CN1441504A - 高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺属于太阳能应用领域。本发明制备晶体硅太阳电池工艺按工艺线的生产顺序分为如下六个步骤：前道化学预处理；半导体PN结制作；电感偶合等离子刻蚀周边；淀积氮化硅薄膜；丝网印刷正、背面电极；正、背面电极金属化及氮化硅薄膜烧穿。本发明简化了太阳电池工艺、将原来的两到三次的电极烧结工艺简化成一次完成，降低了的成本，提高了太阳电池效率。采用此工艺，可获得商业化大面积(103×103mm2)单晶硅太阳电池的效率达15.7％，此工艺也适用于多晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池效率可达14.0％以上，(AM1.5，光照强度100mW/cm2，25℃)。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种太阳电池制备工艺，特别是一种高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，属于太阳能应用领域。
背景技术
晶体硅太阳电池产量和销售量在过去的20年时间内获得指数式增长的基础是晶体硅太阳电池生产工艺技术的改进和发展、生产成本的持续降低。在现有的科技杂志和世界各国的专利文献中，有关晶体硅太阳电池的工艺报道很多，仔细分析，不尽相同，每种专门的工艺过程都具有自身的特点和得以支撑的技术装备背景及适用范围，绝大部分报道的是单项工艺过程的研究。经文献检索发现，JamesAmick，Princeton，N.J.等申请的美国专利“太阳电池及制作方法”，专利申请号：US005320684A，该专利背面用丝网印带小窗口的铝浆作背电极，铝浆小窗口处先印上比铝浆小窗口略为大一点的银浆焊脚，靠近正面的PN结结深为0.5μm，该专利解决了背面的欧姆电极接触、铝背场和适合引出电极焊结的焊脚设计及具体的工艺实现。该技术没有考虑到铝浆小窗口处印刷纯银浆所带来的对铝背场的影响。铝浆小窗口处也没有实现背面三价铝对五价磷的补偿作用。另外，该技术也没有考虑到，在烧穿氮化硅薄膜工艺中，正面的PN结需要进一步的设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，使其将各项工艺有机地串联起来，获得了适合国产工艺装备的规格和要求的生产过程的工艺，简化了太阳电池工艺、降低了成本，为晶体硅太阳电池生产的国产化及晶体硅太阳电池产品走向世界奠定了技术基础。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明晶体硅太阳电池制备工艺按工艺线的生产顺序分为如下六个步骤：前道化学预处理；半导体PN结制作；电感偶合等离子(ICP)刻蚀周边；淀积氮化硅薄膜；丝网印刷正、背面电极；正、背面电极金属化及氮化硅薄膜烧穿。铝浆小窗口处印刷采用银铝浆，保证了小窗口也同样获得铝背场的结构，并且实现了铝浆小窗口处的三价铝对五价磷的补偿作用。同时本发明也对烧穿氮化硅薄膜工艺中的硅电池正面PN结结深作了进一步优化设计。
以下对本发明步骤作进一步详细描述，具体内容如下：
一、前道化学预处理
选电阻率在0.6～2Ωcm的硅晶片，采用半导体的常规清洗工艺，用碱溶液减薄工艺除去切片过程带来的损伤层，减薄后的硅片厚度达300μm，用重量百分比1.25％的稀释氢氧化钠溶液进行硅片的表面织构化处理，用盐酸水溶液(体积比为H2O∶HCl∶H2O2＝6∶1∶1)煮沸10分钟两遍，用体积百分比5％的稀氢氟酸水溶液漂去表面的氧化硅层，每道化学处理工序后，用去离子水清洗数遍，最后用冷、热去离子水清洗数遍，红外灯烘干备用。
二、半导体PN结制作
采用半导体液态源扩散工艺，POCl3为磷气态源，半导体工业常规扩散设备，铂铑热偶探测扩散炉的温度，半导体自动控温，单晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度为900～950℃，多晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度略低于单晶硅太阳电池PN结制作温度，为850～900℃，恒温区的长度为110cm。5分钟预加热：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，10～20分钟的恒源扩散：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，携源氮气70ml/min，20～40分钟的定源推进：通氮气300ml/min，氧气85ml/min。
扩散时，硅片在石英管中两两背靠背放置，可降低背面的N+层的磷杂质的浓度。
三、ICP等离子刻蚀周边
采用四氟化碳(CF4)和氧气(O2)工作气体，电感偶合等离子(ICP)发生器产生对硅片具有刻蚀作用的等离子，在反应室中对预先垒放好的硅片作周边刻蚀，除去了硅片周边的正背面短路PN结。
四、淀积氮化硅薄膜
氮化硅薄膜在半导体器件工艺中是常用的荫蔽扩散和钝化薄膜，在晶体硅太阳电池工艺中，也选用氮化硅薄膜对太阳电池的正表面进行钝化，以降低表面的光生少数载流子的复合速度，同时，控制氮化硅薄膜的光学折射率和厚度，使其达到最佳光学减反射作用，与织构化的硅表面相配合，形成入射光的光陷阱，增强了进入硅片的光入射量。
本发明采用等离子增强化学汽相沉积工艺沉积氮化硅钝化、减反射薄膜，也可用反应射频溅射工艺。采用高频等离子(13.56MHz)的等离子增强化学汽相沉积工艺(PECVD)，制备氮化硅薄膜的工艺条件如下：高频功率为100W，本底真空0.5Pa，硅源气体的流量400ml/min(SiH45％+N295％)，氮源气体流量40ml/min(高纯氨气NH3)，反应气体压强10Pa。淀积时间由沉膜的速度而定，衬底温度为350℃，通常控制氮化硅薄膜的厚度在70～80nm，此膜厚为以兰色光(480nm)计算的四分之一的波长光程。太阳电池的表面现深兰色。
五、丝网印刷正、背面电极
硅太阳电池的正面为受光照面，正面电极既要能将光生电流引出，又不至于遮挡太多的阳光、减少了光照的面积。采用栅线加汇流条结构，栅线的宽度为0.4～0.1mm，汇流条的宽度为2～3mm，正面栅线所用的材料为银浆。硅太阳电池的背面电极用铝浆制备，为了后道的焊接工序，用银铝浆做出焊脚条，焊脚条的银铝浆应先于铝电极的铝浆印刷在电池的背面。背面的铝层电极有多个作用：第一，形成背面的PP+高低结，即铝背场，提高电池的开路电压；第二，铝硅合金层的形成过程具有对背表面钝化及富磷N+层的补偿作用，考虑到高温下铝浆和银铝浆在烧结成形过程中热膨胀系数不同，将背面的银铝浆焊脚条印在铝浆的下面，铝浆形成的背面铝电极在每条焊脚条的位子处开一长条形窗口，宽度为3～5mm，焊脚条的宽度为4～6mm，该窗口的宽度要略小于银铝浆焊脚条的宽度，在铝电极的窗口处，露出焊脚条，铝电极和焊脚条有0.5～2mm宽度的搭界，以提高背面的导电性。
六、正、背面电极金属化及氮化硅薄膜烧穿
正、背面电极金属化的一次性烧结，简化了晶体硅太阳电池的制作工艺过程，降低了能耗和生产周期，同时进行氮化硅薄膜烧穿工艺，烧穿氮化硅薄膜工艺，既可在金属化时，保护表面不受污染，又实现了晶体硅太阳电池的结构优化，以及正表面的钝化，提高了太阳电池的输出功率。采用国产链式烧结炉设备，优选工艺条件是：烧结单晶硅太阳电池电极高温区最高温度850℃，烧结多晶硅太阳电池电极高温区最高温度略低于单晶硅太阳电池的烧结温度，为750～800℃，转速为1250转/分钟，走完全程需4分钟，高温区滞留时间少于30秒。
本发明正、背面电极的一次烧结金属化技术，及同时烧穿氮化硅钝化薄膜技术，在氮化硅薄膜下面，形成了良好的银—硅欧姆接触的正面电极，又形成了有背场效应的铝硅合金背电极。背面铝电极的金属化烧结过程，对背面进行了钝化，同时具有对富磷N+层的补偿作用。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明采用氮化硅薄膜为正表面的减反钝化膜，背面采用丝网印带小窗口的铝浆作背电极，铝浆小窗口处先印上比铝浆小窗口略为大一点的银铝混合浆焊脚，正、背面电极一次烧结和同时氮化硅薄膜的烧穿工艺，并且靠近正面的PN结结深可做到0.3μm～0.5μm。这样获得了最佳的优化效果，简化了太阳电池工艺、将原来的两到三次的电极烧结工艺简化成一次完成，降低了的成本，提高了太阳电池效率。铝浆小窗口处印刷采用银铝浆，保证了小窗口也同样获得铝背场的结构，并且实现了铝浆小窗口处的三价铝对五价磷的补偿作用，开路电压可以达到610mV以上。同时本专利也对烧穿氮化硅薄膜工艺中的硅电池正面PN结结深作了进一步优化设计。采用此工艺，可获得商业化大面积(103×103mm2)单晶硅太阳电池的效率达15.7％，此工艺也适用于多晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池效率可达14.0％以上，(AM1.5，光照强度100mW/cm2，25℃)。
具体实施方式
结合本发明工艺的内容提供以下实施例：
实施例一
采用上述的步骤一进行前道化学预处理；半导体PN结制作工艺是：恒温区的温度为900℃，多晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度略低于单晶硅太阳电池PN结制作温度，为850℃，5分钟预加热：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，10分钟的恒源扩散：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，携源氮气70ml/min，20分钟的定源推进：通氮气300ml/min，氧气85ml/min。
采用上述的步骤三和步骤四进行电感偶合等离子周边刻蚀及氮化硅薄膜的沉积；采用上述的步骤五进行丝网印刷正、背面电极，栅线的宽度为0.15mm，汇流条的宽度为2mm，正面栅线所用的材料为银浆。硅太阳电池的背面电极用铝浆制备，用银铝浆做出焊脚条，焊脚条的银铝浆先于铝电极的铝浆印刷在电池的背面，将背面的银铝浆焊脚条印在铝浆的下面，背面铝电极在焊脚条处窗口宽度为3mm，焊脚条的宽度为4mm，该窗口的宽度要略小于银铝浆焊脚条的宽度，在铝电极的窗口处，露出焊脚条，铝电极和焊脚条有0.5mm宽度的搭界；正、背面电极金属化一次性烧结及氮化硅薄膜烧穿工艺过程，高温区最高温度850℃，烧结多晶硅太阳电池电极高温区最高温度略低于单晶硅太阳电池的烧结温度，为750℃，转速为1100转/分钟，走完全程需4.5分钟，高温区滞留时间少于30秒。
实施效果：单晶硅太阳电池的效率达14.6％，多晶硅太阳电池的效率达14.0％。
实施例二
采用上述的步骤一进行前道化学预处理；半导体PN结制作工艺是：恒温区的温度为950℃，多晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度略低于单晶硅太阳电池PN结制作温度，为900℃，5分钟预加热：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，15分钟的恒源扩散：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，携源氮气70ml/min，30分钟的定源推进：通氮气300ml/min，氧气85ml/min。
采用上述的步骤三和步骤四进行电感偶合等离子周边刻蚀及氮化硅薄膜的沉积；采用上述的步骤五进行丝网印刷正、背面电极，栅线的宽度为0.2mm，汇流条的宽度为3mm，正面栅线所用的材料为银浆。硅太阳电池的背面电极用铝浆制备，用银铝浆做出焊脚条，焊脚条的银铝浆先于铝电极的铝浆印刷在电池的背面。将背面的银铝浆焊脚条印在铝浆的下面，铝浆形成的背面铝电极在每条焊脚条的位子处开一长条形窗口，宽度为5mm，焊脚条的宽度为6mm，该窗口的宽度要略小于银铝浆焊脚条的宽度，在铝电极的窗口处，露出焊脚条，铝电极和焊脚条有0.5mm宽度的搭界；正、背面电极金属化一次性烧结及氮化硅薄膜烧穿工艺过程，高温区最高温度850℃，烧结多晶硅太阳电池电极高温区最高温度略低于单晶硅太阳电池的烧结温度，为800℃，转速为1200转/分钟，走完全程需4分钟，高温区滞留时间少于25秒。
实施效果：单晶硅太阳电池的效率达15％，多晶硅太阳电池的效率达14.0％。
实施例三
采用上述的步骤一进行前道化学预处理，半导体PN结制作工艺是：：恒温区的温度为930℃，多晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度略低于单晶硅太阳电池PN结制作温度，为880℃，5分钟预加热：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，20分钟的恒源扩散：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，携源氮气70ml/min，40分钟的定源推进：通氮气300ml/min，氧气85ml/min。
采用上述的步骤三和步骤四进行电感偶合等离子周边刻蚀及氮化硅薄膜的沉积；采用上述的步骤五进行丝网印刷正、背面电极，栅线的宽度为0.25mm，汇流条的宽度为2.5mm，正面栅线所用的材料为银浆。硅太阳电池的背面电极用铝浆制备，用银铝浆做出焊脚条，焊脚条的银铝浆先于铝电极的铝浆印刷在电池的背面。将背面的银铝浆焊脚条印在铝浆的下面，铝浆形成的背面铝电极在每条焊脚条的位子处开一长条形窗口，宽度为4mm，焊脚条的宽度为5mm，该窗口的宽度要略小于银铝浆焊脚条的宽度，在铝电极的窗口处，露出焊脚条，铝电极和焊脚条有0.5mm宽度的搭界；正、背面电极金属化一次性烧结及氮化硅薄膜烧穿工艺过程，高温区最高温度850℃，烧结多晶硅太阳电池电极高温区最高温度略低于单晶硅太阳电池的烧结温度，为750℃，转速为1300转/分钟，走完全程需2.8分钟，高温区滞留时间少于15秒。
实施效果：单晶硅太阳电池的效率达15.7％，多晶硅太阳电池的效率达14.5％。
Claims (10)
1、一种高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征在于：按工艺线的生产顺序分为如下六个步骤：前道化学预处理；半导体PN结制作；电感偶合等离子刻蚀周边；淀积氮化硅薄膜；丝网印刷正、背面电极；正、背面电极金属化及氮化硅薄膜烧穿。
2、根据权利要求1所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的前道化学预处理具体如下：
选电阻率在0.6～2Ωcm的硅晶片，采用半导体的常规清洗工艺，用碱溶液减薄工艺除去切片过程带来的损伤层，减薄后的硅片厚度达300μm，用重量百分比1.25％的稀释氢氧化钠溶液进行硅片的表面织构化处理，用体积比为H2O∶HCl∶H2O2＝6∶1∶1的盐酸水溶液煮沸10分钟两遍，用体积百分比5％的稀氢氟酸水溶液漂去表面的氧化硅层，每道化学处理工序后，用去离子水清洗数遍，最后用冷、热去离子水清洗数遍，红外灯烘干备用。
3、根据权利要求1所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的半导体PN结制作具体如下：
采用半导体液态源扩散工艺，POCl3为磷气态源，半导体工业扩散设备，铂铑热偶探测扩散炉的温度，半导体自动控温，单晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度为900～950℃，多晶硅太阳电池PN结制作的恒温区的温度为850～900℃，恒温区的长度为110cm；5分钟预加热：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，10～20分钟的恒源扩散：通氮气300ml/min，氧气85ml/min，携源氮气70ml/min，20～40分钟的定源推进：通氮气300ml/min，氧气85ml/min；扩散时，硅片在石英管中两两背靠背放置，降低背面的N+层的磷杂质的浓度。
4、根据权利要求3所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的电感偶合等离子刻蚀周边具体如下：
采用四氟化碳和氧气工作气体，电感偶合等离子发生器产生对硅片具有刻蚀作用的等离子，在反应室中对预先垒放好的硅片作周边刻蚀，除去了硅片周边的正背面短路PN结。
5、根据权利要求1所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的淀积氮化硅薄膜具体如下：
采用等离子增强化学汽相沉积工艺沉积氮化硅钝化、减反射薄膜，采用高频等离子的等离子增强化学汽相沉积工艺，制备氮化硅薄膜的工艺条件如下：高频功率为100W，本底真空0.5Pa，硅源气体的流量400ml/min，其中SiH45％+N295％，氮源气体流量40ml/min，采用高纯氨气NH3，反应气体压强10Pa，淀积时间由沉膜的速度而定，衬底温度为350℃，通常控制氮化硅薄膜的厚度在70～80nm，此膜厚为以兰色光计算的四分之一的波长光程，太阳电池的表面现深兰色。
6、根据权利要求1或5所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是淀积氮化硅薄膜或者用反应射频溅射工艺。
7、根据权利要求1所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的丝网印刷正、背面电极具体特征如下：正面采用栅线加汇流条结构，栅线的宽度为0.4～0.1mm，汇流条的宽度为2～3mm，正面栅线所用的材料为银浆；硅太阳电池的背面电极用铝浆制备，用银铝浆做出焊脚条，焊脚条的银铝浆先于铝电极的铝浆印刷在电池的背面，背面的铝层电极可形成背面的PP+高低结，铝硅合金层的形成过程对背表面钝化及对富磷N+层补偿；将背面的银铝浆焊脚条印在铝浆的下面，铝浆形成的背面铝电极在每条焊脚条的位子处开一长条形窗口，3～5mm，焊脚条的宽度为4～6mm，该窗口的宽度要略小于银铝浆焊脚条的宽度，在铝电极的窗口处，露出焊脚条，铝电极和焊脚条有0.5～2mm宽度的搭界。
8、根据权利要求1所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是所述的正、背面电极金属化及氮化硅薄膜烧穿具体如下：
正、背面电极金属化的一次性烧结，同时进行氮化硅薄膜烧穿工艺，烧穿氮化硅薄膜工艺采用国产链式烧结炉设备，优选工艺条件是：烧结单晶硅太阳电池电极高温区最高温度850℃，烧结多晶硅太阳电池电极高温区最高温度为750～800℃，转速为1250转/分钟，走完全程需4分钟，高温区滞留时间少于30秒。
9、根据权利要求8所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是烧穿氮化硅薄膜的同时对晶体硅太阳电池的正面作钝化，正、背面电极的一次烧结金属化技术，及同时烧穿氮化硅钝化薄膜技术，在氮化硅薄膜下面形成了良好的银—硅欧姆接触的正面电极，又形成了有背场效应的铝硅合金背电极。
10、根据权利要求8所述的高效低成本大面积晶体硅太阳电池工艺，其特征是背面铝电极的金属化烧结过程，对背面进行了钝化，同时对富磷N+层进行补偿，并形成了PP+的背面场。
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