本發(fā)明屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

低價格高效率的太陽能電池是未來太陽能發(fā)電的發(fā)展方向，但是利用低價格材料例如多晶硅材料制造的太陽能電池往往有很多的晶體缺陷和雜質(zhì)，極大降低了電池的效率。在傳統(tǒng)的多晶硅太陽能電池中，在電池發(fā)射層和pn結(jié)中的晶體缺陷導(dǎo)致大量少數(shù)載流子的復(fù)合，致使電池效率大幅降低。傳統(tǒng)的多晶硅電池采用氫氣鈍化的方法來鈍化其發(fā)射層和pn結(jié)中的晶體缺陷，減少其復(fù)合速率，但是氫氣鈍化的穩(wěn)定性不高，隨著電池運(yùn)行時間的增加，氫氣鈍化效果逐步降低，導(dǎo)致多晶硅電池發(fā)射層和pn結(jié)復(fù)合速率的逐漸上升，電池效率的逐漸下降。也有部分傳統(tǒng)的多晶硅太陽能電池采用較高濃度(大約在10²⁰cm^-3)的磷摻雜來減少其發(fā)射層和pn結(jié)的復(fù)合速率，但是效果并不是十分理想。

因為傳統(tǒng)多晶硅電池以上的缺點，本申請人發(fā)現(xiàn)激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法。激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法可以克服傳統(tǒng)多晶硅電池的發(fā)射層和pn結(jié)中有大量晶體缺陷的缺點，形成更高質(zhì)量的電池發(fā)射層和pn結(jié)。激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法可以融化多晶硅材料的上表面，并通過控制光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)加熱硅材料的溫度，并通過控制激光的移動速度調(diào)節(jié)硅材料的冷卻速度，從而實現(xiàn)對硅材料再結(jié)晶過程的精準(zhǔn)控制。激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法可以融化硅材料表層的晶體缺陷并再結(jié)晶形成無晶體缺陷的類單晶硅材料表層，從而減少硅電池發(fā)射層和pn結(jié)的晶體缺陷數(shù)量，降低少數(shù)載流子在硅電池發(fā)射層和pn結(jié)的復(fù)合速率，最終提高多晶硅電池的效率。激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法還有一個優(yōu)點就是可以應(yīng)用在硅材料上表面的任何位置，從而實現(xiàn)局部化的再結(jié)晶，為新型太陽能電池的設(shè)計和制作提供了方法。

激光可以通過控制光強(qiáng)強(qiáng)度來調(diào)節(jié)硅材料融化過程中達(dá)到的最高溫度，從而控制再結(jié)晶硅材料層的厚度，使再結(jié)晶的硅材料層的厚度大于硅電池pn結(jié)的深度。激光還可以通過調(diào)節(jié)移動速度，控制融化的硅材料的再結(jié)晶速度，從而控制再結(jié)晶的硅材料的質(zhì)量。通過激光強(qiáng)度和移動速度的調(diào)節(jié)，我們可以制成高質(zhì)量的再結(jié)晶硅材料層，大幅提高多晶硅電池的效率。本發(fā)明還采用連續(xù)激光再結(jié)晶硅材料表層，選用連續(xù)激光的好處在于以下幾點：1.連續(xù)激光可以持續(xù)加熱硅材料表層到很多溫度，更容易控制加熱溫度；2.持續(xù)激光可以分隔開加熱過程和冷卻過程，更容易控制融化的硅材料的再結(jié)晶過程，有利于形成更高質(zhì)量的再結(jié)晶硅表面層；3.連續(xù)激光可以減少激光誘發(fā)缺陷的數(shù)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是提供一種有效去除多晶硅電池發(fā)射層和pn結(jié)中的晶體缺陷的方法，從而降低發(fā)射層和pn結(jié)的復(fù)合，提高多晶硅電池效率。

該方法具體是：

步驟(1)、多晶硅材料的預(yù)處理

將多晶硅材料用RCA試劑和體積分?jǐn)?shù)為5％HF(氟化氫)溶液清理，去除多晶硅材料表面的雜質(zhì)和氧化層；

所述的多晶硅材料為帶有晶體缺陷(這里的晶體缺陷指代的是位錯和晶界)和金屬雜質(zhì)(包括鐵，銅等雜質(zhì))的太陽能電池級別硅材料；

所述的RCA試劑包括RCA1溶液和RCA2溶液，其中RCA1溶液由氨水、雙氧水與水按照體積比1:1:5構(gòu)成，RCA2溶液由鹽酸、雙氧水與水按照體積比1:1:5構(gòu)成；

步驟(2)、利用激光掃描步驟(1)制備的硅材料的上表面；由于激光的加熱效應(yīng)，多晶硅材料的上表面會融化，然后在隨后的冷卻過程中再結(jié)晶。通過控制激光的移動速度，相應(yīng)控制多晶硅材料的再結(jié)晶速度，從而生成一層晶向均一、無明顯晶體缺陷的“類單晶”表層。

所述的激光光源的強(qiáng)度控制在50W/mm²～83.3W/mm²，模式為連續(xù)模式，波長控制在560nm～850nm，速度控制在1m/s～6m/s。

所述的激光光源必須為線型激光。

步驟(3)、將步驟(2)處理后的硅材料制作成硅材料上表面帶有再結(jié)晶層的硅電池：

第一種絲網(wǎng)印刷硅電池制作方法是將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(2)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到40～100Ω/□，從而硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在硅材料n+發(fā)射層的上表面生長一層75～80nm的SiNx:H鈍化層，n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層；然后利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)為SiN_x:H鈍化層上表面和硅材料下表面分別鋪設(shè)銀電極和鋁金屬層；最后置于810～850℃下燒結(jié)，其中燒結(jié)過程中一部分鋁元素會擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻。

第二種硅電池結(jié)構(gòu)PERC電池制作方法是將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(1)預(yù)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到60～100Ω/□，從而硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在n+發(fā)射層上表面和硅材料下表面各生長一層75～80nm的SiNx:H鈍化層，其中n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層；在硅材料下表面的SiNx:H鈍化層上利用激光開有通孔，然后用金屬蒸發(fā)鍍膜設(shè)備給硅材料鍍上鋁金屬層，其中由于鋁元素會經(jīng)SiNx:H鈍化層通孔擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻。

步驟(4).測試步驟(3)制作的硅電池的I-V曲線和LBIC測量，確定激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法的效果。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1.本發(fā)明可以大幅降低多晶硅材料的發(fā)射層的電學(xué)性質(zhì)，從而提高硅電池的效率，最終實現(xiàn)太陽能電池發(fā)電成本降低15％以上。

2.本發(fā)明只需要特定激光掃描多晶硅材料的上表面一次。所需時間短，操作簡單，設(shè)備價格中等，不需要其他材料，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，而且不會對環(huán)境產(chǎn)生危害。

3.本發(fā)明再結(jié)晶的多晶硅材料具有很高的質(zhì)量，可以大幅減少晶體缺陷。

附圖說明

圖1為激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法的工作平臺。

圖2為多晶硅電池的結(jié)構(gòu)圖；(a)為絲網(wǎng)印刷型多晶硅電池。(b)為PERC類型多晶硅電池。

圖3為多晶硅材料的局部上表面在接受激光再結(jié)晶之后的光致發(fā)光圖像(Photoluminescence image)。

圖4為多晶硅材料在接受激光再結(jié)晶前后的X射線衍射圖形(XRD)的變化。

圖5為多晶硅材料在接受激光再結(jié)晶前后的背散射電子圖像(backscattered electron images)的變化。

圖6為多晶硅材料在接受激光的再結(jié)晶之后的光束誘生電流圖像(LBIC)。

圖7為多晶硅電池接受激光再結(jié)晶后與樣品(沒有接受激光再結(jié)晶)的I-V曲線圖樣。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的分析。

以下實施例采用的激光再結(jié)晶方法實施的工作平臺如圖1所示包括放置多晶硅材料的平板，掌控平臺精準(zhǔn)運(yùn)動的機(jī)械設(shè)備和微型電腦。在設(shè)備的正上方是半導(dǎo)體激光器，其生產(chǎn)廠家是limo公司。激光波長是808nm,模式是CW模式，光線為線狀，能量強(qiáng)度可以從50W/mm²～83.3W/mm²，掃描速度從1m/s到6m/s調(diào)節(jié)。

實施例1.

(1)多晶硅材料的預(yù)處理：將多晶硅材料用體積分?jǐn)?shù)為5％HF溶液清洗干凈，去除表面的氧化層。

(2)激光再結(jié)晶多晶硅材料的上表面：將步驟(1)處理好的多晶硅材料放置在專用工作臺上，用特定激光掃描多晶硅材料上表面(選用合適的輸出功率和掃描速度)，完成激光對多晶硅材料的再結(jié)晶過程。其中激光波長是808nm,模式是CW模式，光線為線狀，能量強(qiáng)度為50W/mm²，掃描速度為1m/s。

(3)利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)把處理好的硅材料制得多晶硅電池。

將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(1)預(yù)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到40～100Ω/□，硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在硅材料n+發(fā)射層的上表面生長一層75nm的SiNx:H鈍化層，n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層；然后利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)為SiN_x:H鈍化層上表面和硅材料下表面分別鋪設(shè)銀金屬網(wǎng)格和鋁金屬層；最后置于810℃下燒結(jié)，其中燒結(jié)過程中一部分鋁元素會擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻，最后制備得到的硅電池結(jié)構(gòu)如圖2(a)。

實施例2.

(1)多晶硅材料的預(yù)處理：將多晶硅材料用體積分?jǐn)?shù)為5％HF溶液清洗干凈，去除表面的氧化層。

(2)激光再結(jié)晶多晶硅材料的上表面：將步驟(1)處理好的多晶硅材料放置在專用工作臺上，用特定激光掃描多晶硅材料上表面(選用合適的輸出功率和掃描速度)，完成激光對多晶硅材料的再結(jié)晶過程。其中激光波長是808nm,模式是CW模式，光線為線狀，能量強(qiáng)度為83.3W/mm²，掃描速度為1m/s。

(3)利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)把處理好的硅材料制得多晶硅電池。

將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(1)預(yù)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到40～100Ω/□，硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在硅材料n+發(fā)射層的上表面生長一層75nm的SiNx:H鈍化層，n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層；然后利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)為SiN_x:H鈍化層上表面和硅材料下表面分別鋪設(shè)銀金屬網(wǎng)格和鋁金屬層；最后置于810℃下燒結(jié)，其中燒結(jié)過程中一部分鋁元素會擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻，最后制備得到的硅電池結(jié)構(gòu)如圖2(a)。

實施例3

(1)、多晶硅材料的預(yù)處理：將多晶硅材料用體積分?jǐn)?shù)為5％HF溶液清洗干凈，去除表面的氧化層。

(2)激光再結(jié)晶多晶硅材料的上表面：將步驟(1)處理好的多晶硅材料放置在專用工作臺上，用特定激光掃描多晶硅材料上表面(選用合適的輸出功率和掃描速度)，完成激光對多晶硅材料的再結(jié)晶過程。其中激光波長是808nm,模式是CW模式，光線為線狀，能量強(qiáng)度為50W/mm²，掃描速度為6m/s。

(3)、利用PERC電池制造技術(shù)(具體見發(fā)明內(nèi)容步驟(3))將步驟(2)處理好的硅材料制得多晶硅電池：

將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(1)預(yù)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到60～100Ω/□，硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在n+發(fā)射層上表面和硅材料下表面各生長一層75～80nm的SiNx:H鈍化層。n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層。在硅材料下表面的SiNx:H鈍化層上利用激光開有通孔，然后用金屬蒸發(fā)鍍膜設(shè)備給硅材料鍍上鋁金屬，其中由于鋁元素會經(jīng)SiNx:H鈍化層通孔擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻。

實施例4

(1)、多晶硅材料的預(yù)處理：將多晶硅材料用體積分?jǐn)?shù)為5％HF溶液清洗干凈，去除表面的氧化層。

(2)激光再結(jié)晶多晶硅材料的上表面：將步驟(1)處理好的多晶硅材料放置在專用工作臺上，用特定激光掃描多晶硅材料上表面(選用合適的輸出功率和掃描速度)，完成激光對多晶硅材料的再結(jié)晶過程。其中激光波長是808nm,模式是CW模式，光線為線狀，能量強(qiáng)度為83.3W/mm²，掃描速度為6m/s。

(3)、利用PERC電池制造技術(shù)(具體見發(fā)明內(nèi)容步驟(3))將步驟(2)處理好的硅材料制得多晶硅電池：

將磷元素擴(kuò)散進(jìn)入步驟(1)預(yù)處理后的硅材料，使得硅材料表面的電阻率達(dá)到60～100Ω/□，硅材料的上表面形成n+發(fā)射層；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在n+發(fā)射層上表面和硅材料下表面各生長一層75～80nm的SiNx:H鈍化層。n+發(fā)射層上表面的SiN_x:H鈍化層也作為減反層。在硅材料下表面的SiNx:H鈍化層上利用激光開有通孔，然后用金屬蒸發(fā)鍍膜設(shè)備給硅材料鍍上鋁金屬，其中由于鋁元素會經(jīng)SiNx:H鈍化層通孔擴(kuò)散到硅材料中，致使在硅材料與鋁金屬層間形成P+層；由P+層與鋁層構(gòu)成的整個背電極達(dá)到歐姆電阻。

為了評價激光對多晶硅材料的上表面的再結(jié)晶的效果和可行性，本發(fā)明利用PL照片，LBIC掃描圖，I-V測試曲線對多晶硅電池在激光再結(jié)晶前后進(jìn)行表征。

從原理上來說，激光可以融化晶體缺陷，并且再結(jié)晶硅材料上表面成為質(zhì)量更佳的硅電池發(fā)射層。

圖3顯示多晶硅在激光再結(jié)晶后的光致發(fā)光(PL)圖像。通過PL照片，可以明顯發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶的多晶硅層PL值明顯增加，意味著硅材料的少數(shù)載流子壽命增加了，多晶硅材料的電學(xué)性質(zhì)得到了提高。

圖4顯示多晶硅在激光再結(jié)晶前后的X射線衍射圖形的變化。通過XRD曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)激光再結(jié)晶方法可以減少XRD的峰數(shù)目和峰值，意味著不同晶向的晶體的減少，也就是晶體缺陷如晶界的減少。

圖5顯示多晶硅在激光再結(jié)晶前后的背散射電子圖像(backscattered electron images)的變化。通過背散射電子圖像，可以發(fā)現(xiàn)，在激光再結(jié)晶之后，多晶硅的表面變得更加均一且晶界明顯減少。

通過LBIC掃描圖如圖6可以發(fā)現(xiàn)，再結(jié)晶后的多晶硅表面的內(nèi)部量子效應(yīng)得到了增加，表明硅電池中晶體缺陷減少了，硅電池發(fā)射層的少數(shù)載流子收集概率得到了提高。

通過I-V測試曲線如圖7可以發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶后的硅電池的開路電壓，填充因子得到了極大提高，閉路電流也得到少量增加，而這些也增加了多晶硅電池的效率達(dá)到1.5％絕對值以上。開路電壓和填充因子的增加歸功于大量的晶體缺陷在發(fā)射層的減少，特別是那些穿過硅電池PN結(jié)的晶體缺陷被重新結(jié)晶了，使PN結(jié)的復(fù)合速率下降。

總的來說，激光對多晶硅材料表層的再結(jié)晶方法可以極大提高多晶硅電池的電學(xué)性質(zhì)，提高多晶硅電池的效率達(dá)到1.5％絕對值以上。

上述實施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。