CN115411155A - 一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，先对单晶硅片进行碱制绒；双面本征非晶硅淀积；正面P型非晶硅生长和掺杂，背面N+型非晶硅生长和掺杂；正面TCO薄膜生长，背面TCO薄膜生长；背面镀Cu；对背面印刷主栅处理并烘干；对背面掩膜层印刷并烘干；化学腐蚀，去掩膜吹干处理；正面栅线印刷、固化；光热处理。本发明解决丝网印刷在光伏电池中制作成本过高问题，通过对PVD镀铜工艺和丝网印刷工艺的复合使用，以达到降低银耗减低成本的目的，同时利用印刷掩膜工艺实现栅线的选择性腐蚀，实现背面栅线的高宽比可控，在降低制作成本的同时保证背面功率可控。

Description

一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池，具体是一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法。
背景技术
异质结电池技术具有效率高、无衰减、生产工艺简单、工艺温度低等优点，但仍不能大规模量产，主要存在以下问题：
1.镀铜工艺
传统晶硅电池通常采用高温烧结将银浆有机相烧除银粉表面熔融并互相烧结在一起形成非常良好的导电通路。由于银浆价格昂贵，目前采用的技术有采用PVD溅射的方式在硅基异质结正反两面沉积种子铜层，在硅片两边贴上干膜，通过曝光、显影在干膜上形成栅线图案，之后通过电镀法在栅线图案区域形成铜金属栅线。然而，干膜的成本较高，并且曝光设备价格昂贵，显影工艺不成熟，不适合大规模自动化生产。
2.丝网印刷
目前工业界普遍采用丝网印刷技术在电池基底材料上印刷电池栅线即金属电极，但丝网印刷也存在几点不足：一是印刷过程中丝网与基底、硅片接触易造成硅片的破损及二次污染；二是丝网印刷往往造成浆料的浪费；三是目前印刷精度和印刷细栅的高宽比很难再提高，因此，丝网印刷在光伏电池中制作成本过高。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，本发明解决丝网印刷在光伏电池中制作成本过高问题，通过对PVD镀铜工艺和丝网印刷工艺的复合使用，以达到降低银耗减低成本的目的，同时利用印刷掩膜工艺实现栅线的选择性腐蚀，实现背面栅线的高宽比可控，在降低制作成本的同时保证背面功率可控。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，
S1、先对单晶硅片进行碱制绒，使单晶硅片形成双面陷光绒面结构；
S2、已制绒后硅片进行双面本征非晶硅淀积；
S3、对已完成上述工艺硅片进行正面P型非晶硅生长和掺杂，背面进行N+型非晶硅生长和掺杂；
S4、对已完成上述加工硅片依次进行正面TCO薄膜生长，背面TCO薄膜生长；
S5、对已完成上述加工硅片进行背面镀Cu，然后在Cu层表面进行ITO层保护；
S6、使用丝网印刷工艺对背面进行印刷主栅处理并烘干；
S7、使用丝网印刷工艺对背面进行掩膜层印刷并烘干，掩膜图形和细栅设计图形相同；
S8、对已完成上述加工硅片进行化学腐蚀，用以腐蚀出栅线形貌，再进行去掩膜处理，腐蚀完成后对硅片进行吹干处理；
S9、对已完成上述加工硅片进行正面栅线印刷、固化；
S10、光热处理。
进一步地，在步骤S1中，绒面的大小为2－5μm。
进一步地，在步骤S2和S3中，包括以下子步骤：将步骤S1中清洗后的单晶硅片装入载板，沉积厚度为8－12nm，掺杂浓度为2％－5％。
进一步地，在步骤S4中，正面TCO薄膜、背面TCO薄膜的膜层厚度均为80－120nm。
进一步地，在步骤S5中，Cu膜层的厚度为200nm－20um。
进一步地，在步骤S6中，丝网印刷工艺采用低温银浆印刷。
进一步地，在步骤S7中，丝网印刷工艺采用INK掩膜印刷，掩膜设计线宽为30－50um。
进一步地，在步骤S8中，化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，去除掩膜使用化学溶剂为HF。
进一步地，在步骤S9中，使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为200－250℃，时间9－15min。
综上所述，本发明取得了以下技术效果：
本发明使用PVD对TCO薄膜电池片背面进行Cu镀膜，可以有效的降低光伏电池的成本；
本发明镀铜层较丝网印刷工艺实现的银浆结构上更为紧密，具有更优的导电性能；本发明PVD技术可以和表面导电薄膜制备(制备TCO薄膜)进行整合，有利于产线设计规划；本发明在电池片背面进行掩膜INK材料印刷，印刷图形根据背面栅线设计，对非印刷掩膜区域进行Cu腐蚀，实现栅线制备，这种印刷掩膜层较常规丝网印刷银浆具有印刷性能好，过墨性更优等优势；本发明印刷网版等耗材要求变低，降低印刷要求以及印刷成本；
本发明化学腐蚀制备背面栅线工艺配合镀铜、掩膜，使得背面具有更优的高宽比，从而使得电池的性能提高，在化学品对纵向Cu膜进行腐蚀的同时，横向栅线也同时腐蚀，降低栅线宽度；
本发明的电池结构可用于异质结电池正面，也可用于异质结电池背面，或者同时用于其正背面，其效果可叠加。
附图说明
图1是本发明实施例提供的异质结电池示意图；
图2是银栅线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其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专利法的保护。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
一种异质结电池，如图1和图2所示，包括硅片、非晶硅薄膜、TCO、银栅线、保护层。
一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，包括以下步骤：
S1、先对单晶硅片进行碱制绒，使单晶硅片形成双面陷光绒面结构；
其中，绒面的大小为2－5μm；
S2、已制绒后硅片进行双面本征非晶硅淀积；
S3、对已完成上述工艺硅片进行正面P型非晶硅生长和掺杂，背面进行N+型非晶硅生长和掺杂；
在步骤S2、S3中，包括以下子步骤：将步骤S1中清洗后的单晶硅片装入载板，沉积厚度为8－12nm，掺杂浓度为2％－5％；
S4、对已完成上述加工硅片依次进行正面TCO(透明导电氧化物)薄膜生长，背面TCO薄膜生长；
其中，使用PVD设备进行镀膜层，正面TCO薄膜、背面TCO薄膜的膜层厚度均为80－120nm；且，根据电性能和膜色可进行最佳调节。靶材的选择上，可以使用ITO(掺锡氧化铟)的靶材；进一步的，为了达到更好的电池性能，可以在p面使用IWO(钨掺杂氧化铟)；如降本需求较高，可以在n面使用叠层膜，掺杂使用一定厚度的AZO(铝掺杂氧化锌)；
S5、对已完成上述加工硅片进行背面镀Cu，然后在Cu层表面进行ITO层保护；
其中，使用PVD设备进行镀Cu层，Cu膜层的厚度为200nm－20um；靶材的选择上，可以使用高纯铜靶材。在Cu表面保护层方面选择ITO作为表面保护层；
S6、使用丝网印刷工艺对背面进行印刷主栅处理并烘干；
本步骤中，丝网印刷工艺采用低温银浆印刷；低温银浆使用市场银浆即可，例如晶银厂商的银浆。
S7、使用丝网印刷工艺对背面进行掩膜层印刷并烘干，掩膜图形和细栅设计图形相同；
本步骤中，丝网印刷工艺采用INK掩膜印刷，掩膜设计线宽为30－50um；
S8、对已完成上述加工硅片进行化学腐蚀，用以腐蚀出栅线形貌，再进行去掩膜处理，腐蚀完成后对硅片进行吹干处理；
使用化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，进行栅线制备，去除掩膜使用化学溶剂为HF，处理完成后进行烘干处理；掩膜宽度栅线开口25－50um；
其中，H2SO4和H2O2的混合溶液体积比为1：15：85；
S9、对已完成上述加工硅片进行正面栅线印刷、固化；
使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为200－250℃，时间9－15min；
S10、光热处理；
使用电注入方式或光注入方式进行光热处理，可有效提升效率。处理完成后进行I－V测试，得到电池性能数据。I－V测试采用长脉冲和非线性扫描方式去除电容效应，采用伟信等厂商仪器测量。
本方案把原来的银浆换成了铜，同理又利用镀铜、掩膜、腐蚀的方式提高铜的导电性，同时配合利用光热处理进一步提升电池的性能，既实现降低成本的目的，又实现提高电池导电性能的目的，从而提高电池的效率。
实施例1：
(1)先对n型单晶硅片进行碱制绒，使n型单晶硅片形成双面陷光绒面结构并形成圆滑新貌，绒面的大小为5μm；
(2)使用平板式PECVD对电池片进行本征非晶硅和掺杂非晶硅镀膜，沉积厚度为10nm，掺杂浓度为2％；
(3)使用PVD设备进行镀膜层制备，膜层的厚度为100nm；靶材为使用ITO的靶材；
(4)使用PVD设备进行镀Cu层和表面ITO保护层，Cu膜层的厚度为200nm，ITO层厚度为60nm。靶材为高纯铜的靶材；
(5)使用丝网印刷工艺进行背面主栅线和背面INK掩膜区域印刷，烘干，INK掩膜印刷线宽设计30um；
(6)对硅片进行非掩膜区腐蚀处理；使用化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，腐蚀掉非掩膜区域的Cu膜，进行栅线制备，处理完成后进行烘干处理；掩膜宽度栅线开口25um；其中，H2SO4和H2O2的混合溶液体积比为1：15：85；
(7)使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为200℃，时间9min；
(8)使用光注入方式进行光热处理，可有效提升效率。处理完成后进行I－V测试。
实施例2：
(1)先对n型单晶硅片进行碱制绒，使n型单晶硅片形成双面陷光绒面结构并形成圆滑新貌，绒面的大小为3μm；
(2)使用平板式PECVD对电池片进行本征非晶硅和掺杂非晶硅镀膜，沉积厚度为8nm，掺杂浓度为3％；
(3)使用PVD设备进行镀膜层制备，膜层的厚度为120nm。靶材为使用ITO的靶材；
(4)使用PVD设备进行镀Cu层和表面ITO保护层，Cu膜层的厚度为1000nm，ITO层厚度为50nm。靶材为使用高纯铜的靶材；
(5)使用丝网印刷工艺进行背面主栅线和背面INK掩膜区域印刷，烘干，INK掩膜印刷线宽设计40um；
(6)对硅片进行非掩膜区腐蚀处理；使用化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，腐蚀掉非掩膜区域的Cu膜，进行栅线制备，处理完成后进行烘干处理；掩膜宽度栅线开口35um；其中，H2SO4和H2O2的混合溶液体积比为1：15：85；
(7)使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为210℃，时间12min；
(8)使用光注入方式进行光热处理，可有效提升效率。处理完成后进行I－V测试。
实施例3：
(1)先对n型单晶硅片进行碱制绒，使n型单晶硅片形成双面陷光绒面结构并形成圆滑新貌，绒面的大小为2μm；
(2)使用平板式PECVD对电池片进行本征非晶硅和掺杂非晶硅镀膜，沉积厚度为12nm，掺杂浓度为5％；
(3)使用PVD设备进行镀膜层制备，膜层的厚度为80nm，靶材为使用ITO的靶材；
(4)使用PVD设备进行镀Cu层和表面ITO保护层，Cu膜层的厚度为20um，ITO层厚度为80nm。靶材为使用高纯铜的靶材；
(5)使用丝网印刷工艺进行背面主栅线和背面INK掩膜区域印刷，烘干，INK掩膜印刷线宽设计50um；
(6)对硅片进行非掩膜区腐蚀处理；使用化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，腐蚀掉非掩膜区域的Cu膜，进行栅线制备，处理完成后进行烘干处理；掩膜宽度栅线开口50um；其中，H2SO4和H2O2的混合溶液体积比为1：15：85；
(7)使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为250℃，时间15min；
(8)使用光注入方式进行光热处理，可有效提升效率。处理完成后进行I－V测试。
3个实施例的结果对比如下表(以常规异质结电池为对比例并归一化)：
表1
方案 ETA Uoc Isc FF Rs
对比例 － － － － －
实施例1 －0.15％ －1mV －20mA －0.3％ 1.5mΩ
实施例2 0.02％ 1.5mV － －0.1％ 0.2mΩ
实施例3 －0.05％ － －10mA －0.15％ 0.5mΩ
注：1、实施例1、2、3银耗包括正面银耗和背面主栅银耗。
2、上述计算镀铜方案成本约是原方案的54.75％。以银浆单价按7000元/KG、单片功率按5.46W计算(210半片)：
表2
方案 银耗 银浆单价 单片价格 单瓦成本
双面Ag 140mg 7000元/KG 0.98 0.179
背面镀铜 75mg 7000元/KG 0.525 0.096
铜靶材单价3W/根，机台12根可以使用大约80天，综合产量单瓦成本为0.002元/瓦，可知，本方案(0.096+0.002)/0.179＊100％＝54.75％。
3、表格中对比例用“－”表示为基准线。
4、ETA是指电池的转换效率，Uoc是指开路电压，Isc是指短路电流，FF是指填充因子，Rs是指方阻。
由表1可知，将对比例作为baseline标准，实施例1、2、3各项性能随着镀Cu膜的厚度有些微变化。
由表1可知，实施例2中ETA有所提升，主要原因是使用PVD镀铜可以使薄膜更加致密，从而获得良好的导电性；实施例1和实施例3的ETA效率有所下降，但下降仅有－0.15％、－0.05％，在保证成本大幅降低的情况下，转换效率的微小幅度降低可以忽略不计。
FF填充因子同样代表电池的性能，由表1可知，实施例1、2、3相对于对比例存在微小的下降，在大幅降低成本的情况，微小的填充因子下降可以忽略不计。
实施例2中短路电流、实施例3中开路电压均与对比例相同。
另外，在电池片背面进行掩膜INK材料印刷，对非印刷掩膜区域进行Cu腐蚀，相较于对比例常规的丝网印刷银浆，银耗量更少，银耗量大约是对比例的75/140＝53.57％，成本大幅下降。相较于对比例，本发明方案可以在保持电池效率的情况下，大大降低了银的耗量，从而降低了电池片的生产成本，所以认为此方案经济可行。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：
S1、先对单晶硅片进行碱制绒，使单晶硅片形成双面陷光绒面结构；
S2、已制绒后硅片进行双面本征非晶硅淀积；
S3、对已完成上述工艺硅片进行正面P型非晶硅生长和掺杂，背面进行N+型非晶硅生长和掺杂；
S4、对已完成上述加工硅片依次进行正面TCO薄膜生长，背面TCO薄膜生长；
S5、对已完成上述加工硅片进行背面镀Cu，然后在Cu层表面进行ITO层保护；
S6、使用丝网印刷工艺对背面进行印刷主栅处理并烘干；
S7、使用丝网印刷工艺对背面进行掩膜层印刷并烘干，掩膜图形和细栅设计图形相同；
S8、对已完成上述加工硅片进行化学腐蚀，用以腐蚀出栅线形貌，再进行去掩膜处理，腐蚀完成后对硅片进行吹干处理；
S9、对已完成上述加工硅片进行正面栅线印刷、固化；
S10、光热处理。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S1中，绒面的大小为2－5μm。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S2和S3中，包括以下子步骤：将步骤S1中清洗后的单晶硅片装入载板，沉积厚度为8－12nm，掺杂浓度为2％－5％。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S4中，正面TCO薄膜、背面TCO薄膜的膜层厚度均为80－120nm。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S5中，Cu膜层的厚度为200nm－20um。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S6中，丝网印刷工艺采用低温银浆印刷。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S7中，丝网印刷工艺采用INK掩膜印刷，掩膜设计线宽为30－50um。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S8中，化学腐蚀溶液为H2SO4和H2O2的混合溶液，去除掩膜使用化学溶剂为HF。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能电池低成本金属化工艺制备方法，其特征在于：在步骤S9中，使用丝网印刷工艺印刷低温银浆进行正面栅线制备，然后将丝网印刷后的单晶硅片送入固化炉进行固化，固化的温度为200－250℃，时间9－15min。
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