸收，从而提升Isc，再利用一定浓度的臭氧清洗掉硅片表面添加剂中残留的有机物，同时再一定浓度的混酸(HCL\HF\H2O)槽里进行硅片清洗，从而降低了表面复合，提升电性能Uoc。
为提高电池绒面比表面积，提升Isc，提升效率，目前常采用高的碱浓度和添加剂浓度进行反应，增大金字塔高度从而使比表面积增大，但是这种方式存在以下缺点：1.化学品用和添加剂量相对较多，导致成本较高；2.碱浓度较高，化学反应比较剧烈，会导致花篮齿部位反应不均匀，容易出现花篮印，降级或返工数量较多；3.金字塔高度增高，刻蚀背面抛光困难，金字塔抛不干净，影响钝化效果，导致复合严重，且刻蚀需要增加纵向腐蚀，HF用量增加较多。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种硅片及其制备方法和太阳能电池。通过在硅片表面设置凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上设置绒面，从而使硅片表面的类金字塔数量大幅增多，从而增大了太阳能电池片的短路电流，提升了太阳能电池片的光转换效率。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种硅片。根据本发明的实施例，所述硅片的表面为凸凹不平的结构，所述凸凹不平的结构表面设有绒面。
根据本发明实施例的硅片，通过在硅片表面设置凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上设置绒面，从而使硅片类金字塔数量增多，所述设有绒面硅片的比表面增大了21％-66％(与平整的硅片表面相比)，基于单位面积的硅片基底，所述设有绒面的硅片上的类金字塔数量增加至93.18-119.56万个/mm2(而现有技术中平整的硅片表面的单位面积的类金字塔数量仅为80万个/mm2)，从而提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率提高。本发明解决了目前在平整硅片的表面做大比表面积对刻蚀工序背抛抛不干净的难题，从而大大降低了背面抛光不良造成的外观及EL不良降级的风险，同时还解决了背面抛光差导致的钝化效果差的问题。另外，小的绒面结构(即硅片微结构)容易做背抛，也有利于背表面的钝化，进一步提升了太阳能电池片的开路电压，进一步提高了电池的光转换效率。
另外，根据本发明上述实施例的硅片还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述凸凹不平的结构的最高点与最低点之间的距离为2-55μm，优选15-30μm。
在本发明的一些实施例中，所述凸凹不平的结构为波浪状、矩形状、V状、半圆弧状或者梯形状。
在本发明的一些实施例中，所述凸凹不平的结构为波浪状，所述波浪状的坡度与所述硅片所在水平面的夹角不大于30度，优选15-20度。
在本发明的一些实施例中，所述绒面的表面积与所述硅片的基底面积的比值为1.45-2。
在本发明的一些实施例中，基于单位面积的硅片基底，所述绒面上的类金字塔数量为93.18-119.56万个/mm2。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备以上实施例所述的硅片。根据本发明的实施例，所述方法包括：
(1)通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的结构；
(2)对凸凹不平的硅片表面进行抛光；
(3)在抛光后的所述凸凹不平的硅片表面形成绒面。
根据本发明实施例的方法，通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上长类金字塔结构，从而使硅片类金字塔数量增多，所述硅片设置绒面后的比表面增大了21％-66％(与平整的硅片表面相比)，基于单位面积的硅片基底，所述绒面上的类金字塔数量增加至93.18-119.56万个/mm2(而现有技术中平整的硅片表面的单位面积的类金字塔数量仅为80万个/mm2)，从而提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的转换效率提高。且本发明不添加化学品就可以达到具有更大的类金字塔微结构比表面积的目的，大幅度节省了化学品和添加剂的用量，同时还达到了提升太阳能电池片的电性能参数的效果。本发明解决了目前在平整硅片的表面做大比表面积对刻蚀工序背抛抛不干净的难题，且大幅度降低了刻蚀化学品用量，从而大大降低了背面抛光不良造成的外观及EL不良降级的风险，同时还解决了背面抛光差导致的钝化效果差的问题。另外，绒面结构(即硅片微结构)容易做背抛，也有利于背表面的钝化，进一步提升了太阳能电池片的开路电压，进一步提高了电池转换效率。
另外，根据本发明上述实施例的方法还可以具有如下技术方案：
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，形成波浪状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为4600-5000m，张力为2-3牛，进线周数为0.2-0.3，回线率为65％-70％，线径为0.035μm；
或，形成矩形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为3800-4000m，张力为4-10牛，进线周数为0.3-0.5，回线率为55％-70％，线径为0.035μm；
或，形成所述V状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为2400-3200m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为85％-95％，线径为0.042μm；
或，形成半圆弧状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为400-800m，张力为3-7牛，进线周数为3-5，回线率为65％-75％，线径为0.038μm；
或，形成梯形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为1000-1500m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为55％-70％，线径为0.047μm。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)包括：将抛光后的所述凸凹不平的硅片表面置于浓度为1-10wt％的碱液中反应，反应温度为70-90摄氏度，反应时间为20-800s，以便在所述凸凹不平的硅片表面形成绒面。
在本发明的第三个方面，本发明提出一种太阳能电池。根据本发明的实施例，所述太阳能电池具有以上实施例所述的方法制得的硅片或以上实施例所述的硅片。由此，提升了太阳能电池的短路电流，使得转换效率提高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一个实施例的波浪状表面的硅片的结构示意图；
图2为在图1所示的波浪状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图3为本发明再一个实施例的波浪状表面的硅片的结构示意图；
图4为在图3所示的波浪状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图5为本发明实施例的矩形状表面的硅片的结构示意图；
图6为在图5所示的矩形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图7为本发明实施例的V状表面的硅片的结构示意图；
图8为在图7所示的V状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图9为本发明一个实施例的梯形状表面的硅片的结构示意图；
图10为在图9所示的梯形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图11为本发明再一个实施例的梯形状表面的硅片的结构示意图；
图12为在图11所示的梯形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图13为本发明一个实施例的半圆弧状表面的硅片的结构示意图；
图14为在图13所示的半圆弧状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图15为本发明再一个实施例的半圆弧状表面的硅片的结构示意图；
图16为在图15所示的半圆弧状表面的硅片上制绒后的结构示意图；
图17为本发明实施例的制备具有凸凹不平的结构的硅片的流程图；
图18为本发明一个实施例的将栅线印刷在凸凹不平的斜坡面上的示意图；
图19为本发明再一个实施例的将栅线印刷在凸凹不平的斜坡面上的示意图；
图20为对比例1的平整表面的硅片的结构示意图；
图21为在图20所示的平整表面的硅片上制绒后的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种硅片。根据本发明的实施例，所述硅片的表面为凸凹不平的结构，所述凸凹不平的结构表面设有绒面。由此，通过在硅片表面设置凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上设置绒面，从而使硅片类金字塔数量增多，所述设有绒面硅片的比表面增大了21％-66％(与平整的硅片表面相比)，基于单位面积的硅片基底，所述设有绒面的硅片上的类金字塔数量增加至93.18-119.56万个/mm2(而现有技术中平整的硅片表面的单位面积的类金字塔数量仅为80万个/mm2)，从而提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率提高。本发明解决了目前在平整硅片的表面做大比表面积对刻蚀工序背抛抛不干净的难题，从而大大降低了背面抛光不良造成的外观及EL不良降级的风险，同时还解决了背面抛光差导致的钝化效果差的问题。另外，绒面结构(即硅片微结构)容易做背抛，也有利于背表面的钝化，进一步提升了太阳能电池片的开路电压，进一步提高了电池的光转换效率。需要说明的是，所述设有绒面硅片的比表面指的是所述类金字塔绒面的总表面积与所述硅片的基底面积的比值，所述硅片的基底面积指的是所述硅片表面在所述硅片基底的正投影面积。
根据本发明的一个具体实施例，所述凸凹不平的结构的最高点与最低点之间的距离为2-55μm，优选15-30μm，由此，进一步使硅片类金字塔数量增多，使设有绒面硅片的比表面增大，从而进一步提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率进一步提高。
在本发明的实施例中，所述凸凹不平的具体结构并不受特别限制，本领域人员可根据实际情况随意设置，作为一个具体示例，所述凸凹不平的结构为波浪状(参考附图1和3)、矩形状(参考附图5)、V状(参考附图7)、半圆弧状(参考附图13和15)或者梯形状(参考附图9和11)。
根据本发明的再一个具体实施例，所述凸凹不平的结构为波浪状，所述波浪状的坡度与所述硅片所在水平面的夹角不大于30度，优选15-20度，由此，进一步使硅片类金字塔数量增多，使设有绒面硅片的比表面增大，从而进一步提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率进一步提高。
根据本发明的又一个具体实施例，所述设有绒面硅片的表面积与所述硅片的基底面积的比值为1.45-2，由此，进一步提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率进一步提高。
根据本发明的又一个具体实施例，基于单位面积的硅片基底，所述设有绒面硅片上的类金字塔数量为93.18-119.56万个/mm2，进一步提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的光转换效率进一步提高。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备以上实施例所述硅片的方法。根据本发明的实施例，参考附图17，所述方法包括：
S100：通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的结构
在该步骤中，通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的结构，使硅片表面的比表面积增大。
根据本发明的又一个具体实施例，形成波浪状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为4600-5000m，张力为2-3牛，进线周数为0.2-0.3，回线率为65％-70％，线径为0.035μm。
需要说明的是，进线周数是指金刚石线在硅片表面每分钟切割多少回合。回线率是指金刚石线在进线过程中回线的比例，举例来说，进线100米，再回过来90米，再接着进100米，再接着回90米，那么回线率就是90％。
根据本发明的又一个具体实施例，形成矩形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为3800-4000m，张力为4-10牛，进线周数为0.3-0.5，回线率为55％-70％，线径为0.035μm。
根据本发明的又一个具体实施例，形成所述V状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为2400-3200m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为85％-95％，线径为0.042μm。
根据本发明的又一个具体实施例，形成半圆弧状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为400-800m，张力为3-7牛，进线周数为3-5，回线率为65％-75％，线径为0.038μm。
根据本发明的又一个具体实施例，形成梯形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为1000-1500m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为55％-70％，线径为0.047μm。
S200：对凸凹不平的硅片表面进行抛光
在该步骤中，采用较低浓度(1-10wt％)的碱溶液(NaON或KOH)对凸凹不平的硅片表面进行抛光，使线痕斜坡面变得平滑，同时线痕峰值极差减小，变得更均匀。
根据本发明的又一些具体实施例，将所述凸凹不平的硅片厚度减薄3-5μm。
S300：在抛光后的所述凸凹不平的硅片表面形成绒面
在该步骤中，在抛光后的所述凸凹不平的硅片表面长出绒面，形成金字塔，从而增加类金字塔微结构数量和比表面积，提升效率。
图2为在图1所示的波浪状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图4为在图3所示的波浪状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图6为在图5所示的矩形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图8为在图7所示的V状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图10为在图9所示的梯形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图12为在图11所示的梯形状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图14为在图13所示的半圆弧状表面的硅片上制绒后的结构示意图；图16为在图15所示的半圆弧状表面的硅片上制绒后的结构示意图。
根据本发明的又一些具体实施例，步骤S300包括：
将抛光后的所述凸凹不平的硅片表面在浓度为1-10wt％的碱液中反应,反应时间为20-800s，反应温度为70-90摄氏度(该温度范围为碱与硅的最佳反应温度，能有效去除硅片表面的有机物，形成光滑的起伏面)，以便在所述凸凹不平的硅片表面形成绒面。
根据本发明实施例的方法，通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的线痕面，使硅片表面的比表面积增大，再在起伏的线痕面上长金字塔结构，从而使硅片金字塔数量增多，所述设有绒面硅片的比表面增大了21％-66％(与平整的硅片表面相比)，基于单位面积的硅片基底，所述设有绒面硅片上的类金字塔数量增加至93.18-119.56万个/mm2(而现有技术中平整的硅片表面的单位面积的类金字塔数量仅为80万个/mm2)，从而提升了太阳能电池片的短路电流，使得太阳能电池片的转换效率提高。且本发明不添加化学品就可以达到具有更大的类金字塔微结构比表面积的目的，大幅度节省了化学品和添加剂的用量，同时还达到了提升太阳能电池片的电性能参数的效果。本发明解决了目前在平整硅片的表面做大比表面积对刻蚀工序背抛抛不干净的难题，且大幅度降低了刻蚀化学品用量，从而大大降低了背面抛光不良造成的外观及EL不良降级的风险，同时还解决了背面抛光差导致的钝化效果差的问题。另外，绒面结构(即硅片微结构)容易做背抛，也有利于背表面的钝化，进一步提升了太阳能电池片的开路电压，进一步提高了电池转换效率。
在后续的印刷过程中，参考附图18和19，通过对线痕斜坡面和丝网印刷网版膜的张力角度、线高的调整，将栅线细栅印刷在线痕的脊梁、线痕的沟凹、线痕的斜坡面上，实现后续的印刷技术。
在本发明的第三个方面，本发明提出一种太阳能电池。根据本发明的实施例，所述太阳能电池具有以上实施例所述的方法制得的硅片或以上实施例所述的硅片。由此，提升了太阳能电池的短路电流，使得转换效率提高。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
本实施例提供一种太阳能电池，其制备方法如下：
切割：P型单晶硅棒在金刚石线的作用下进行切割，通过调整切割线参数在硅片表面形成波浪状结构，切割线参数如表1所示。
制绒：利用4.5wt％的NaOH溶液，88摄氏度的温控对硅片进行腐蚀，在线痕任意形状面形成个体完整、大小均匀、表面平滑的类金字塔结构，达到硅片比表面增加的效果，实现提高电性能目的。
然后按照PERC工艺进行扩散、制结、钝化、镀减反膜、丝网印刷由此形成电池片。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
实施例2
本实施例中，通过调整切割线参数在硅片表面形成矩形状结构，切割线参数如表1所示。其他内容均与实施例1相同。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
实施例3
本实施例中，通过调整切割线参数在硅片表面形成半圆弧状结构，切割线参数如表1所示。其他内容均与实施例1相同。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
实施例4
本实施例中，通过调整切割线参数在硅片表面形成V字状结构，切割线参数如表1所示。其他内容均与实施例1相同。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
实施例5
本实施例中，通过调整切割线参数在硅片表面形成梯形状结构，切割线参数如表1所示。其他内容均与实施例1相同。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
对比例1
该对比例1中，先将硅片切割成平整的表面，然后再在平整的表面上进行制绒工序，参考附图20和21，其中，图20为对比例1的平整表面的硅片的结构示意图；图21为在图20所示的平整表面的硅片上制绒后的结构示意图。
其他内容均与实施例1相同。
对制绒步骤后得到的硅片的类金字塔数量、比表面积以及对光的反射率进行测试，测试结果如表2所示。对电池片的Isc以及EFF进行测试，测试结果如表2所示。
表1
表2
从表2中可以看出，与对比例1相比，实施例1-5的比表面积和单位面积的类金字塔数量均大幅增加，对光的反射率均降低，Isc和EFF均有所提升。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种硅片，其特征在于，所述硅片的表面为凸凹不平的结构，所述凸凹不平的结构表面设有绒面。
2.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述凸凹不平的结构的最高点与最低点之间的距离为2-55μm，优选15-30μm。
3.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述凸凹不平的结构为波浪状、矩形状、V状、半圆弧状或者梯形状。
4.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述凸凹不平的结构为波浪状，所述波浪状的坡度与所述硅片所在水平面的夹角不大于30度，优选15-20度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硅片，其特征在于，所述绒面的表面积与所述硅片的基底面积的比值为1.45-2。
6.根据权利要求1-4任一项所述的硅片，其特征在于，基于单位面积的硅片基底，所述类金字塔绒面上的类金字塔数量为93.18-119.56万个/mm2。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述的硅片的方法，其特征在于，包括：
(1)通过调整切割线参数在硅片表面形成凸凹不平的结构；
(2)对凸凹不平的硅片表面进行抛光；
(3)在抛光后的所述凸凹不平的硅片表面形成绒面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，形成波浪状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为4600-5000m，张力为2-3牛，进线周数为0.2-0.3，回线率为65％-70％，线径为0.035μm；
或，形成矩形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为3800-4000m，张力为4-10牛，进线周数为0.3-0.5，回线率为55％-70％，线径为0.035μm；
或，形成所述V状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为2400-3200m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为85％-95％，线径为0.042μm；
或，形成半圆弧状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为400-800m，张力为3-7牛，进线周数为3-5，回线率为65％-75％，线径为0.038μm；
或，形成梯形状的所述凸凹不平的结构的切割线参数为：进线长度为1000-1500m，张力为2-4牛，进线周数为0.4-2，回线率为55％-70％，线径为0.047μm。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：
将抛光后的所述凸凹不平的硅片表面置于浓度为1-10wt％的碱液中反应，反应温度为70-90摄氏度，反应时间为20-800s，以便在所述凸凹不平的硅片表面形成绒面。
10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池具有权利要求1-6任一项所述的硅片或权利要求7-9任一项所述方法制备的硅片。
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