專利名稱:一種制作晶硅高效太陽能電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種制作晶硅高效太陽能電池的方法,利用表面硅納米晶的量子限制 效應(yīng)調(diào)制光子能量大于體硅禁帶寬度(l.leV)的光,特別是短波長的光,使其被晶硅電池 充分吸收利用,以達到提高轉(zhuǎn)換效率,降低成本的目的。
背景技術(shù):
近年來,石油價格上漲等能源短缺問題和全球變暖等環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻,人 們對清潔的可再生能源需求空前急迫。太陽能取之不盡,用之不竭,有望替代傳統(tǒng)能源,而 作為太陽能使用的重要形式,太陽能電池倍受關(guān)注。自1954年Chapin等首次提出將硅基PN結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太陽能電池至今,太陽能電 池經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,種類不斷增多。從第一代的單晶硅太陽能電池、第二代的薄膜太 陽能電池到現(xiàn)在第三代的高效太陽能電池,其制作成本逐步降低,轉(zhuǎn)換效率不斷提高。目前,晶硅電池面臨的主要問題有轉(zhuǎn)換效率不是很高(大規(guī)模生產(chǎn)能做到平均 在17%)、價格昂貴等。然而這些問題都不足以影響晶硅(單晶和多晶)電池目前在太陽能 電池市場中的主導(dǎo)地位,因此如何提高電池的轉(zhuǎn)換效率進而降低成本成為關(guān)注的焦點。從 光吸收角度來看,能量大于硅禁帶寬度(l.leV)以上的光子,特別是高能量的短波長光子, 很大一部分以熱能的形式損失。相關(guān)文獻指出,僅上述的在短波長方面造成的損失高達所 有損失的33%,如果可以將這些光譜范圍的光有效利用起來,則可以很高實現(xiàn)電池效率的 提尚。本發(fā)明是將硅納米晶這種納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用在晶硅太陽能電池片上,從而將短波長的 光轉(zhuǎn)換至可吸收范圍內(nèi),最終被晶硅PN結(jié)充分吸收,實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。同時這種硅納 米晶制備技術(shù)可與大規(guī)模生產(chǎn)兼容,并不影響現(xiàn)有的晶硅電池工藝,可最大程度的降低成 本并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種制作晶硅高效太陽能電池的方法,以應(yīng)用表面硅納米晶 結(jié)構(gòu)調(diào)制短波長的光,使其充分被晶硅電池本身吸收利用,以此來提高現(xiàn)有的晶硅電池轉(zhuǎn) 換效率。( 二 )技術(shù)方案為了達到上述目的,本發(fā)明提供了一種制作晶硅高效太陽能電池的方法,包括如 下步驟步驟1、在晶硅基片表面制備絨面結(jié)構(gòu);步驟2、采用擴散法在晶硅基片上形成PN結(jié)結(jié)構(gòu);步驟3、利用薄膜沉積技術(shù)及熱處理在表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu);步驟4、利用等離子增強化學(xué)氣相淀積法在基片表面淀積氮化硅減反膜;
步驟5、絲網(wǎng)印刷完成正、負電極的制作;步驟6、合金化,最終形成表面硅納米晶調(diào)制的太陽能電池。上述方案中,步驟1中所述晶硅基片為生產(chǎn)中所使用的P型標(biāo)準(zhǔn)片,單晶硅片尺寸 為125 X 125cm2 (截角),多晶硅片尺寸為156 X 156cm2,采用化學(xué)溶液濕法腐蝕出金字塔形 的絨面結(jié)構(gòu)。上述方案中,步驟2中所述擴散法是利用液態(tài)三氯氧磷為擴散源形成PN結(jié),結(jié)深 控制在200 500nm,擴散后去邊。上述方案中,步驟3中所述在表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu),是利用磁控濺射或者電子 束蒸發(fā)技術(shù)在晶硅基片表面淀積一層硅薄膜,并通過快速熱退火的方式形成大小、密度可 控的硅納米晶。上述方案中,步驟4中所述等離子增強化學(xué)氣相淀積法,是在形成硅納米晶結(jié)構(gòu) 后的基片表面淀積氮化硅減反膜,氮化硅減反膜的厚度在70nm 120nm之間。上述方案中,步驟5中所述電極的制作,是對背面進行印刷鋁銀漿料,在正面絲網(wǎng) 印刷銀漿料,形成電池的正、負電極。上述方案中,步驟6中所述合金化過程,是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),無特殊氣氛保護,最終 形成表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太陽能電池。(三)有益效果1、本發(fā)明提供的這種制作晶硅高效太陽能電池的方法,應(yīng)用表面硅納米晶結(jié)構(gòu)調(diào) 制短波長的光,使其充分被晶硅電池本身吸收利用,以此提高了現(xiàn)有的晶硅電池轉(zhuǎn)換效率。 同時本發(fā)明涉及的制備技術(shù)簡單,與現(xiàn)有晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)工藝兼容,需增加的設(shè)備和 工藝步驟少,易于大規(guī)模生產(chǎn)并產(chǎn)業(yè)化,最終能夠達到降低成本的目的。2、本發(fā)明提供的這種制作晶硅高效太陽能電池的方法,利用由大生產(chǎn)線上的工藝 手段制備出的PN結(jié)晶硅太陽能電池,在其表面制備硅納米晶,通過硅納米晶的能帶調(diào)節(jié)作 用,使晶硅電池能更有效利用太陽光波長,進而提高晶硅電池的效率。3、本發(fā)明提供的這種制作晶硅高效太陽能電池的方法,是一種基于現(xiàn)有的大規(guī)模 生產(chǎn)流程,結(jié)合新型結(jié)構(gòu)而開發(fā)的工藝技術(shù),通過此技術(shù)制備的太陽能電池能夠有效地利 用原來損失掉的光波,具有短路電流大、效率高的優(yōu)勢。這種制備高效晶硅太陽能電池的工 藝技術(shù)與現(xiàn)有成熟的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)相兼容,具有生產(chǎn)工藝簡單,易于產(chǎn)業(yè)化等特點,可以 有效地降低成本,獲得高效晶硅太陽能電池。
圖1為本發(fā)明中表面Si納米晶、金屬納米晶混合調(diào)制晶硅高效太陽能電池的流程 圖。圖2為P型晶硅基片示意圖。圖3為在基片正反面制備出絨面示意圖。圖4為擴散后形成PN結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為利用磁控濺射或電子束蒸發(fā)設(shè)備形成硅薄膜后,再經(jīng)過熱處理形成硅納米 晶示意圖。圖6為利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備生長氮化硅減反膜示意圖
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圖7為利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在正反面分別印刷電極示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,對具體實 施方式加以說明,詳細說明如下如圖1所示,圖1為本發(fā)明提供的制備表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太陽能電池的 方法流程圖,該方法包括以下步驟步驟101 在晶硅基片表面制備絨面結(jié)構(gòu);步驟102 在有絨面結(jié)構(gòu)的晶硅基片上擴散形成PN結(jié)結(jié)構(gòu);步驟103 正面表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu);步驟104 表面淀積氮化硅減反膜;步驟105 絲網(wǎng)印刷完成正、負電極的制作;步驟106 合金化,最終形成表面硅納米晶調(diào)制的太陽能電池。本發(fā)明采取的工藝步驟如下1)、利用大規(guī)模生產(chǎn)線上制備絨面的方法,將厚度為180微米至250微米之間的晶 硅基片放置于氫氧化鈉溶液中進行各向異性腐蝕(多晶硅的步驟略有不同);在制備過程 中基片的正面與反面均置于腐蝕液中,制備出的正、反面的絨面各方面特性基本一致。絨面 結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出平均深度在10微米左右的金字塔形。2)、將正反兩面均有絨面結(jié)構(gòu)的晶硅基板放置入擴散爐中,進行擴散。擴散源為液 態(tài)POCl3,氣化后實現(xiàn)擴散工藝。擴散出的雙面PN結(jié)其結(jié)深在200 500微米之間。擴散 完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃,并用刻邊機進行去邊處理。3)、利用磁控濺射或者電子束蒸發(fā)設(shè)備在晶硅基片表面淀積一層硅薄膜,薄膜厚 度在2 IOnm之間。之后通過快速熱退火的方式形成大小、密度可控的硅納米晶。4)、將表面已形成硅納米晶結(jié)構(gòu)的晶硅基片放置于等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD)設(shè)備中,在基片的正面生長氮化硅減反膜,厚度為70 120nm。5)、利用絲網(wǎng)印刷技術(shù),在基片反面和正面分別進行絲網(wǎng)印刷、低溫固化熱處理, 形成電極圖形。6)、采用階梯式升溫方式對進行電極進行合金化,無特殊氣氛保護,可用壓縮空氣 進行冷卻。最終完整制備出表面硅納米晶調(diào)制高效晶硅太陽能電池。圖2至圖7是用來說明本發(fā)明一個具體實施例的示意圖。如圖2所示,選取的晶硅基片為商用單晶或多晶硅片,單晶硅片尺寸為 125X 125cm2(截角),多晶硅片尺寸為156X156Gm2,襯底類型為P型襯底,圖中201 ;單晶電 阻率為0. 5 3 Ω · cm,多晶電阻率為0. 5 6 Ω · cm。如圖3所示,利用大規(guī)模生產(chǎn)制備絨面的方法,將厚度為180微米至250微米之間 的晶硅基板放置于按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和無水乙醇混合而成的制絨液中,對晶 硅進行各向異性的濕法腐蝕而形成呈金字塔形的絨面結(jié)構(gòu),平均高度在10微米左右,其中 多晶硅制備絨面的方式略有不同。在制備過程中基片的正面與反面均置于腐蝕液中,制備 出的正、反面的絨面各方面特性基本一致,如圖中301所示。如圖4所示,將正反兩面制備好絨面結(jié)構(gòu)的晶硅基板放置入擴散爐中,進行擴散。擴散爐溫度可在300°C至1300°C變化。在此例中,我們選取擴散溫度在850 950°C之間, 擴散源為液態(tài)POCl3,單面擴散,由控制擴散時間得到結(jié)深在200 500nm之間的PN結(jié)結(jié) 構(gòu),形成的方塊電阻約在20 50Ω/ □間變化,如圖中401。接著用氫氟酸、硝酸和水的混 合腐蝕液來去除擴散過程中在電池表面形成的磷硅玻璃,清除完磷硅玻璃后用去離子水清 洗干凈并烘干。然后采用刻邊機設(shè)備將電池片去邊。如圖5所示為在表面制備硅納米晶結(jié)構(gòu)的過程。在制備之前,用氫氟酸溶液清洗 已完成前面各項工藝的基片,去除表面氧化層。之后將基片放入到磁控濺射或者電子束蒸 發(fā)設(shè)備的腔體中并快速抽真空,以減小晶硅表面的氧化,蒸發(fā)一層厚度在2 IOnm的硅薄 膜。蒸發(fā)完畢后利用快速熱退火法形成硅納米晶,圖中501所示。在這步工藝過程中,可通 過控制所蒸發(fā)的硅薄膜的厚度、快速熱退火時的溫度和時間來獲得大小、密度不同的硅納 米晶結(jié)構(gòu)。如圖6所示為制備減反膜的過程。將完成前面各項工藝的基片放入到等離子體增 強化學(xué)氣相沉積設(shè)備(PECVD)中,生長氮化硅薄膜,膜厚控制在70 120nm之間,對于晶硅 電池的單層減反膜情況來說,其對光的減反效果可達到最佳。這個厚度的減反膜會覆蓋住 硅納米晶層,如圖中601。如圖7所示,利用絲網(wǎng)印刷將鋁漿料印刷于電池背面,形成鋁背場電極,印刷完畢 后在200°C熱處理并加以固化。用絲網(wǎng)印刷機在正面涂覆負電極銀漿料,形成柵線和匯流 條,印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化。電池正面、反面的電極結(jié)構(gòu)分別如圖中701、 702所示意。最后按照大規(guī)模生產(chǎn)線的方式對正面、反面的電極進行從300°C至900°C的階梯 式熱退火處理,至此,合金化過程完成。最終制備出表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太陽能電池 的制備。以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于,包括如下步驟步驟1、在晶硅基片表面制備絨面結(jié)構(gòu);步驟2、采用擴散法在晶硅基片上形成PN結(jié)結(jié)構(gòu);步驟3、利用薄膜沉積技術(shù)及熱處理在表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu);步驟4、利用等離子增強化學(xué)氣相淀積法在基片表面淀積氮化硅減反膜;步驟5、絲網(wǎng)印刷完成正、負電極的制作;步驟6、合金化,最終形成表面硅納米晶調(diào)制的太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟1中所 述晶硅基片為生產(chǎn)中所使用的P型標(biāo)準(zhǔn)片,單晶硅片尺寸為125X 125cm2 (截角),多晶硅片 尺寸為156X 156cm2,采用化學(xué)溶液濕法腐蝕出金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟2中所 述擴散法是利用液態(tài)三氯氧磷為擴散源形成PN結(jié),結(jié)深控制在200 500nm,擴散后去邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟3中所 述在表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu),是利用磁控濺射或者電子束蒸發(fā)技術(shù)在晶硅基片表面淀積一 層硅薄膜,并通過快速熱退火的方式形成大小、密度可控的硅納米晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟4中所 述等離子增強化學(xué)氣相淀積法,是在形成硅納米晶結(jié)構(gòu)后的基片表面淀積氮化硅減反膜, 氮化硅減反膜的厚度在70nm 120nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟5中所 述電極的制作,是對背面進行印刷鋁銀漿料,在正面絲網(wǎng)印刷銀漿料,形成電池的正、負電 極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽能電池的方法,其特征在于步驟6中所 述合金化過程,是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),無特殊氣氛保護,最終形成表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太 陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作晶硅高效太陽能電池的方法,包括在晶硅基片表面制備絨面結(jié)構(gòu);采用擴散法在晶硅基片上形成PN結(jié)結(jié)構(gòu);利用薄膜沉積技術(shù)及熱處理在表面形成硅納米晶結(jié)構(gòu);利用等離子增強化學(xué)氣相淀積法在基片表面淀積氮化硅減反膜;絲網(wǎng)印刷完成正、負電極的制作;合金化,最終形成表面硅納米晶調(diào)制的太陽能電池。本發(fā)明利用由大生產(chǎn)線上的工藝手段制備出的PN結(jié)晶硅太陽能電池,在其表面制備硅納米晶,通過硅納米晶的能帶調(diào)節(jié)作用,使晶硅電池能更有效利用太陽光波長,進而提高晶硅電池的效率。本發(fā)明與現(xiàn)有成熟的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)相兼容,具有生產(chǎn)工藝簡單,易于產(chǎn)業(yè)化等特點,可以有效地降低成本,獲得高效晶硅太陽能電池。
文檔編號H01L31/18GK101882643SQ20091008350
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者劉新宇, 劉明, 葉甜春, 張培文, 朱晨昕, 李昊峰, 李維龍, 賈銳, 陳晨 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所