專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制作晶硅高效太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)的光，使其被晶硅電池 充分吸收利用，以達(dá)到提高轉(zhuǎn)換效率，降低成本的目的。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，石油價(jià)格上漲等能源短缺問(wèn)題和全球變暖等環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，人 們對(duì)清潔的可再生能源需求空前急迫。太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，有望替代傳統(tǒng)能源，而 作為太陽(yáng)能使用的重要形式，太陽(yáng)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(yáng)能電池至今，太陽(yáng)能電 池經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，種類(lèi)不斷增多。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，晶硅電池面臨的主要問(wèn)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(jià)格昂貴等。然而這些問(wèn)題都不足以影響晶硅(單晶和多晶)電池目前在太陽(yáng)能 電池市場(chǎng)中的主導(dǎo)地位，因此如何提高電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而降低成本成為關(guān)注的焦點(diǎn)。從 光吸收角度來(lái)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(zhǎng)光子， 很大一部分以熱能的形式損失。相關(guān)文獻(xiàn)指出，僅上述的在短波長(zhǎng)方面造成的損失高達(dá)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(lái)，則可以很高實(shí)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(yáng)能電池片上，從而將短波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種制作晶硅高效太陽(yáng)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(zhǎng)的光，使其充分被晶硅電池本身吸收利用，以此來(lái)提高現(xiàn)有的晶硅電池轉(zhuǎn) 換效率。( 二 )技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制作晶硅高效太陽(yáng)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(kuò)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(qiáng)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(fù)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(yáng)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(kuò)散法是利用液態(tài)三氯氧磷為擴(kuò)散源形成PN結(jié)，結(jié)深 控制在200 500nm，擴(kuò)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(guò)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(qiáng)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(duì)背面進(jìn)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(fù)電極。上述方案中，步驟6中所述合金化過(guò)程，是經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，無(wú)特殊氣氛保護(hù)，最終 形成表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(shí)本發(fā)明涉及的制備技術(shù)簡(jiǎn)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(dá)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(yáng)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(yáng)能電池，在其表面制備硅納米晶，通過(guò)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(yáng)光波長(zhǎng)，進(jìn)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(yáng)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(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)，通過(guò)此技術(shù)制備的太陽(yáng)能電池能夠有效地利 用原來(lái)?yè)p失掉的光波，具有短路電流大、效率高的優(yōu)勢(shì)。這種制備高效晶硅太陽(yáng)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(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)，可以 有效地降低成本，獲得高效晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(kuò)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(guò)熱處理形成硅納米 晶示意圖。圖6為利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備生長(zhǎng)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(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，對(duì)具體實(shí) 施方式加以說(shuō)明，詳細(xì)說(shuō)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(yáng)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(kuò)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(fù)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(yáng)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(jìn)行各向異性腐蝕(多晶硅的步驟略有不同)；在制備過(guò)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(kuò)散爐中，進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散源為液 態(tài)POCl3，氣化后實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散工藝。擴(kuò)散出的雙面PN結(jié)其結(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，并用刻邊機(jī)進(jìn)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(guò)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(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)設(shè)備中，在基片的正面生長(zhǎng)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(jìn)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(duì)進(jìn)行電極進(jìn)行合金化，無(wú)特殊氣氛保護(hù)，可用壓縮空氣 進(jìn)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(yáng)能電池。圖2至圖7是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)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(lèi)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(wú)水乙醇混合而成的制絨液中，對(duì)晶 硅進(jìn)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(guò)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(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。在此例中，我們選取擴(kuò)散溫度在850 950°C之間， 擴(kuò)散源為液態(tài)POCl3，單面擴(kuò)散，由控制擴(kuò)散時(shí)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(lái)去除擴(kuò)散過(guò)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(jī)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(guò)程。在制備之前，用氫氟酸溶液清洗 已完成前面各項(xiàng)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(guò)程中，可通 過(guò)控制所蒸發(fā)的硅薄膜的厚度、快速熱退火時(shí)的溫度和時(shí)間來(lái)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(guò)程。將完成前面各項(xiàng)工藝的基片放入到等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備(PECVD)中，生長(zhǎng)氮化硅薄膜，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。這個(gè)厚度的減反膜會(huì)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(chǎng)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(jī)在正面涂覆負(fù)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(duì)正面、反面的電極進(jìn)行從300°C至900°C的階梯 式熱退火處理，至此，合金化過(guò)程完成。最終制備出表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太陽(yáng)能電池 的制備。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制作晶硅高效太陽(yáng)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(kuò)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(qiáng)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(fù)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(yáng)能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽(yáng)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(yáng)能電池的方法，其特征在于步驟2中所 述擴(kuò)散法是利用液態(tài)三氯氧磷為擴(kuò)散源形成PN結(jié)，結(jié)深控制在200 500nm，擴(kuò)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(yáng)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(guò)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(yáng)能電池的方法，其特征在于步驟4中所 述等離子增強(qiáng)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(yáng)能電池的方法，其特征在于步驟5中所 述電極的制作，是對(duì)背面進(jìn)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(fù)電 極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作晶硅高效太陽(yáng)能電池的方法，其特征在于步驟6中所 述合金化過(guò)程，是經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，無(wú)特殊氣氛保護(hù)，最終形成表面硅納米晶調(diào)制晶硅高效太 陽(yáng)能電池。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種制作晶硅高效太陽(yáng)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(kuò)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(qiáng)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(fù)電極的制作；合金化，最終形成表面硅納米晶調(diào)制的太陽(yáng)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(yáng)能電池，在其表面制備硅納米晶，通過(guò)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(yáng)光波長(zhǎng)，進(jìn)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(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)，可以有效地降低成本，獲得高效晶硅太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101882643SQ20091008350
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所