专利名称：一种制作晶硅高效太阳能电池的方法
技术领域：
本发明涉及一种制作晶硅高效太阳能电池的方法，利用表面硅纳米晶的量子限制 效应调制光子能量大于体硅禁带宽度(l.leV)的光，特别是短波长的光，使其被晶硅电池 充分吸收利用，以达到提高转换效率，降低成本的目的。
背景技术：
近年来，石油价格上涨等能源短缺问题和全球变暖等环境污染问题日益严峻，人 们对清洁的可再生能源需求空前急迫。太阳能取之不尽，用之不竭，有望替代传统能源，而 作为太阳能使用的重要形式，太阳能电池倍受关注。自1954年Chapin等首次提出将硅基PN结结构应用于太阳能电池至今，太阳能电 池经过半个多世纪的发展，种类不断增多。从第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的薄膜太 阳能电池到现在第三代的高效太阳能电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。目前，晶硅电池面临的主要问题有转换效率不是很高(大规模生产能做到平均 在17%)、价格昂贵等。然而这些问题都不足以影响晶硅(单晶和多晶)电池目前在太阳能 电池市场中的主导地位，因此如何提高电池的转换效率进而降低成本成为关注的焦点。从 光吸收角度来看，能量大于硅禁带宽度(l.leV)以上的光子，特别是高能量的短波长光子， 很大一部分以热能的形式损失。相关文献指出，仅上述的在短波长方面造成的损失高达所 有损失的33%，如果可以将这些光谱范围的光有效利用起来，则可以很高实现电池效率的 提尚。本发明是将硅纳米晶这种纳米结构应用在晶硅太阳能电池片上，从而将短波长的 光转换至可吸收范围内，最终被晶硅PN结充分吸收，实现更高的转换效率。同时这种硅纳 米晶制备技术可与大规模生产兼容，并不影响现有的晶硅电池工艺，可最大程度的降低成 本并实现产业化。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是提供一种制作晶硅高效太阳能电池的方法，以应用表面硅纳米晶 结构调制短波长的光，使其充分被晶硅电池本身吸收利用，以此来提高现有的晶硅电池转 换效率。( 二 )技术方案为了达到上述目的，本发明提供了一种制作晶硅高效太阳能电池的方法，包括如 下步骤步骤1、在晶硅基片表面制备绒面结构；步骤2、采用扩散法在晶硅基片上形成PN结结构；步骤3、利用薄膜沉积技术及热处理在表面形成硅纳米晶结构；步骤4、利用等离子增强化学气相淀积法在基片表面淀积氮化硅减反膜；
步骤5、丝网印刷完成正、负电极的制作；步骤6、合金化，最终形成表面硅纳米晶调制的太阳能电池。上述方案中，步骤1中所述晶硅基片为生产中所使用的P型标准片，单晶硅片尺寸 为125 X 125cm2 (截角)，多晶硅片尺寸为156 X 156cm2，采用化学溶液湿法腐蚀出金字塔形 的绒面结构。上述方案中，步骤2中所述扩散法是利用液态三氯氧磷为扩散源形成PN结，结深 控制在200 500nm，扩散后去边。上述方案中，步骤3中所述在表面形成硅纳米晶结构，是利用磁控溅射或者电子 束蒸发技术在晶硅基片表面淀积一层硅薄膜，并通过快速热退火的方式形成大小、密度可 控的硅纳米晶。上述方案中，步骤4中所述等离子增强化学气相淀积法，是在形成硅纳米晶结构 后的基片表面淀积氮化硅减反膜，氮化硅减反膜的厚度在70nm 120nm之间。上述方案中，步骤5中所述电极的制作，是对背面进行印刷铝银浆料，在正面丝网 印刷银浆料，形成电池的正、负电极。上述方案中，步骤6中所述合金化过程，是经过高温烧结，无特殊气氛保护，最终 形成表面硅纳米晶调制晶硅高效太阳能电池。(三)有益效果1、本发明提供的这种制作晶硅高效太阳能电池的方法，应用表面硅纳米晶结构调 制短波长的光，使其充分被晶硅电池本身吸收利用，以此提高了现有的晶硅电池转换效率。 同时本发明涉及的制备技术简单，与现有晶硅电池大规模生产工艺兼容，需增加的设备和 工艺步骤少，易于大规模生产并产业化，最终能够达到降低成本的目的。2、本发明提供的这种制作晶硅高效太阳能电池的方法，利用由大生产线上的工艺 手段制备出的PN结晶硅太阳能电池，在其表面制备硅纳米晶，通过硅纳米晶的能带调节作 用，使晶硅电池能更有效利用太阳光波长，进而提高晶硅电池的效率。3、本发明提供的这种制作晶硅高效太阳能电池的方法，是一种基于现有的大规模 生产流程，结合新型结构而开发的工艺技术，通过此技术制备的太阳能电池能够有效地利 用原来损失掉的光波，具有短路电流大、效率高的优势。这种制备高效晶硅太阳能电池的工 艺技术与现有成熟的大规模生产技术相兼容，具有生产工艺简单，易于产业化等特点，可以 有效地降低成本，获得高效晶硅太阳能电池。
图1为本发明中表面Si纳米晶、金属纳米晶混合调制晶硅高效太阳能电池的流程 图。图2为P型晶硅基片示意图。图3为在基片正反面制备出绒面示意图。图4为扩散后形成PN结结构示意图。图5为利用磁控溅射或电子束蒸发设备形成硅薄膜后，再经过热处理形成硅纳米 晶示意图。图6为利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备生长氮化硅减反膜示意图
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图7为利用丝网印刷技术在正反面分别印刷电极示意图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对具体实 施方式加以说明，详细说明如下如图1所示，图1为本发明提供的制备表面硅纳米晶调制晶硅高效太阳能电池的 方法流程图，该方法包括以下步骤步骤101 在晶硅基片表面制备绒面结构；步骤102 在有绒面结构的晶硅基片上扩散形成PN结结构；步骤103 正面表面形成硅纳米晶结构；步骤104 表面淀积氮化硅减反膜；步骤105 丝网印刷完成正、负电极的制作；步骤106 合金化，最终形成表面硅纳米晶调制的太阳能电池。本发明采取的工艺步骤如下1)、利用大规模生产线上制备绒面的方法，将厚度为180微米至250微米之间的晶 硅基片放置于氢氧化钠溶液中进行各向异性腐蚀(多晶硅的步骤略有不同)；在制备过程 中基片的正面与反面均置于腐蚀液中，制备出的正、反面的绒面各方面特性基本一致。绒面 结构呈现出平均深度在10微米左右的金字塔形。2)、将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散。扩散源为液 态POCl3，气化后实现扩散工艺。扩散出的双面PN结其结深在200 500微米之间。扩散 完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃，并用刻边机进行去边处理。3)、利用磁控溅射或者电子束蒸发设备在晶硅基片表面淀积一层硅薄膜，薄膜厚 度在2 IOnm之间。之后通过快速热退火的方式形成大小、密度可控的硅纳米晶。4)、将表面已形成硅纳米晶结构的晶硅基片放置于等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)设备中，在基片的正面生长氮化硅减反膜，厚度为70 120nm。5)、利用丝网印刷技术，在基片反面和正面分别进行丝网印刷、低温固化热处理， 形成电极图形。6)、采用阶梯式升温方式对进行电极进行合金化，无特殊气氛保护，可用压缩空气 进行冷却。最终完整制备出表面硅纳米晶调制高效晶硅太阳能电池。图2至图7是用来说明本发明一个具体实施例的示意图。如图2所示，选取的晶硅基片为商用单晶或多晶硅片，单晶硅片尺寸为 125X 125cm2(截角)，多晶硅片尺寸为156X156Gm2，衬底类型为P型衬底，图中201 ；单晶电 阻率为0. 5 3 Ω · cm，多晶电阻率为0. 5 6 Ω · cm。如图3所示，利用大规模生产制备绒面的方法，将厚度为180微米至250微米之间 的晶硅基板放置于按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和无水乙醇混合而成的制绒液中，对晶 硅进行各向异性的湿法腐蚀而形成呈金字塔形的绒面结构，平均高度在10微米左右，其中 多晶硅制备绒面的方式略有不同。在制备过程中基片的正面与反面均置于腐蚀液中，制备 出的正、反面的绒面各方面特性基本一致，如图中301所示。如图4所示，将正反两面制备好绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散。扩散炉温度可在300°C至1300°C变化。在此例中，我们选取扩散温度在850 950°C之间， 扩散源为液态POCl3，单面扩散，由控制扩散时间得到结深在200 500nm之间的PN结结 构，形成的方块电阻约在20 50Ω/ □间变化，如图中401。接着用氢氟酸、硝酸和水的混 合腐蚀液来去除扩散过程中在电池表面形成的磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去离子水清 洗干净并烘干。然后采用刻边机设备将电池片去边。如图5所示为在表面制备硅纳米晶结构的过程。在制备之前，用氢氟酸溶液清洗 已完成前面各项工艺的基片，去除表面氧化层。之后将基片放入到磁控溅射或者电子束蒸 发设备的腔体中并快速抽真空，以减小晶硅表面的氧化，蒸发一层厚度在2 IOnm的硅薄 膜。蒸发完毕后利用快速热退火法形成硅纳米晶，图中501所示。在这步工艺过程中，可通 过控制所蒸发的硅薄膜的厚度、快速热退火时的温度和时间来获得大小、密度不同的硅纳 米晶结构。如图6所示为制备减反膜的过程。将完成前面各项工艺的基片放入到等离子体增 强化学气相沉积设备(PECVD)中，生长氮化硅薄膜，膜厚控制在70 120nm之间，对于晶硅 电池的单层减反膜情况来说，其对光的减反效果可达到最佳。这个厚度的减反膜会覆盖住 硅纳米晶层，如图中601。如图7所示，利用丝网印刷将铝浆料印刷于电池背面，形成铝背场电极，印刷完毕 后在200°C热处理并加以固化。用丝网印刷机在正面涂覆负电极银浆料，形成栅线和汇流 条，印刷完毕后在200°C热处理并加以固化。电池正面、反面的电极结构分别如图中701、 702所示意。最后按照大规模生产线的方式对正面、反面的电极进行从300°C至900°C的阶梯 式热退火处理，至此，合金化过程完成。最终制备出表面硅纳米晶调制晶硅高效太阳能电池 的制备。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、在晶硅基片表面制备绒面结构；步骤2、采用扩散法在晶硅基片上形成PN结结构；步骤3、利用薄膜沉积技术及热处理在表面形成硅纳米晶结构；步骤4、利用等离子增强化学气相淀积法在基片表面淀积氮化硅减反膜；步骤5、丝网印刷完成正、负电极的制作；步骤6、合金化，最终形成表面硅纳米晶调制的太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤1中所 述晶硅基片为生产中所使用的P型标准片，单晶硅片尺寸为125X 125cm2 (截角)，多晶硅片 尺寸为156X 156cm2，采用化学溶液湿法腐蚀出金字塔形的绒面结构。
3.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤2中所 述扩散法是利用液态三氯氧磷为扩散源形成PN结，结深控制在200 500nm，扩散后去边。
4.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤3中所 述在表面形成硅纳米晶结构，是利用磁控溅射或者电子束蒸发技术在晶硅基片表面淀积一 层硅薄膜，并通过快速热退火的方式形成大小、密度可控的硅纳米晶。
5.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤4中所 述等离子增强化学气相淀积法，是在形成硅纳米晶结构后的基片表面淀积氮化硅减反膜， 氮化硅减反膜的厚度在70nm 120nm之间。
6.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤5中所 述电极的制作，是对背面进行印刷铝银浆料，在正面丝网印刷银浆料，形成电池的正、负电 极。
7.根据权利要求1所述的制作晶硅高效太阳能电池的方法，其特征在于步骤6中所 述合金化过程，是经过高温烧结，无特殊气氛保护，最终形成表面硅纳米晶调制晶硅高效太 阳能电池。
全文摘要
本发明公开了一种制作晶硅高效太阳能电池的方法，包括在晶硅基片表面制备绒面结构；采用扩散法在晶硅基片上形成PN结结构；利用薄膜沉积技术及热处理在表面形成硅纳米晶结构；利用等离子增强化学气相淀积法在基片表面淀积氮化硅减反膜；丝网印刷完成正、负电极的制作；合金化，最终形成表面硅纳米晶调制的太阳能电池。本发明利用由大生产线上的工艺手段制备出的PN结晶硅太阳能电池，在其表面制备硅纳米晶，通过硅纳米晶的能带调节作用，使晶硅电池能更有效利用太阳光波长，进而提高晶硅电池的效率。本发明与现有成熟的大规模生产技术相兼容，具有生产工艺简单，易于产业化等特点，可以有效地降低成本，获得高效晶硅太阳能电池。
文档编号H01L31/18GK101882643SQ20091008350
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者刘新宇, 刘明, 叶甜春, 张培文, 朱晨昕, 李昊峰, 李维龙, 贾锐, 陈晨 申请人:中国科学院微电子研究所