太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法
【專利摘要】本發明為太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法，解決巳有酸堿結合的單晶硅片絨面制備方法制備的單晶硅片表面反射率低的問題。清洗單晶硅片后，將其放入第一堿性溶液中，在[100]晶向的單晶硅片正面表面上形成第一層絨面，用酸性溶液清洗第一層絨面，再將單晶硅片放入第二堿性溶液中，對四棱錐的四個[111]晶面進行腐蝕，形成三角形滑移面堆積的、分層的單晶硅片的第二層絨面，這兩層絨面構成太陽能電池的高效光吸收結構，用酸性溶液清洗單晶硅片的絨面，再用熱氧化法或PECVD法或磁控濺射法，在多層絨面結構的表面生長厚度為0.1～0.4um的二氧化硅膜或厚度為0.08～0.15um的氮化硅增透膜。全光譜范圍內的反射率顯著降低，明顯提高太陽能電池的轉換效率。
【專利說明】太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法
[0001]【技術領域】:
本發明涉及一種太陽能電池的低反射率的單晶硅片的絨面制備方法。
[0002]技術背景:
在所有可持續能源中，太陽能無疑為最潔凈、最普遍和最有潛力的替代能源。由于硅材料在地殼中的豐富的儲量和晶硅電池優異的電學性能和機械性能，硅太陽能電池成為各光伏企業的主要研究方向。光電轉換效率是硅太陽能電池的重要性能指標，有效降低太陽光在單晶硅片表面的反射率是提高其轉換效率的重要途徑。
[0003]目前單晶硅電池商業生產中通常用表面制絨的方法來降低反射率，常用的制絨方法為堿制絨，利用腐蝕液對硅片表面進行各向異性腐蝕，得到均勻密布的金字塔表面結構。制絨后硅片腐蝕深度在3.4?5.2 um之間，但是所制備絨面在可見光譜范圍內仍然有較高的反射率，在18%?24%之間[晶體硅太陽能電池的單面酸制絨工藝，申請公布號:CN101976705 A]，在近紅外光譜范圍內(1.1?2.5 um)的反射率高達50%。由于通過這種堿制絨后獲得的表面由于存在大量復合中心，不利于PN結對載流子的收集，且由于PN結比表面積大，不利于開路電壓的提高，從而限制了太陽能電池轉換效率的提升，因此提出了一種酸堿結合的單晶硅太陽能電池制絨方法[一種酸堿結合的單晶硅太陽能電池制絨方法，申請公布號:CN 102496660 A]，在上述常規堿制絨工藝后增加一次酸處理，增加這一步處理的目的為將金字塔底部的不穩定結構進一步腐蝕，減少娃片表面的復合中心，但是對娃片表面反射率沒有明顯效果。為了得到更低的反射率，Barada K.Nayak和J.S.Yoo分別用激光和反應離子刻蝕的方法對硅片表面進行處理，均能夠得到較低的反射率，利用激光燒蝕的方法得到的反射率低于3%，利用反應離子刻蝕的方法得到的表面反射率低于2%[PR0GRESSIN PH0T0V0LTAICS.631 (2011)]，但是兩種方法都存在各自的不足。激光燒蝕的方法得到的硅片表面在后續制備電極時串聯電阻大，嚴重影響短路電流的提高；而反應離子刻蝕的方法得到的硅片表面制備電極時的串聯電阻介于激光燒蝕和常規制絨方法之間，主要問題在于需要引進昂貴的設備和原材料，明顯增加工藝步驟，生產成本大幅度提高。
[0004]
【發明內容】
:
本發明的目的是提供一種產品生產成本低，反射率低的太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法。
[0005]本發明是這樣實現的:
太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法:清洗單晶硅片后，將其放入第一堿性溶液中，在[100]晶向的單晶硅片正面表面上形成若干由四個[111]晶面構成的金字塔形狀的四棱錐，這些四棱錐構成單晶硅片的第一層絨面，用酸性溶液清洗單晶硅片的第一層絨面，對四棱錐的四個[111]晶面活性處理，再將單晶硅片放入第二堿性溶液中，對四棱錐的四個
[111]晶面進行腐蝕，形成三角形滑移面堆積的、分層的單晶硅片的第二層絨面，用酸性溶液清洗單晶硅片的第二層絨面，再用去離子水清洗單晶硅片。
[0006]清洗單晶硅片后，氧化單晶硅片正背兩面的氧化層厚度為2900— 3100埃，用以保護背面收集柵區域，在第一堿性溶液中刻蝕掉單晶硅片正面光照區氧化層。[0007]所述的單晶硅片表面的金字塔形狀的四棱錐高度為I?12um。
[0008]所述的單晶硅片二次絨面上的三角形滑移面的底部長度為0.3?Sum。
[0009]制備步驟如下:
O單晶硅片的常規清洗；
2)氧化單晶硅片正背兩面，且刻蝕掉單晶硅片正面光照區氧化層；
3)將清洗過的單晶硅片放入第一堿性溶液中，并進行磁力攪拌，使其反應形成第一層絨面，所述第一堿性溶液的配比為氫氧化鈉或氫氧化鉀或氫氧化鋰質量百分數為1%?5%,娃酸鈉的質量百分數為0.5%?3%,異丙醇的質量百分數為2%?7%,其余為去離子水,反應溫度為65°C?85°C，反應時間為10?50分鐘，形成完整的四個側面為三角形的四棱錐構成的第一層絨面；
4)對第一層絨面的四棱錐的四個三角形側面應采用體積比為1:1的三氧化鉻溶液和稀釋的氫氟酸的酸性溶液進行活性處理I?10分鐘，三氧化鉻溶液的質量百分濃度為10%?40%，氫氟酸溶液與水的體積百分比為HF:H20=1:5?10，然后用去離子水清洗；
5)將單晶硅片放入第二堿性溶液中，用磁力攪拌器攪拌或通入二氧化碳氣體，使其反應形成第二層絨面，所述第二堿性溶液的配比為氫氧化鉀或氫氧化鈉或氫氧化鋰質量百分數為0.5%?3%,第一、二堿性溶液堿金屬離子不同，娃酸鈉的質量百分數為0.5%?3%,異丙醇的質量百分數為2%?7%,其余為去離子水,反應溫度為65°C?85°C,反應時間為10?50分鐘，
6)利用步驟4)中所述的酸性溶液去除單晶硅片表面的堿金屬離子和化學反應生成的沉積物，然后用去離子水清洗。
[0010]7)再用熱氧化法或PECVD法或磁控濺射法，在第一、二層絨面的表面生長0.1?0.4um的二氧化硅膜或0.08?0.15um的氮化硅增透膜。
[0011]本發明的有益效果:
本發明首先在硅[100]晶面進行第一次堿制絨形成由四個[111]晶面構成的金字塔結構，在此基礎上進行第二次堿制絨，利用本發明提供的方法對金字塔的四個側面進行各向異性腐蝕，每個側面將能夠得到多層多個大小不等的[111]晶面特征三角形圖形(如圖1所示)。這種多層絨面交織的結構可以大幅度增加硅片的表面積，有利于對太陽光的充分吸收；由于形成了比常規的第一層絨面更加精細的表面結構(此三角形微結構的底部尺寸在0.3?8um),增加太陽光在娃片表面的折反射次數,使單晶娃表面對太陽光可見光的反射率降低至5%以下，并對波長在1.1?2.5 um范圍內的近紅外光的反射率的降低有顯著效果，反射率可以降至30%。在此具有高效光吸收率的多層絨面上，利用熱氧化或真空鍍膜或電子束鍍膜及物理濺射方法，淀積一層厚度為0.1?0.4um的二氧化硅膜或厚度為0.08?
0.15um的氮化硅鈍化/增透膜后，可獲得在可見光譜范圍內反射率低于2%，在近紅外光譜范圍內反射率低于10%的優良效果。由于兩次制絨過程均完整保留了單晶硅的晶體結構，能夠得到非常低的串聯電阻，提高了短路電流和開路電壓，從而達到提高太陽能電池的光電轉換效率的目的。另外，這種制絨方法無需增加額外昂貴的原料和設備，能降低單晶硅電池的生產成本，適應于大規模商業化生產。
[0012]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為雙絨面結構示意圖。(a)為現有一次制絨后形成的絨面結構的顯微照片，(b)為采用本發明中的兩次制絨技術后形成的絨面結構的顯微照片。
[0013]【具體實施方式】:
實施例1:
實驗采用P型雙面拋光單晶硅片，其電阻率為I?5 Ω.Cm。
[0014]低反射率的單晶硅片絨面的制備方法，包括以下步驟:硅圓片清洗、氧化(氧化層厚度大約3000埃，用以保護背面收集柵區域)、第一次堿制絨、酸清洗、第二次堿制絨、酸清洗、生長鈍化層，其中第一堿性溶液為氫氧化鈉溶液，配比為:氫氧化鈉質量百分數為3%,硅酸鈉的質量百分數為2%，異丙醇的質量百分數為5%，其余為去離子水。反應溫度為75°C，反應時間為30分鐘；第二堿性溶液為氫氧化鉀溶液,配比為:氫氧化鉀質量百分數為2%,娃酸鈉的質量百分數為1.5%，異丙醇的質量百分數為4%，其余為去離子水。反應溫度為78°C，反應時間為20分鐘。實施例1所用硅片為兩寸雙拋片,使用一片硅片,第一和第二堿性溶液重量各為400克。
[0015]實施例2:
實驗采用P型單面拋光單晶硅片，其電阻率為I?5 Ω.Cm。
[0016]低反射率的單晶硅片絨面的制備方法，包括以下步驟:硅圓片清洗、氧化(氧化層厚度大約3000埃，用以保護背面收集柵區域)、保護整個背面的氧化層，刻蝕掉正面光照區氧化層、第一次堿制絨、酸清洗、第二次堿制絨、酸清洗、生長鈍化層，其中第一堿性溶液為氫氧化鈉溶液，配比為:氫氧化鈉質量百分數為4%，硅酸鈉的質量百分數為2%，異丙醇的質量百分數為6%,其余為去離子水。反應溫度為78°C,反應時間為15分鐘；第二堿性溶液為氫氧化鉀溶液，配比為:氫氧化鉀質量百分數為1%，硅酸鈉的質量百分數為2%，異丙醇的質量百分數為4%,其余為去離子水。反應溫度為80°C,反應時間為45分鐘。
[0017]所用單晶硅片為兩寸單拋片，使用一片硅片，第一、二次堿性溶液重量各為300克。如果實驗中放入的硅片數量增多，為了保證絨面的均勻性和反應速度，溶液的量也要相應增加。溶液溫度的均勻性和溶液濃度的均勻性對腐蝕絨面微結構的均勻性有重要影響，實驗過程中需要對溶液進行攪拌；腐蝕的過程中會在硅片表面產生大小不等的氣泡，這些氣泡會阻礙化學反應的進行，實驗過程中需要通入二氧化碳氣體去除上述氣泡。
[0018]上述的具體實施例為本發明的較佳的實施方式，但本發明的實施方式不受上述實例的限制，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.太陽能電池單晶硅片絨面的制備方法，其特征在于:清洗單晶硅片后，將其放入第一堿性溶液中，在[100]晶向的單晶硅片正面表面上形成若干由四個[111]晶面構成的金字塔形狀的四棱錐，這些四棱錐構成單晶硅片的第一層絨面，用酸性溶液清洗單晶硅片的第一層絨面，對四棱錐的四個[111]晶面活性處理，再將單晶硅片放入第二堿性溶液中，對四棱錐的四個[111]晶面進行腐蝕，形成三角形滑移面堆積的、分層的單晶硅片的第二層絨面，這兩層絨面構成太陽能電池的高效光吸收結構，用酸性溶液清洗單晶硅片的絨面，再用熱氧化法或PECVD法或磁控濺射法，在多層絨面結構的表面生長厚度為0.1?0.4um的二氧化硅膜或厚度為0.08?0.15um的氮化硅增透膜。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于清洗單晶硅片后，氧化單晶硅片正背兩面，氧化層厚度為2900— 3100埃，用以保護背面收集柵區域，且刻蝕掉單晶硅片正面光照區氧化層。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅片表面的金字塔形狀的四棱錐高度為I?12um。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是在于所述的單晶硅片第二層絨面上的三角形滑移面的底部長度為0.3?8um。
5.根據權利要求1的制備方法，其特征在于步驟如下: O單晶硅片的常規清洗； 2)氧化單晶硅片正背兩面，且刻蝕掉單晶硅片正面光照區氧化層； 3)將處理過的單晶硅片放入第一堿性溶液中，并進行攪拌，使其反應，所述第一堿性溶液的配比為氫氧化鈉或氫氧化鉀或氫氧化鋰質量百分數為1%?5%，硅酸鈉的質量百分數為0.5%?3%，異丙醇的質量百分數為2%?7%，其余為去離子水，反應溫度為65°C?85°C，反應時間為10?50分鐘，形成完整的四個側面為三角形的四棱錐構成的第一層絨面； 4)對第一層絨面的四棱錐的四個三角形側面采用體積比為1:1的三氧化鉻溶液和稀釋的氫氟酸的酸性溶液進行活性處理I?10分鐘，三氧化鉻溶液的質量百分濃度為10%?40%，氫氟酸與水的體積百分比:HF:H20=1:5?10，然后用去離子水清洗； 5)將單晶硅片放入第二堿性溶液中，用磁力攪拌器攪拌或通入二氧化碳氣體，使其反應形成第二層絨面，所述第二堿性溶液的配比為:氫氧化鉀或氫氧化鈉或氫氧化鋰質量百分數為0.5%?3%,第一、二堿性溶液堿金屬離子不同,娃酸鈉的質量百分數為0.5%?3%,異丙醇的質量百分數為2%?7%,其余為去離子水，反應溫度為65°C?85°C,反應時間為10?50分鐘； 6)利用步驟4)中所述的酸性溶液去除單晶硅片表面的堿金屬離子和化學反應生成的沉積物，然后用去離子水清洗； 7)再用熱氧化法或PECVD法或磁控濺射法，在第一、二層絨面的表面生長0.1?0.4um的二氧化硅膜或0.08?0.15um的氮化硅增透膜。
【文檔編號】H01L31/18GK103531656SQ201310398216
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】李同彩, 胡思福, 溫才, 唐金龍, 李曉紅, 劉德雄, 張軍 申請人:西南科技大學