專利名稱：一種制備多晶硅絨面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)制備太陽能電池的技術(shù)，特別是涉及利用多晶硅片制備太陽能電池的技術(shù)。本發(fā)明提供了一個制備多晶硅片絨面的方法。使用本發(fā)明的方法制備多晶硅片絨面，能提高多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率5％以上。本發(fā)明所提供的方法具有成本低，易操作和適宜大規(guī)模生產(chǎn)等特點。
背景技術(shù)：
自從太陽能電池問世以來，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一直是科學(xué)家和工程師們努力追求的目標(biāo)。改善太陽能電池本征特性和提高太陽能電池吸收光的能力是提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的兩個主要方向。減反膜和絨面是提高太陽能電池吸收光的主要手段。因此，在太陽能電池領(lǐng)域中，怎樣制備一個有效的絨面是一個非常熱門的課題。
所謂的絨面就是指存在于物體表面上的一系列有規(guī)則或無規(guī)則的高低不同和大小不同的表面形狀。由于絨面的存在，物體表面的反射率就會大大降低。換句話說，物體表面的絨面可增加光的吸收。因此絨面技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在太陽能電池領(lǐng)域。
單晶硅片絨面制備技術(shù)開發(fā)得較早，并且比較成熟。該技術(shù)是利用晶體硅的各種晶相在特定條件下被腐蝕速率有所不同的特性來制備絨面的。利用這個特性，很容易在單晶硅片上制備出金字塔型絨面。
但是，由于多晶硅存在各種晶相，單晶硅片制絨技術(shù)不能在多晶硅片表面產(chǎn)生有效的絨面。因此，必須開發(fā)特殊的工藝來制備多晶硅絨面。例如，掩膜腐蝕法就是一個非常成功的絨面制備技術(shù)。用這個方法制備的多晶硅絨面，再配合使用其他一些先進工藝，創(chuàng)造了至今保持著的多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的世界記錄。盡管掩膜腐蝕法可以大幅度地降低多晶硅片的反射率，但由于工藝復(fù)雜性，掩膜腐蝕法還不能在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
在多晶硅片表面上形成一層多孔硅層也具有良好的減反效果?？墒?，制備一個有效的多孔硅，要求對各項操作進行非常嚴(yán)格地控制。另外，多孔硅層使多晶硅片變得非常的脆弱，為后續(xù)工藝的操作帶來很多問題。因此用多孔硅層來降低反射率的技術(shù)基本上也沒有多大的商業(yè)價值。相對說來，用等離子刻蝕的方法制備多晶硅絨面可能有些商業(yè)價值。但是，較大的設(shè)備成本和操作成本還是阻礙了該方法的大規(guī)模應(yīng)用。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的之一是尋求一種制備多晶硅絨面的方法。該方法能使多晶硅片表面的反射率降低，從而提高多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的另一目的是開發(fā)一個能在工業(yè)生產(chǎn)的多晶硅片上制備絨面的方法。該方法應(yīng)該有大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)價值，即該方法具有成本低，操作簡單等特點。
本發(fā)明的最后一個目的是開發(fā)一個能很容易地應(yīng)用于現(xiàn)有多晶硅太陽能電池生產(chǎn)線上的制備多晶硅片絨面的方法。該方法可以直接應(yīng)用于傳統(tǒng)的多晶硅片太陽能電池生產(chǎn)線，而不需要添加額外的生產(chǎn)設(shè)備。
按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，該多晶硅片絨面用酸腐蝕溶液制成，該酸腐蝕溶液是一種氧化劑和氫氟酸混合液，其中，氧化劑的濃度范圍為0.01到0.5摩爾/升，氫氟酸的濃度范圍為1到15摩爾/升，溫度范圍為5攝氏度到50攝氏度，酸腐蝕時間范圍為5分鐘到60分鐘。
在酸腐蝕時，把多晶硅片浸泡在該酸腐蝕溶液中。氧化劑是CrO3或K2Cr2O7或它們的混合物。多晶硅片經(jīng)過酸腐蝕溶液腐蝕后，表面形成了大小為1到15微米的絨面。被腐蝕的多晶硅片厚度為5～20微米。該多晶硅片絨面是在對損傷層的清洗過程中完成的。
用于本發(fā)明的多晶硅片一般是P型多晶硅片。但是本發(fā)明并不局限于P型多晶硅片，本發(fā)明還適用于N型多晶硅片，或者其它半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明所使用的多晶硅片是采用線切割的方法把硅錠切割而成的。這種多晶硅片厚度一般在200到400微米范圍內(nèi)。這種多晶硅片應(yīng)該是干凈的，沒有任何有機物質(zhì)污染。在切割硅錠的過程中，多晶硅片表面與碳化硅微粒和鋼絲劇烈摩擦，在多晶硅片的表面生成了一層厚度不均勻的損傷層。這層損傷層是半導(dǎo)體電子和空穴的復(fù)合源。所以在太陽能電池生產(chǎn)過程中，首先要把這層損傷層清除干凈。清除這層損傷層的傳統(tǒng)工藝是用NaOH或KOH溶液腐蝕多晶硅片。由于在多晶硅存在多種晶相，傳統(tǒng)的NaOH和KOH腐蝕方法不僅不能在多晶硅表面生成有效的絨面，反而會使得多晶硅片的大部分表面變得非常光滑，導(dǎo)致反射率增高。
本發(fā)明提供了一種腐蝕多晶硅片的方法。該腐蝕方法的特征是損傷層在本發(fā)明的腐蝕溶液內(nèi)被腐蝕的速率要比多晶硅被腐蝕的速率大。因此損傷層厚度不均勻的特性能在損傷層被完全腐蝕后被保留下來。這樣，在損傷層被腐蝕后，多晶硅片表面形狀就是一個非常有效的絨面。這種絨面能大大降低多晶硅片的表面反射率。
本發(fā)明的一個重要特征就是本發(fā)明不需要特殊的制絨過程。在傳統(tǒng)的制絨過程中，多晶硅片先要在清洗過程中去除損傷層，然后再制備絨面。在本發(fā)明中，損傷層的清洗過程就是制絨過程。這樣，本發(fā)明就有操作簡單和成本低的特點。
本發(fā)明的清洗和制絨過程是一個酸腐蝕過程。本發(fā)明的酸腐蝕過程是把多晶硅片放入一種酸腐蝕溶液中浸泡。本發(fā)明所使用的酸腐蝕溶液是由氫氟酸和某種氧化劑所組成。本發(fā)明所使用的氧化劑是CrO3。但本發(fā)明的氧化劑并不局限于CrO3。例如，還可以使用K2Cr2O7或者CrO3和K2Cr2O7的混合物。
當(dāng)把多晶硅片浸泡在酸腐蝕溶液中，多晶硅片首先被氧化劑氧化，生成SiO2。然后，酸腐蝕溶液中的氫氟酸很容易地將SiO2腐蝕生成硅酸鹽。在整個酸腐蝕過成中，氧化反應(yīng)的速率小于氫氟酸和SiO2的反應(yīng)速率?；蛘哒f，本發(fā)明的酸腐蝕多晶硅片的過程是一個氧化反應(yīng)速率控制過程。
在本發(fā)明中，控制氧化反應(yīng)速率是非常重要的?？刂蒲趸磻?yīng)速率的目的使腐蝕損傷層的速率大大超過腐蝕多晶硅的速率?？刂蒲趸瘎舛仁强刂蒲趸磻?yīng)速率的一個重要手段。本發(fā)明所使用的氧化劑濃度為0.01到0.5摩爾/升。
另一個控制氧化反應(yīng)速率的重要因素是酸腐蝕溶液的溫度。本發(fā)明的酸腐蝕溶液溫度控制在5攝氏度到50攝氏度。本發(fā)明進一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溫度控制在20攝氏度到30攝氏度時，能得到最佳的絨面效果。也就是說，本發(fā)明的酸腐蝕溶液是控制在常溫下操作。這樣既降低了生產(chǎn)成本，又有容易操作的特點。
由于本發(fā)明的酸腐蝕是氧化反應(yīng)控制過程，因此，氫氟酸的濃度在本發(fā)明中可有較大的變化范圍。它的變化范圍可從1到15摩爾/升。
在經(jīng)過本發(fā)明的酸腐蝕溶液腐蝕后，用去離子水對多晶硅片表面進行適當(dāng)?shù)那逑?。?jīng)過去離子水清洗的多晶硅片就可以直接用作多晶硅太陽能電池的制備。例如，可以直接去進行N型擴散。這就是說，本發(fā)明的酸腐蝕過程，既是一個去除損傷層的過程，也是一個制備了多晶硅片絨面的過程。因此采用本發(fā)明的技術(shù)，可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本。
多晶硅片在經(jīng)過本發(fā)明的酸腐蝕溶液腐蝕后，表面形成了大小為1到15微米的絨面。這種絨面能有效的降低多晶硅片表面的反射率。使多晶硅片太陽能電池的電流密度大大提高，即大大提高了多晶硅片太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
由于本發(fā)明的酸腐蝕溶液能有效地腐蝕損傷層，而對晶體硅的腐蝕相對比較慢。因此本發(fā)明的酸腐蝕溶液能有效地避免了產(chǎn)生晶格之間高低不平的現(xiàn)象。所以本發(fā)明所制得的絨而對后續(xù)工藝，特別對電極印刷工藝，有很好的幫助。從而進一步提高了多晶硅片太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。由于同樣的原因，本發(fā)明的酸腐蝕溶液不需要腐蝕過多的多晶硅。被腐蝕的多晶硅片厚度一般在10微米左右。這不僅提高了多晶硅太陽能電池的機械強度，也有助于提高電流密度，即提高了多晶硅片太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的絨面制備技術(shù)不僅提高了多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，而且還能明顯地提高多晶硅太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率。由于多晶硅表面的絨面，使得從多晶硅表面反射的光在玻璃的上表面有較大入射角，增加了全反射光。因此本發(fā)明的多晶硅絨面太陽能電池，在層壓成組件之后，比一般多晶硅太陽能電池組件增加至少3％的轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明制備多晶硅片絨面原理圖。本發(fā)明的酸腐蝕溶液能較快地腐蝕損傷層。腐蝕后的多晶硅表面形狀保留了損傷層的表面特性。其中，1是由線切割所形成的表面特性。2是被本發(fā)明的酸腐蝕溶液所腐蝕的損傷層部分。3是腐蝕后所形成的絨面。4是多晶硅的晶界。
圖2為實例1的多晶硅片絨面的反射率和沒有絨面的多晶硅片的反射率的比較。
圖3為實例2的多晶硅片絨面在鍍上減反膜后的反射率和沒有絨面的多晶硅片在鍍上減反膜后的反射率的比較圖4為實例3的多晶硅片絨面太陽能電池的量子效應(yīng)反射率。
圖5為多晶硅絨面在層壓之后，進一步減少反射光的原理圖。多晶硅表面的絨而增加了反射到玻璃上表面的入射角，也就是增加了全反射光，即捕獲大部分從多晶硅表面反射的光。
具體實施例方式
實例1將0.01摩爾/升的K2Cr2O7溶液與10摩爾/升的氫氟酸(氫氟酸)溶液混合。攪拌均勻后將該溶液的溫度控制在50攝氏度。直接將不經(jīng)過特殊清洗的線切割制得的125*125平方毫米的P型多晶硅片放入該混合液浸泡5分鐘。測得多晶硅片減薄量為15微米。然后把該多晶硅片制成太陽能電池。該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，填充因子，開路電壓和電流分別為14.5％，0.774，595毫伏和4.97安培。
實例2。
將0.15摩爾/升的CrO3溶液與7摩爾/升的氫氟酸溶液混合。攪拌均勻后將該溶液的溫度控制在30攝氏度。直接將不經(jīng)過特殊清洗的線切割制得的125*125平方毫米的P型多晶硅片放入該混合液浸泡10分鐘。測得多晶硅片減薄量為8微米。然后把該多晶硅片制成太陽能電池。該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，填充因子，開路電壓和電流分別為14.95％，0.774，598毫伏和5.05安培。
實例3。
將0.5摩爾/升的CrO3和K2Cr2O7的混合物溶液與1摩爾/升的氫氟酸溶液混合。攪拌均勻后將該溶液的溫度控制在5攝氏度。直接將不經(jīng)過特殊清洗的線切割制得的125*125平方毫米的P型多晶硅片放入該混合液浸泡60分鐘。測得多晶硅片減薄量為20微米。然后把該多晶硅片制成太陽能電池。該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，填充因子，開路電壓和電流分別為15.1％，0.773，598毫伏和5.11安培。
實例4。
將0.1摩爾/升的CrO3溶液與15摩爾/升的氫氟酸溶液混合。攪拌均勻后將該溶液的溫度控制在10攝氏度。直接將不經(jīng)過特殊清洗的線切割制得的125*125平方毫米的P型多晶硅片放入該混合液浸泡40分鐘。測得多晶硅片減薄量為5微米。然后把該多晶硅片制成太陽能電池。該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，填充因子，開路電壓和電流分別為15.1％，0.773，597毫伏和5.05安培。
實例5。
將3.75公斤NaOH加入15升水中。攪拌均勻后將該溶液的溫度控制在70攝氏度。直接將不經(jīng)過特殊清洗的線切割制得的125*125平方毫米的P型多晶硅片放入該混合液浸泡20分鐘。然后把該多晶硅片制成太陽能電池。該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，填充因子，開路電壓和電流分別為13.98％，0.756，591毫伏，4.58安培。
實例6。
將36片平均電流為4.98安培絨面多晶硅太陽能電池層壓成組件，測得該組件的在一個日光照下電流，電壓和輸出功率分別為5.148安培，22伏和86瓦。
權(quán)利要求
1.一種制備多晶硅絨面的方法，其特征在于，該多晶硅片絨面用酸腐蝕溶液制成，該酸腐蝕溶液是一種氧化劑和氫氟酸混合液，其中，氧化劑的濃度范圍為0.01到0.5摩爾/升，氫氟酸的濃度范圍為1到15摩爾/升，溫度范圍為5攝氏度到50攝氏度，酸腐蝕時間范圍為5分鐘到60分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅絨面的制備方法，其特征在于，在酸腐蝕時，把多晶硅片浸泡在該酸腐蝕溶液中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅絨面的制備方法，其特征在于，氧化劑是CrO3或K2Cr2O7或它們的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅絨面的制備方法，其特征在于，多晶硅片經(jīng)過酸腐蝕溶液腐蝕后，表面形成了大小為1到15微米的絨面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅絨面的制備方法，其特征在于，被腐蝕的多晶硅片厚度為5～20微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅絨面的制備方法，其特征在于，該多晶硅片絨面是在對損傷層的清洗過程中完成的。
全文摘要
本發(fā)明屬于制造多晶硅太陽能電池領(lǐng)域，涉及制備多晶硅片絨面技術(shù)。按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，該多晶硅片絨面用酸腐蝕溶液制成，該酸腐蝕溶液是一種氧化劑和氫氟酸混合液，其中，氧化劑的濃度范圍為0.01到0.5摩爾/升，氫氟酸的濃度范圍為1到15摩爾/升，溫度范圍為5攝氏度到50攝氏度，酸腐蝕時間范圍為5分鐘到60分鐘。相比傳統(tǒng)的采用堿溶液(NaOH或KOH)清除損傷層的方法，經(jīng)本發(fā)明的酸腐蝕溶液腐蝕后的多晶硅片不僅可以形成均勻的絨面，而且可以提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率5％以上。若將本發(fā)明的絨面多晶硅太陽能電池層壓成組件，可進一步提高轉(zhuǎn)換效率3％。本發(fā)明所提供的方法具有成本低，易操作和適宜大規(guī)模生產(chǎn)等特點。
文檔編號H01L21/306GK1614789SQ20041006483
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者季靜佳, 施正榮 申請人:無錫尚德太陽能電力有限公司