專(zhuān)利名稱(chēng)：光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法
光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池制造エ藝，具體涉及ー種利用表面Si納米晶、金屬硅化物納米晶的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技木隨著世界人ロ的急劇增加和各 國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越多；能源問(wèn)題已成為ー個(gè)國(guó)家長(zhǎng)久快速發(fā)展的戰(zhàn)略性問(wèn)題。目前大規(guī)模使用的傳統(tǒng)能源如石油和煤炭由于儲(chǔ)量有限，按目前的消耗量在幾十年后至一百多年后將會(huì)枯竭，同時(shí)目前頻繁的使用化石能源造成嚴(yán)重的大氣污染和溫室效應(yīng)，因此對(duì)清潔可再生能源的需求也越來(lái)越迫切；太陽(yáng)能電池作為清潔能源的一種由此得到了快速發(fā)展。自1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道第一個(gè)商品化的Si太陽(yáng)能電池以來(lái)，各種太陽(yáng)能電池相繼問(wèn)世。通過(guò)數(shù)十年來(lái)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能電池從第一代的單晶硅太陽(yáng)能電池、第二代的薄膜太陽(yáng)能電池到現(xiàn)在第三代的高效太陽(yáng)能電池，其制作成本逐步降低，轉(zhuǎn)換效率不斷提高。目前晶硅電池面臨著轉(zhuǎn)換效率不是很高(大規(guī)模生產(chǎn)能單晶在18-18.5%，多晶在16. 5-17. 2%之間)、價(jià)格貴等缺點(diǎn)，但晶硅(單晶和多晶)電池目前在各種太陽(yáng)能電池中，其市場(chǎng)比重占到了 90%以上，大規(guī)模的退出市場(chǎng)還需時(shí)日；因此提高轉(zhuǎn)換效率是降低成本的一種有效手段。從光吸收角度來(lái)看，能量大于Si禁帶寬度(LleV)以上的光子，特別是高能量(短波長(zhǎng)，比如450nm左右)的光子，很大一部分由于晶格振動(dòng)而損失棹。根據(jù)報(bào)導(dǎo)，在短波長(zhǎng)方面造成的損失達(dá)33%，如何有效地利用這些損失掉的光譜來(lái)提高效率是ー項(xiàng)重要內(nèi)容。因此，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，確有必要提供一種先進(jìn)的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其利用傳統(tǒng)晶體硅生產(chǎn)線(xiàn)，在制備晶體硅電池的過(guò)程中，在電池的表面制備出Si納米晶、金屬硅化物納米晶的混合結(jié)構(gòu)，利用Si納米晶的量子限制效應(yīng)，吸收高能量的光子而減少熱損失，再利用金屬硅化物納米晶的共振散射作用，使光發(fā)生共振散射而耦合到納米晶和Pn結(jié)，同時(shí)利用金屬硅化物納米晶的窄帶隙特性吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光子，使得光的利用率大為提尚，進(jìn)而達(dá)到聞效光電轉(zhuǎn)換的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其包括如下エ藝步驟I)、在P型晶體硅襯底上制備正、反絨面；2)、正、反兩面均有絨面結(jié)構(gòu)的晶硅襯底放置入閉管式擴(kuò)散爐中，對(duì)P型晶體硅襯底進(jìn)行磷擴(kuò)散，形成PN結(jié)；3)、利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，在表面進(jìn)行非晶硅薄膜的沉積；
4)、利用退火爐對(duì)具有非晶硅薄膜的晶體硅襯底進(jìn)行快速熱退火，退火過(guò)程形成娃納米晶；5)、在晶硅襯底表面淀積ー薄層金屬薄膜，再利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積沉積非晶硅薄膜，從而形成金屬薄膜/非晶硅薄膜；6)、利用退火爐熱退火的方式對(duì)具有金屬薄膜/非晶硅薄膜的硅襯底進(jìn)行退火而形成Si納米晶；7)、利用管式或者平板式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法在襯底正面淀積Si3N4減反膜；8)、利用絲網(wǎng)印刷機(jī)在晶體硅襯底背面和正面分別進(jìn)行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷，分別形成電池的正極和負(fù)扱；
9)、對(duì)正極和負(fù)極退火處理，完成該光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟I)中的P型晶體娃襯底為P型125mmX 125mm單晶娃片、156mmX 156mm單晶娃片或156X 156mm多晶硅片，其厚度為180微米至250微米之間，其放置于NaOH、Na2SiO3和無(wú)水こ醇混合而成的制絨液中進(jìn)行各向異性腐蝕。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟
2)中進(jìn)行磷擴(kuò)散時(shí)所采用的擴(kuò)散源為液態(tài)POCl3,利用氮?dú)庾鳛檩d氣對(duì)POCl3進(jìn)行氣體輸送，擴(kuò)散出的雙面PN結(jié)的結(jié)深在200-500微米之間，擴(kuò)散完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟
3)中的所述非晶硅薄膜的厚度在lnm-30nm，沉積溫度不高于600度。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟
4)的退火過(guò)程中使用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，退火溫度為700-900°C之間，退火時(shí)間為20-500S。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟
5)采用的沉積方法為磁控濺射或者電子束蒸發(fā)，其薄層金屬薄膜的厚度為lnm-30nm;所述金屬薄膜/非晶娃薄膜的厚度為lnm-30nm。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟
6)的退火過(guò)程中使用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，退火溫度為400-650°C，退火時(shí)間為30-1000S。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述Si3N4減反膜厚度在70nm-120nm之間。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法進(jìn)ー步為所述步驟8)中對(duì)背面進(jìn)行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料。本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法還可為所述步驟9)中正面的負(fù)電極、背面的正電極同時(shí)退火，退火過(guò)程中無(wú)特殊氣氛保護(hù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法通過(guò)表面Si納米晶、金屬硅化物納米晶的量子限制效應(yīng)、共振散射效應(yīng)、來(lái)充分地吸收短波長(zhǎng)光，并散射共振350-650nm波段的光,并利用金屬娃化物的窄能帶隙的特性吸收900-1200nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)光，使得光得到充分的吸收和利用，提高晶體硅電池的內(nèi)、外量子效率，増加短路電池，最終達(dá)到高效轉(zhuǎn)換的目的。具有増加的エ藝步驟少、能與大生產(chǎn)線(xiàn)上的エ藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。

圖I為本發(fā)明的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法的流程圖。圖2為P型晶體硅襯底的示意圖。圖3為在襯底正反面制出絨面的示意圖。圖4為磷擴(kuò)散后在表面形成PN結(jié)的示意圖。圖5為晶體硅襯底形成Si納米晶的示意圖。圖6為形成金屬薄膜/非晶硅薄膜的示意圖。 圖7為生長(zhǎng)Si3N4減反膜的示意圖。圖8為利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在正面和背面分別印刷負(fù)電極和正電極示意圖。
具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)附圖I所示，本發(fā)明為ー種利用表面Si納米晶、金屬硅化物納米晶的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其包括如下エ藝步驟步驟101 :在P型晶體硅襯底上制備正、反絨面；步驟102 :正、反兩面均有絨面結(jié)構(gòu)的晶硅襯底放置入閉管式擴(kuò)散爐中，對(duì)P型晶體硅襯底進(jìn)行磷擴(kuò)散，形成PN結(jié)；步驟103 :利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，在表面進(jìn)行非晶硅薄膜的沉積；步驟104 :利用退火爐對(duì)具有非晶硅薄膜的晶體硅襯底進(jìn)行快速熱退火，退火過(guò)程形成娃納米晶；步驟105 :在晶硅襯底表面淀積ー薄層金屬薄膜，再利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積沉積非晶硅薄膜，從而形成金屬薄膜/非晶硅薄膜；步驟106 :利用退火爐熱退火的方式對(duì)具有金屬薄膜/非晶硅薄膜的硅襯底進(jìn)行退火而形成Si納米晶；步驟107 :利用管式或者平板式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法在襯底正面淀積Si3N4減反膜；步驟108 :利用絲網(wǎng)印刷機(jī)在晶體硅襯底背面和正面分別進(jìn)行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷，分別形成電池的正極和負(fù)極；步驟109 :對(duì)正極和負(fù)極退火處理，完成該光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池。圖2至圖8是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明ー個(gè)具體實(shí)施例的示意圖。如圖2中步驟201所示，選取的晶硅襯底問(wèn)為P型125mmX 125mm單晶硅片、156mmX 156mm單晶硅片或156 X 156mm多晶硅片。單晶電阻率為0.5-3 Ω ·cm，多晶電阻率為O. 5-6 Ω · cm。厚度為180微米至250微米之間。如圖3中步驟202所示，利用大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)上制備絨面的方法，將厚度為180微米至250微米之間的晶硅襯底放置于NaOH、Na2SiO3和無(wú)水こ醇混合而成的制絨液中，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)對(duì)晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕形成絨面，絨面的形狀呈現(xiàn)倒金字塔形。因?yàn)樵谥苽溥^(guò)程中襯底正、反面因?yàn)榫糜诟g液中，因此正反兩面制備出的絨面特性基本一致。
如圖4中步驟303所示，將正反兩面制備好絨面結(jié)構(gòu)的晶硅襯底放置入擴(kuò)散爐中，進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散爐溫度可在300°C至1300°C變化。取擴(kuò)散溫度在850-950°C之間，擴(kuò)散源為液態(tài)P0C13?？梢詫?shí)現(xiàn)單面PN結(jié)擴(kuò)散，也可實(shí)現(xiàn)雙面PN結(jié)擴(kuò)散。在此例中，以單面PN結(jié)擴(kuò)散為例，擴(kuò)散出的PN結(jié)其結(jié)深在200-500nm之間，結(jié)深由擴(kuò)散時(shí)間來(lái)確定，擴(kuò)散完畢后所形成的方塊電阻約在20-120 Ω / □變化。由于擴(kuò)散過(guò)程中，會(huì)在電池表面形成磷娃玻璃,它會(huì)影響電池的效率，因此用HF酸、HNO3酸和水的混合腐蝕液來(lái)消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去離子水清洗干凈并烘干。如圖5中步驟401所示，制備出Si納米晶。在制備之前，襯底一定要放到緩沖HF酸中進(jìn)行晶硅襯底表面去氧化層的工作。去完氧化層后，要盡快地將襯底放入到平板式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積設(shè)備中去，以硅烷和氫氣為淀積氣體，功率選擇在80KW，氣體流量比在I : 4至I : 10之間，襯底溫度選擇在400度，厚度在2-30nm的非晶硅薄膜。蒸發(fā)完畢后利用鏈?zhǔn)娇焖贌嵬嘶鸬姆绞皆?00-900°C之間，退火時(shí)間為20-500S，快速熱退火形成硅 納米晶。硅納米晶的大小、密度可由Si薄膜的厚度、退火溫度和退火時(shí)間來(lái)綜合控制。如圖6中步驟501所示，再利用磁控濺射或者電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)l_30mm厚的金屬薄膜。為了更好地實(shí)現(xiàn)金屬硅化物，并實(shí)現(xiàn)共振散射，以及對(duì)能帶的調(diào)節(jié)，此處優(yōu)先選擇的金屬分別是Ni、Ag、Au、Pt、Cu。再將襯底放入平板式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積設(shè)備中去，以硅烷和氫氣為淀積氣體，襯底溫度，以硅烷和氫氣為前趨氣體，淀積溫度選擇在400度，再淀積ー層2-30nm的非晶硅薄膜。由于是金屬和非晶硅形成，其形成金屬硅化物納米晶的相變點(diǎn)介于兩者之間，因此快速熱退火的方式在溫度控制在400-650°C，退火時(shí)間為30-1000s,形成金屬娃化物納米晶。如圖7中步驟601所示，為了制備減反膜，將晶硅襯底再放入到等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，生長(zhǎng)Si3N4膜，膜厚控制在70-120nm之間。對(duì)于晶硅電池的單層減反膜情況來(lái)說(shuō)，其對(duì)光的減反效果可達(dá)到最佳。此時(shí)減反膜會(huì)覆蓋住Si納米晶層和金屬硅化物納米晶層。如圖8中步驟701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(chǎng)電扱，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化。接著再如步驟702所示，用絲網(wǎng)印刷機(jī)在正面涂覆負(fù)電極銀漿料，形成柵線(xiàn)和匯流條，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化。最后按照大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)的退火合金方式，對(duì)正面的負(fù)電極、背面的正電極進(jìn)行從300°C至900°C的階梯式熱退火處理，退火過(guò)程中無(wú)特殊氣氛保護(hù)，最終完成表面Si納米晶、金屬硅化物納米晶光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池的制備。以上所述制備エ藝，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述掲示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于其包括如下工藝步驟 1)、在P型晶體硅襯底上制備正、反絨面； 2)、正、反兩面均有絨面結(jié)構(gòu)的晶硅襯底放置入閉管式擴(kuò)散爐中，對(duì)P型晶體硅襯底進(jìn)行磷擴(kuò)散，形成PN結(jié)； 3)、利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，在表面進(jìn)行非晶硅薄膜的沉積； 4)、利用退火爐對(duì)具有非晶硅薄膜的晶體硅襯底進(jìn)行快速熱退火，退火過(guò)程形成硅納米晶; 5)、在晶硅襯底表面淀積一薄層金屬薄膜，再利用平板等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積沉積非晶硅薄膜，從而形成金屬薄膜/非晶硅薄膜； 6)、利用退火爐熱退火的方式對(duì)具有金屬薄膜/非晶硅薄膜的硅襯底進(jìn)行退火而形成Si納米晶； 7)、利用管式或者平板式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法在襯底正面淀積Si3N4減反膜； 8)、利用絲網(wǎng)印刷機(jī)在晶體硅襯底背面和正面分別進(jìn)行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷，分別形成電池的正極和負(fù)極； 9)、對(duì)正極和負(fù)極退火處理，完成該光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池。
2.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟I)中的P型晶體娃襯底為P型125mmX 125mm單晶娃片、156mmX 156mm單晶硅片或156 X 156mm多晶硅片，其厚度為180微米至250微米之間，其放置于NaOH、Na2SiO3和無(wú)水乙醇混合而成的制絨液中進(jìn)行各向異性腐蝕。
3.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟2)中進(jìn)行磷擴(kuò)散時(shí)所采用的擴(kuò)散源為液態(tài)POCl3，利用氮?dú)庾鳛檩d氣對(duì)POCl3進(jìn)行氣體輸送，擴(kuò)散出的雙面PN結(jié)的結(jié)深在200-500微米之間，擴(kuò)散完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃。
4.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟3)中的所述非晶娃薄膜的厚度在lnm-30nm,沉積溫度不高于600度。
5.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟4)的退火過(guò)程中使用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，退火溫度為700-900°C之間，退火時(shí)間為20-500so
6.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟5)采用的沉積方法為磁控濺射或者電子束蒸發(fā)，其薄層金屬薄膜的厚度為lnm-30nm ;所述金屬薄膜/非晶娃薄膜的厚度為lnm_30nm。
7.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟6)的退火過(guò)程中使用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，退火溫度為400-650°C，退火時(shí)間為30_1000s o
8.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述Si3N4減反膜厚度在70nm-120nm之間。
9.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟8)中對(duì)背面進(jìn)行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料。
10.如權(quán)利要求I所述的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其特征在于所述步驟9)中正面的負(fù)電極、背面的正電極同時(shí)退火，退火過(guò)程中無(wú)特殊氣氛保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用表面Si納米晶、金屬硅化物納米晶的光譜散射共振調(diào)制高效晶硅太陽(yáng)能電池制備方法，其包括如下工藝步驟酸或堿在晶硅硅片表面制絨、三氯氧磷擴(kuò)散形成PN結(jié)、表面沉積Si薄膜、快速熱退火形形成Si納米晶、表面沉積金屬薄膜/硅薄膜、快速熱退火形成金屬硅化物納米晶、Si3N4減反膜制備、背面和正面絲網(wǎng)印刷形成正電極和負(fù)電極、退火合金完成電池的制備。本發(fā)明充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，并利用物理原理和過(guò)程，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、增加設(shè)備不多，易于產(chǎn)業(yè)化并降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102738307SQ20121023808
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者王成林 申請(qǐng)人:遼寧朝陽(yáng)光伏科技有限公司