CN117317058A - 提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法及光伏电池制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏电池技术领域，提供一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法及光伏电池制作方法。该提升方法，包括：先对硅片表面进行抛光处理，以在硅片表面形成光滑平坦的形貌；抛光处理包括先对硅片进行碱液抛光处理，再采用含HF的水溶液对硅片进行酸洗；再采用过硫酸铵水溶液在室温下对酸洗后的硅片表面进行化学处理，再对硅片进行水洗、烘干；过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵的质量浓度为2‑10％，化学处理的时间为1‑3分钟；再在化学处理后的硅片表面制备厚度均匀的隧穿氧化层。该提升方法能使硅片表面形成致密、且较厚的硅‑羟基亲水表面，有效提升电池背面隧穿氧化层的厚度及均匀性，有助于提升电池的填充因子和开路电压。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，特别是涉及一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法及光伏电池制作方法。
背景技术
现有TOPCon电池的制作方法(参见CN110299422B、CN112599615B)，通常包括：对硅片依次进行双面制绒，正面硼扩散及选择性掺杂，后氧化，单面氢氟酸清洗以去除硼硅玻璃，背面碱抛光，背面制备隧穿氧化层及掺磷多晶硅，去绕镀和掺杂硅玻璃，正背面制备钝化膜以及正背面制备电极。
其中，如公开号CN112111279A公开的一种抛光工艺所示，背面碱抛光通常包括前清洗、碱抛光、后清洗及酸洗的工艺步骤，且各工艺步骤间由水清洗隔开，背面碱抛光的最后一步的酸洗所用试剂通常包含氢氟酸(HF)，之后进行水洗、烘干，以便于进行后续电池的制备。
然而，该背面碱抛光中，由于其最后一步存在HF，该HF能腐蚀掉硅片表面所有的氧化硅，使得硅片表面呈现裸硅状态。故而，在后续隧穿氧化层制备时，对氧化或镀膜过程要求非常苛刻；因为若隧穿氧化层的制备工艺稍有所波动，则所制得的隧穿氧化层极易出现不均匀的缺陷，影响电池背面隧穿氧化层的厚度及均匀性，从而影响后续掺杂多晶硅的沉积，进而电池性能(如填充因子、开路电压)，不利于电池效率的提升。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法及光伏电池制作方法。
基于此，本发明公开了一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，包括如下步骤：
S1、对硅片表面进行抛光处理，以在硅片表面形成光滑平坦的形貌；
其中，抛光处理包括先对硅片进行碱液抛光处理，再采用含HF的水溶液对硅片进行酸洗；
S2、采用过硫酸铵水溶液在室温下对酸洗后的硅片表面进行化学处理，再对硅片进行水洗、烘干；
其中，所述过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵的质量浓度为2-10％，化学处理的时间为1-3分钟；
S3、在化学处理后的硅片表面制备厚度均匀的隧穿氧化层。
优选地，步骤S2中，所述过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵的质量浓度为7％，化学处理的时间为3分钟。
优选地，步骤S1中，所述酸洗包括：采用氢氟酸水溶液，或者氢氟酸与盐酸的混合水溶液，对硅片进行酸洗，去除硅片表面残留的氧化硅和碱金属离子，再水洗硅片。
进一步优选地，所述酸洗的试剂为氢氟酸与盐酸的混合水溶液，混合水溶液中的氢氟酸的质量浓度为1-10％、盐酸的质量浓度为1-10％，酸洗时间为2-8分钟，酸洗温度为室温。
优选地，步骤S1中，抛光处理优选为采用槽式碱抛光设备进行；所述碱液抛光处理包括如下步骤：
S11、采用氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，或者氢氧化钾与双氧水的混合水溶液，对硅片表面进行预清洗，去除硅片表面残留的杂质，再水洗硅片；
S12、采用氢氧化钠与碱抛光添加剂的混合水溶液，或者氢氧化钾与碱抛光添加剂的混合水溶液，对硅片表面进行抛光，再水洗硅片；
S13、采用氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，或者氢氧化钾与双氧水的混合水溶液，对硅片表面进行后清洗，去除硅片表面残留的杂质，再水洗硅片。
进一步优选地，步骤S11和步骤S13中，所述预清洗及后清洗的试剂均为氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，且混合水溶液中的氢氧化钠的质量浓度为0.1-3％、双氧水的质量浓度为2-8％，预清洗及后清洗的温度均为50-80℃、时间均为1-5分钟。
进一步优选地，步骤S12中，所述抛光的试剂为氢氧化钠与碱抛光添加剂的混合水溶液，混合水溶液中的氢氧化钠的质量浓度为1-8％、碱抛光添加剂的体积浓度为0.3-2％，抛光的温度为50-80℃、时间为1-10分钟。
优选地，步骤S3中，采用LPCVD设备、PECVD设备或PVD设备对硅片表面进行氧化和沉积，以在硅片表面制得0.5-2.5纳米厚度的所述隧穿氧化层。
进一步优选地，步骤S3中，采用PVD设备对硅片表面进行氧化和沉积，功率为40-90W，氧气流量为300-1000sccm，温度为250-350℃，以在硅片表面制得所述隧穿氧化层。
本发明上述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法能应用于制备光伏电池(如TOPCon电池)。
故而，本发明还公开了一种光伏电池制作方法，包括如下制作步骤：
步骤一、在制绒后的硅片正面依次进行掺杂扩散、选择性掺杂及氧化处理，以在硅片正面制得选择性发射极，并使硅片正面获得PN结型；
步骤二、清洗硅片背面，以去除硅片背面因掺杂扩散所形成的掺杂硅玻璃；
步骤三、采用权利要求1-9任一项所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，以在硅片背面制得厚度均匀的隧穿氧化层；再在隧穿氧化层的背面制备掺杂多晶硅；
步骤四、对硅片进行去绕镀处理，以去除掺杂所带来的绕镀层，并去除硅片掺杂所形成的掺杂硅玻璃；
步骤五、在硅片的正背面制备钝化膜；
步骤六、在硅片的正面和背面分别进行图形化电极印刷，再依次进行电极烧结及后续的注入处理，即得所述光伏电池。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
发明人发现：在上述步骤S1的抛光处理中，由于其最后一步存在HF(氢氟酸)，该HF能腐蚀掉硅片表面所有的氧化硅，使得硅片表面呈现裸硅状态；这会导致：在后续隧穿氧化层制备时，对氧化或镀膜过程要求非常苛刻；因为若隧穿氧化层的制备工艺稍有所波动，则所制得的隧穿氧化层极易出现不均匀的缺陷，影响电池背面隧穿氧化层的厚度及均匀性，从而影响后续掺杂多晶硅的沉积，进而电池性能(如填充因子、开路电压)，不利于电池效率的提升。
基于此，本发明在抛光处理的HF酸洗步骤之后，增加了采用特定质量浓度的过硫酸铵水溶液对硅片进行化学处理，并控制好化学处理的时间和温度；如此，使硅片表面能形成并呈现致密、且较厚的硅-羟基亲水表面，改善后续制备隧穿氧化层的硅片背面的起始表面状态，降低制备隧穿氧化层的氧化难度，有效提升电池背面隧穿氧化层的厚度及均匀性，增强隧穿氧化层对后续制备的多晶硅中的掺杂原子(如磷原子)的阻挡效果，有效提升磷原子穿透隧穿氧化层的均匀性，进而有助于提升电池的填充因子和开路电压，有助于电池效率的提升。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例的一种光伏电池制作方法，包括如下制作步骤：
步骤1、对硅片进行制绒处理。其中，硅片优选为N型单晶硅片；制绒优选为双面碱制绒，以在单晶硅片的正背面形成金字塔形貌。
步骤2、对制绒后的硅片正面进行掺杂扩散。其中，优选为对硅片的正面进行单面硼掺杂扩散。
步骤3、对掺杂扩散后的硅片的掺杂扩散区域进行选择性掺杂，以在硅片的正面制得选择性发射极。其中，选择性掺杂优选为激光选择性掺杂。
步骤4、对选择性掺杂后的硅片进行氧化处理，以使硅片的正面获得更好的PN结型，并结合后续的清洗工序以去除硅片表面的部分损伤层。
步骤5、再对硅片背面进行清洗，以去除硅片背面因掺杂扩散所形成的掺杂硅玻璃(如硼硅玻璃)。其中，该清洗优选为单面HF溶液清洗。
以上步骤1至步骤5具体可参见现有N型TOPCon电池的制作工艺，故此不详述。
步骤6、再对硅片的背面进行抛光处理，以在硅片的背面获得光滑平坦的形貌。
其中，抛光处理优选为采用槽式碱抛光设备进行。
步骤6具体包括依次进行的如下步骤：
步骤61、采用氢氧化钠(或氢氧化钾)与双氧水的混合水溶液1进行预清洗，去除硅片表面残留的杂质；再对硅片进行水洗。
其中，以氢氧化钠与双氧水的混合水溶液1为例，预清洗所用的混合水溶液1中的氢氧化钠质量浓度为0.1-3％(优选为1％)，双氧水质量浓度为2-8％(优选为5％)，预清洗的温度为50-80℃(优选为65℃)、时间为1-5分钟(优选为3分钟)。
步骤62、采用氢氧化钠(或氢氧化钾)与添加剂的混合水溶液2，对硅片背面进行抛光；再对硅片进行水洗。
其中，以氢氧化钠与添加剂的混合水溶液2为例，步骤62抛光所用的混合水溶液2中的氢氧化钠质量浓度为1-8％(优选为4％)，碱抛光专用添加剂体积浓度为0.3-2％(优选为1％)，抛光的温度为50-80℃(优选为65℃)、时间为1-10分钟(优选为5分钟)。
其中，碱抛光专用添加剂包括但不限于时创公司的PS系列碱抛光添加剂。
步骤63、采用氢氧化钠(或氢氧化钾)与双氧水的混合水溶液3进行后清洗，去除硅片表面残留的杂质；再对硅片进行水洗。
其中，以氢氧化钠与双氧水的混合水溶液3为例，后清洗所用的混合水溶液3中的氢氧化钠质量浓度为0.1-3％(优选为1％)，双氧水质量浓度为2-8％(优选为5％)，后清洗的温度为50-80℃(优选为65℃)、时间为1-5分钟(优选为3分钟)。
步骤64、采用氢氟酸水溶液(或者氢氟酸与盐酸的混合水溶液4)对硅片进行酸洗，去除硅片表面残留的氧化硅(该氧化硅是前述步骤过程中硅片表面被氧化所形成的)和碱金属离子(例如，抛光处理所用的钠金属离子或钾金属离子)；再对硅片进行水洗。
其中，以氢氟酸与盐酸的混合水溶液4为例，步骤64酸洗所用的混合水溶液4中的氢氟酸质量浓度范围为1-10％(优选5％)，盐酸质量浓度为1-10％(优选为5％)，酸洗时间为2-8分钟(优选为4分钟)，酸洗温度为室温。
步骤6的抛光处理中，由于最后一步存在HF(氢氟酸)，该HF能腐蚀掉硅片表面所有的氧化硅，使得硅片表面呈现裸硅状态，这会导致：在后续隧穿氧化层制备时，对氧化或镀膜过程要求非常苛刻，因为若隧穿氧化层的制备工艺稍有所波动，则所制得的隧穿氧化层极易出现厚度偏薄、且不均匀等缺陷，影响电池背面隧穿氧化层的厚度及均匀性，从而影响后续掺杂多晶硅的沉积，进而电池性能(如填充因子、开路电压)，不利于电池效率的提升。
针对这一缺陷，本实施例还增设了如下步骤7对硅片背面进行化学改善的步骤。
步骤7、采用过硫酸铵水溶液对硅片进行化学处理，再对硅片进行水洗、烘干；如此，使硅片表面能形成并呈现致密、且较厚的硅-羟基亲水表面。
其中，过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵质量浓度为2-10％，化学处理的时间为1-3分钟、温度为室温。
步骤8、在步骤7处理后的硅片背面依次制备隧穿氧化层及非晶硅(本征非晶硅或掺杂非晶硅)。
其中，隧穿氧化层的制备过程包括对硅片表面进行氧化和沉积，其采用的设备包括但不限于LPCVD设备、PECVD设备或PVD设备。非晶硅的沉积方法包括但不限于LPCVD法、PECVD法或PVD法。
优选为，采用PVD设备，对硅片背面进行氧化和沉积，其功率为40-90W，氧气流量为300-1000sccm，温度为250-350℃，以在硅片背面形成0.5-2.5纳米厚度的隧穿氧化层。随后，继续进行非晶硅的制备，再结合如下步骤9-10，以在隧穿氧化层的背面形成50-200纳米厚度的掺杂多晶硅。
本实施例中，上述步骤6、步骤7以及步骤8的制备隧穿氧化层，即为本实施例的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法。
步骤9、若步骤8是制备本征非晶硅，则该步骤对硅片的本征非晶硅进行掺杂扩散。或者，若步骤8是制备掺杂非晶硅，则该步骤对硅片进行退火，以使掺杂非晶硅晶化成掺杂多晶硅。
步骤8和步骤9中，掺杂非晶硅优选为掺磷非晶硅；对应地，步骤9中的掺杂多晶硅优选为掺磷多晶硅。
步骤10、对硅片进行去绕镀处理，以去除掺杂所带来的绕镀层，并去除硅片掺杂所形成的掺杂硅玻璃(如硼硅玻璃、磷硅玻璃)。
步骤11、在硅片的正背面制备钝化膜。
具体地，步骤11包括：采用ALD法在硅片正面沉积氧化铝膜，再采用PECVD法在硅片的正面和背面分别沉积正面氮化硅膜和背面氮化硅膜。
步骤12、在硅片的正面和背面分别进行图形化电极印刷，再依次进行电极烧结及后续的注入处理(如光注入处理)，以制得光伏电池；最后对成品光伏电池进行测试、分选、包装。
其中，注入处理的主要是起氢钝化的作用。
以上步骤9至步骤12具体可参见现有N型TOPCon电池的制备工艺，故此不详述。
实施例2
本实施例的一种光伏电池制作方法，其制作步骤参照实施例1，其与实施例1的区别在于：
步骤7中，化学处理所用的过硫酸铵水溶液中过硫酸铵的质量浓度为3％，化学处理的时间为2分钟、温度为室温。
步骤8中，采用PVD设备对硅片背面进行表面氧化，氧化的功率为50W，氧气流量为500sccm，温度为300℃，时间为150秒，以在硅片背面形成隧穿氧化层。
实施例3
本实施例的一种光伏电池制作方法，其制作步骤参照实施例1，其与实施例1的区别在于：
步骤7中，化学处理所用的过硫酸铵水溶液中过硫酸铵的质量浓度为7％，化学处理的时间为3分钟、温度为室温。
步骤8中，采用PVD设备对硅片背面进行表面氧化，氧化的功率为50W，氧气流量为500sccm，温度为280℃，时间为140秒，以在硅片背面形成隧穿氧化层。
实施例4
本实施例的一种光伏电池制作方法，其制作步骤参照实施例1，其与实施例1的区别在于：
步骤7中，化学处理所用的过硫酸铵水溶液中过硫酸铵的质量浓度为2％，化学处理的时间为3分钟、温度为室温。
步骤8中，采用PVD设备对硅片背面进行表面氧化，氧化的功率为55W，氧气流量为500sccm，温度为300℃，时间为140秒，以在硅片背面形成隧穿氧化层。
对比例1
本对比例的一种光伏电池制作方法，参照实施例2，其与实施例2的区别在于：
本对比例省略步骤7的化学处理步骤。
对比例2
本对比例的一种光伏电池制作方法，参照实施例2，其与实施例2的区别在于：
本对比例的步骤7中，用双氧水溶液替代过硫酸铵水溶液来对硅片进行化学处理；其中，双氧水溶液中双氧水的质量浓度为3％，处理的时间为2分钟、温度为室温。
性能测试
对实施例2～4及对比例1～2的光伏电池分别进行性能测试，测试结果如下表1所示：
表1
表1中，厚度的标准差数值越小，说明隧穿氧化层的各局部区域的厚度差异越小，则隧穿氧化层的均匀性越好。
从表1可知：与对比例1、2相比，实施例2在步骤6抛光处理的HF酸洗之后，增加步骤7采用过硫酸铵水溶液对硅片进行化学处理；这样，使硅片表面能形成并呈现致密、且较厚的硅-羟基亲水表面，故而能适当提升后续步骤8所沉积的隧穿氧化层的厚度，并有效提高该隧穿氧化层沉积的均匀性，进而能提升电池的填充因子和开路电压，有助于电池效率的提升。
这主要是因为：双氧水及臭氧在常温下均会产生自分解，浓度的波动均容易产生对硅片表面氧化的不均匀，故而对后续制备的隧穿氧化层的均匀性产生不利影响。故而，相比如双氧水、臭氧的常用硅片表面处理试剂，本发明在抛光处理的HF酸洗之后，采用特定质量浓度的过硫酸铵水溶液在常温下对硅片表面进行化学处理的工艺稳定性更好，故而能使硅片表面形成并呈现致密、且较厚的硅-羟基亲水表面，以利于后续制备的隧穿氧化层的厚度及均匀性的改善。
此外，至于现有的某些碱抛光添加剂(如CN111560249A所示)中也添加有一定量的过硫酸铵，这所起的作用是辅助控制碱抛光腐蚀的速率；而且，碱抛光是在HF酸洗之前；故而这些含过硫酸铵的碱抛光添加剂也无法如本发明在HF酸洗之后采用特定质量浓度的过硫酸铵水溶液在常温下对硅片表面进行化学处理一样：能对硅片表面进行改善，以使硅片表面能形成并呈现致密、且较厚的硅-羟基亲水表面，以改善后续制备隧穿氧化层的硅片背面的起始表面状态。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对硅片表面进行抛光处理，以在硅片表面形成光滑平坦的形貌；
其中，抛光处理包括先对硅片进行碱液抛光处理，再采用含HF的水溶液对硅片进行酸洗；
S2、采用过硫酸铵水溶液在室温下对酸洗后的硅片表面进行化学处理，再对硅片进行水洗、烘干；
其中，所述过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵的质量浓度为2-10％，化学处理的时间为1-3分钟；
S3、在化学处理后的硅片表面制备厚度均匀的隧穿氧化层。
2.根据权利要求1所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S2中，所述过硫酸铵水溶液中的过硫酸铵的质量浓度为7％，化学处理的时间为3分钟。
3.根据权利要求1或2所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S1中，所述酸洗包括：采用氢氟酸水溶液，或者氢氟酸与盐酸的混合水溶液，对硅片进行酸洗，去除硅片表面残留的氧化硅和碱金属离子，再水洗硅片。
4.根据权利要求3所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，所述酸洗的试剂为氢氟酸与盐酸的混合水溶液，混合水溶液中的氢氟酸的质量浓度为1-10％、盐酸的质量浓度为1-10％，酸洗时间为2-8分钟，酸洗温度为室温。
5.根据权利要求1或2所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S1中，所述碱液抛光处理包括如下步骤：
S11、采用氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，或者氢氧化钾与双氧水的混合水溶液，对硅片表面进行预清洗，去除硅片表面残留的杂质，再水洗硅片；
S12、采用氢氧化钠与碱抛光添加剂的混合水溶液，或者氢氧化钾与碱抛光添加剂的混合水溶液，对硅片表面进行抛光，再水洗硅片；
S13、采用氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，或者氢氧化钾与双氧水的混合水溶液，对硅片表面进行后清洗，去除硅片表面残留的杂质，再水洗硅片。
6.根据权利要求5所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S11和步骤S13中，所述预清洗及后清洗的试剂均为氢氧化钠与双氧水的混合水溶液，且混合水溶液中的氢氧化钠的质量浓度为0.1-3％、双氧水的质量浓度为2-8％，预清洗及后清洗的温度均为50-80℃、时间均为1-5分钟。
7.根据权利要求5所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S12中，所述抛光的试剂为氢氧化钠与碱抛光添加剂的混合水溶液，混合水溶液中的氢氧化钠的质量浓度为1-8％、碱抛光添加剂的体积浓度为0.3-2％，抛光的温度为50-80℃、时间为1-10分钟。
8.根据权利要求1或2所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S3中，采用LPCVD设备、PECVD设备或PVD设备对硅片表面进行氧化和沉积，以在硅片表面制得0.5-2.5纳米厚度的隧穿氧化层。
9.根据权利要求8所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，其特征在于，步骤S3中，采用PVD设备对硅片表面进行氧化和沉积，功率为40-90W，氧气流量为300-1000sccm，温度为250-350℃，以在硅片表面制得所述隧穿氧化层。
10.一种光伏电池制作方法，其特征在于，包括如下制作步骤：
步骤一、在制绒后的硅片正面依次进行掺杂扩散、选择性掺杂及氧化处理，以在硅片正面制得选择性发射极，并使硅片正面获得PN结型；
步骤二、清洗硅片背面，以去除硅片背面因掺杂扩散所形成的掺杂硅玻璃；
步骤三、采用权利要求1-9任一项所述的一种提升TOPCon电池隧穿氧化层均匀性的方法，以在硅片背面制得厚度均匀的隧穿氧化层；再在隧穿氧化层的背面制备掺杂多晶硅；
步骤四、对硅片进行去绕镀处理，以去除掺杂所带来的绕镀层，并去除硅片掺杂所形成的掺杂硅玻璃；
步骤五、在硅片的正背面制备钝化膜；
步骤六、在硅片的正面和背面分别进行图形化电极印刷，再依次进行电极烧结及后续的注入处理，即得所述光伏电池。
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