专利名称：太阳能电池制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池及其制作方法，更确切地说是涉及一种离子注入、多
孔硅外延单晶硅结合键合工艺制备厚度可调的薄层单晶硅，然后按照太阳能电池的制作工 序完成太阳能电池制作，属于微电子与固体电子学、硅基太阳能电池的一种制造工艺。
背景技术：
在该技术领域，目前研究最多的太阳能电池有硅太阳能电池、化合物半导体太阳 能电池和染料敏化太阳能电池。在硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池研究最早且技术最 为成熟，光电转换效率最高，目前实验室最高转换效率为24. 7%，工业规模生产的单晶硅太 阳能电池效率为15%。但由于单晶硅对硅原料的纯度要求高且使用量大、制备工艺繁琐， 所以生产成本居高不下，难于推广应用。目前作为单晶硅原料的多晶硅主要生产技术为西 门子法，即先将硅砂(Si02)还原为纯度为97% 98%的硅与盐酸反应生成氯化氢硅，再将 其还原、热分解，即可得到纯度为99. 99999%以上的多晶硅(棒状或粒状)。将得到的多晶 硅进行溶解做成单晶硅铸模，再行切割和蚀刻腐蚀，最终得到厚度约为300 ii m厚的硅片。 在此过程中不但能耗高且对环境污染严重。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池 的原料来源渠道较广阔，对原料的纯度要求低且原料价格较低廉。实验室最高转换效率为 20. 3%，工业规模生产的转换效率达13% 16%。适合大规模商业化生产。
相对于硅太阳能电池，CIS/CIGS、 GaAs和CdTe薄膜太阳能电池以其低成本、高效 率、高稳定性成为人们研究最多的化合物半导体太阳能电池，但由于其制作工艺重复性差， 高效电池的成品率低等原因，限制了商业化进程。染料敏化太阳能电池(DSSC)是20世纪 90年代后发展的新一代太阳能电池，以其潜在的低成本、相对简单的制作工艺和技术等优 势赢得了广泛重视，但在电极材料、染料敏化剂和电解质的选择与制备等还存在一系列问 题，制约了染料敏化太阳能电池转换效率和稳定性的进一步提高。 在硅太阳能电池的成本中，约50% 60%的造价源于硅原料，若采用薄膜太阳能 电池，在廉价衬底上沉积硅薄膜作为吸收层，如40 ii m厚的硅薄膜即可吸收80%太阳光，从 而减少高成本硅的用量，达到降低成本的目的。目前研究最多的是多晶硅薄膜和非晶硅薄 膜太阳能电池。目前，日本三菱公司在Si02衬底上制作的多晶硅薄膜太阳能电池效率达到 16.5%。多晶硅薄膜太阳能电池制备工艺主要有化学气相沉积法(CVD)和液相外延法(L PE)，设备昂贵，工艺复杂。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，是目前产业规模最大的薄膜电 池，最高转换效率已达16.6%，但因非晶硅的光学带隙为1.7eV，其材料本身对太阳辐射光 谱的长波区域不敏感，因而限制了非晶硅太阳能电池的转换效率；此外，其光电效率随着光
照时间的延长而衰减，即所谓的光致衰退s-w效应。近年来，对非晶硅薄膜太阳能电池的研
究多为提高电池转换效率并改善电池的稳定性。 近年来，发展的新型硅太阳能电池有硅带太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池和 HIT太阳能电池等。带状多晶硅技术可以避免切割过程，大大降低了硅太阳能电池生产成 本，主要工艺有颗粒硅带工艺和EFG工艺等。当太阳能电池成本降为U/W时就具有与常规
4能源竞争的优势，但严重的切割损耗问题，很难将单晶硅和多晶硅电池的成本降低至2S/W 以下。在实验室研究阶段，颗粒硅带制备的太阳能电池效率最高已达8.25%，成本已降为 0.8$/W。由于硅带缺陷多、表面平整度不高，给后续工艺和电池效率均带来负面影响，因此 提高硅带质量是硅带工艺面临的最大挑战。微晶硅由于具有单晶硅的高稳定、非晶硅的节 省材料、可低温大面积沉积等优点，而且可将光谱响应扩展到红外光(A > 800nm)，进一步 提高效率的潜力很大，被公认为新一代硅基薄膜太阳能电池材料。目前，对微晶硅薄膜太阳 能电池的研究集中于中国的南开大学光电子薄膜器件与技术研究所、美国的United Solar 公司、日本的Kaneka公司、德国的J ulich光伏研究所、荷兰的Utrecht大学和瑞士的MT 研究所，微晶硅太阳能电池效率均已达9%以上，但沉积速率都不高(0.5nm/s)。因此，提高 沉积速率是微晶硅薄膜太阳能电池产业化的重中之重。 在半导体领域，绝缘体上的硅材料即SOI (Silicon-on-insulator)材料近年在功 率器件领域的应用前景倍受关注，发展较快。SOI材料的制备工艺主要有注氧隔离即SIMOX 技术，以及键合减薄即Smart-Cut技术。前者是通过向单晶硅片中注入高剂量氧离子，高温 退火后形成隐埋绝缘Si02层，从而形成SOI结构。后者是先将一片热氧化后的硅片和一片 光的硅片键合，再背面减薄到所需要的厚度形成SOI结构。
发明内容
本发明提出一种太阳能电池制作方法，该方法既有晶体硅太阳能电池的高效率、
高稳定的优势，又发挥了薄层材料节约硅用量的特点，减少工艺步骤，降低成本。 为实现上述目的，本发明的技术方案是一种太阳能电池制作方法，具体包括以下
步骤 a)器件片制作 采用离子注入技术在单晶硅片中注入氢离子或氦离子或氢、氦两种离子，或者在 单晶硅片中引入多孔硅，并在多孔硅上外延单晶硅；
b)支撑衬底制作 采用溅射或真空蒸发方法在玻璃或陶瓷或不锈钢或塑料衬底上沉积SiC、 Si02、 A1203或Si3N4中的一种或两种薄膜作为介质层和隔离层，然后再镀上一层铝薄层作为支撑 衬底； c)形成键合片 器件片和支撑衬底经清洗、干燥后在常温常压或真空或等离子辅助的室温下键 合. d)退火处理 将键合片在300 150(TC温度下和氮气或氦气保护气氛下退火处理，键合片从器 件片的离子注入退火后形成的气泡层处或者外延单晶硅处裂开，断裂下来的器件硅片经腐 蚀抛光后按步骤a)反复使用；
e)形成"黑硅" 采用腐蚀或抛光除去离子注入层，对键合片上的剩余顶层硅采用化学机械抛光机 抛光，保留顶层硅的表面粗燥，形成"黑硅"，并在SF6反应气氛中进行表面处理；
f)在顶层硅中掺入硼和磷形成p-n结；
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g)得到太阳能电池 将步骤b)中的铝层作为背电极，采用丝网印刷、光刻、电子束蒸发、电子镀等方法 制作前电极，得到太阳能电池。 在步骤a)中，采用两种方法制作器件片一种方法是通过离子注入技术引入注入 离子层的单晶硅片作为器件片；另外一种是在单晶硅片中引入多孔硅，并在多孔硅上外延 单晶硅后，作为器件片。 注入离子是氢离子或氦离子或氢、氦两种离子，离子注入剂量在1 X 1014H7cm2到 1 X 1019H+/cm2间，离子注入能量在10KeV到500KeV间。 在步骤b)中直接在上述衬底上先沉积Al膜后，再和器件片键合在一起。
键合采用两种方式进行一种方式是将步骤b)中表面已经沉积了 Al膜的支撑衬 底和离子注入后的单晶硅片进行键合；另一种是将步骤b)中表面已经沉积了 Al膜的支撑 衬底和在多孔硅上外延了单晶硅的硅片进行键合。 退火处理温度在300 1500°C ，时间为2小时到6小时，并在氮气或氦气等保护气 氛下进行。 键合后形成的顶层硅厚度为1 100 m。 在常温常压或真空或等离子体辅助的室温键合，键合用EVG键合机。 在步骤e)中得到的顶层硅是天然的"黑硅"，根据顶层"黑硅"表面粗燥度进行腐
蚀抛光，并在SF6反应气氛中进行表面处理或直接制作太阳能电池。 在步骤C)键合前就已在衬底上先沉积Al膜作为背电极。 经键合、退火后剥离下来的器件硅片，经腐蚀抛光后按权利要求2和3所述的方法 继续反复使用，直到耗尽。 本发明的有益效果是在传统键合工艺的基础上，其中关键技术路径之一就是利 用一片氢离子/氦离子或氢、氦两种离子注入后形成气泡层的硅片和表面已经沉积了 Al薄 膜的玻璃等廉价衬底键合，然后退火，在退火过程中气泡层会自动裂开，单晶硅转移到了衬 底上成为后续制作太阳能电池的原料。另一关键技术路径就是用在多孔硅上外延了单晶硅 的外延片取代上述的注入片，同样和有Al薄膜的廉价衬底键合、退火，在退火过程中外延 的单晶硅会转移到衬底，作为太阳能电池的硅材料。这样既有晶体硅太阳能电池的高效率、 高稳定的优势，又发挥了薄层材料节约硅用量的特点，硅层的厚度可以薄至几十纳米。另外 由于A1膜的熔点低，在退火中可以增加键合强度，提高键合成品率，同时A1膜又可以作为 太阳能电池的背电极，减少工艺步骤，降低成本。
图1、2分别是本发明的的两种实施例的制作流程示意图。 其中1为单晶硅片，101为单晶硅片经离子注入后形成的注入层，102为顶层单晶 硅，103为多孔硅上的外延单晶硅层；2为玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等衬底；3为Al薄 膜；4为多孔硅层。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但本发明决不仅限制于实施例。 实施例1 :如图1所示，太阳能电池制作方法，根据对顶层硅厚度的要求，先采用离 子注入方法在单晶硅片1中形成一注入层101，然后将此硅片作为器件片。通过真空电子束 蒸发等方法在玻璃衬底2上生长Si02薄膜作为介质层和隔离层，然后沉积Al膜3后和器 件片键合在一起，再通过退火，在注入层101的气泡处裂开实现顶层硅102转移，适当腐蚀 和抛光，最后形成表面有一定微观粗燥度的顶层单晶硅材料，即"黑硅"。通过掺硼、磷等在 顶层硅上制作P_n结，通过丝网印刷、光刻、电子束蒸发、电子镀等方法制作电极，最后得到 太阳能电池。注入离子是氢离子或氦离子或氢、氦两种离子，离子注入剂量在lX10"H7cm2 到1 X 1019H+/cm2间，离子注入能量在10KeV到500KeV间。 可以采用玻璃或陶瓷或不锈钢或塑料作为衬底，并在衬底上沉积Si02或SiC、 A1203、 Si3N4中的一种或两种薄膜作为介质层和隔离层，然后沉积A1膜后作为支撑衬底，或 者直接在上述衬底上直接沉积Al膜后，再和上述的器件片键合在一起。
可以在常温常压或真空或等离子体辅助的室温键合。键合可以采用EVG公司生产 的EVG键合机。 退火处理温度在300 1500°C ，时间为2小时到6小时，并在氮气或氦气等保护气 氛下进行。 键合后形成的顶层硅厚度为1 100 ym。经键合、退火后剥离下来的器件硅片，经 腐蚀抛光后继续反复使用，直到耗尽。 顶层硅表面具有一定的粗燥度，是天然的"黑硅"，还可以根据顶层硅的表面粗燥 度进行适当的腐蚀抛光，并在如SFe等反应气氛中进行表面处理，也可以不进行反应气体表 面处理，直接制作太阳能电池。 实施例2 :如图2所示，太阳能电池制作方法，在单晶硅片1上首先可通过电化学 腐蚀法制备得到多孔硅层4，然后在4表面外延单晶硅薄层103后作为器件片；衬底2表面 沉积Al薄膜3后和器件片键合，快速高温退火，键合片在多孔硅层处裂开，外延单晶硅薄层 103顺利转移到衬底2上。然后通过掺硼、磷等在薄层硅上制作p-n结，通过丝网印刷、光 刻、电子束蒸发、电子镀等制作电极，最后得到太阳能电池。
权利要求
一种太阳能电池制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤a)器件片制作采用离子注入技术在单晶硅片中注入氢离子或氦离子或氢、氦两种离子，或者在单晶硅片中引入多孔硅，并在多孔硅上外延单晶硅；b)支撑衬底制作采用溅射或真空蒸发方法在玻璃或陶瓷或不锈钢或塑料衬底上沉积SiC、SiO2、Al2O3或Si3N4中的一种或两种薄膜作为介质层和隔离层，然后再镀上一层铝薄层作为支撑衬底；c)形成键合片器件片和支撑衬底经清洗、干燥后在常温常压或真空或等离子辅助的室温下键合；d)退火处理将键合片在300～1500℃温度下和氮气或氦气保护气氛下退火处理，键合片从器件片的离子注入退火后形成的气泡层处或者外延单晶硅处裂开，断裂下来的器件硅片经腐蚀抛光后按步骤a)反复使用；e)形成“黑硅”采用腐蚀或抛光除去离子注入层，对键合片上的剩余顶层硅采用化学机械抛光机抛光，保留顶层硅的表面粗燥，形成“黑硅”，并在SF6反应气氛中进行表面处理；f)在顶层硅中掺入硼和磷形成p-n结；g)得到太阳能电池将步骤b)中的铝层作为背电极，采用丝网印刷、光刻、电子束蒸发、电子镀等方法制作前电极，得到太阳能电池。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于采用两种方法制作器件片一种方法是通过离子注入技术引入注入离子层的单晶硅片作为器件片；另外一种是在 单晶硅片中引入多孔硅，并在多孔硅上外延单晶硅后，作为器件片。
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于注入离子是氢离子或氦离子或氢、氦两种离子，离子注入剂量在lX10"H7cm2到lX1019H7cm2间，离子注入能量在 10KeV到500KeV间。
4. 根据权利要求l所述的太阳能电池制作方法，其特征在于在步骤b)中直接在上述 衬底上先沉积Al膜后，再和器件片键合在一起。
5. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于键合采用两种方式进行一种方式是将步骤b)中表面已经沉积了 Al膜的支撑衬底和离子注入后的单晶硅片进行键 合；另一种是将步骤b)中表面已经沉积了 Al膜的支撑衬底和在多孔硅上外延了单晶硅的 硅片进行键合。
6. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于退火处理温度在300 150(TC，时间为2小时到6小时，并在氮气或氦气等保护气氛下进行。
7. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于键合后形成的顶层硅厚 度为1 100 iim。
8. 根据权利要求1或5所述的太阳能电池制作方法，其特征在于在常温常压或真空 或等离子体辅助的室温键合，键合用EVG键合机。
9. 根据权利要求l所述的太阳能电池制作方法，其特征在于在步骤e)中得到的顶层硅是天然的"黑硅"，根据顶层"黑硅"表面粗燥度进行腐蚀抛光，并在SF6反应气氛中进行 表面处理或直接制作太阳能电池。
10. 根据权利要求1所述的太阳能电池制作方法，其特征在于在步骤C)键合前就已 在衬底上先沉积A1膜作为背电极。
11. 根据权利要求1所述的太阳能电池及其制作方法，其特征在于经键合、退火后剥离下来的器件硅片，经腐蚀抛光后按权利要求2和3所述的方法继续反复使用，直到耗尽。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池制作方法，采用离子注入方法在硅片中形成一注入层，然后将此硅片作为器件片；通过薄膜沉积，电镀，磁控溅射等方法在玻璃、塑料、陶瓷、不锈钢等衬底上生长SiO2或SiC、Al2O3、Si3N4中的一种或两种薄膜作为介质层和隔离层，然后沉积Al膜后和器件片键合在一起，再通过退火实现硅层转移，根据转移过来的硅层表面粗燥度程度决定是否进行腐蚀和抛光，最后形成薄层硅材料。通过掺硼、磷等在薄层硅上制作p-n结，通过丝网印刷、光刻、电子束蒸发、电子镀等制作电极，最后得到太阳能电池。该方法既有晶体硅太阳能电池的高效率、高稳定的优势，又发挥了薄层材料节约硅用量的特点，减少工艺步骤，降低成本。
文档编号H01L31/18GK101789466SQ20101010813
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者安正华, 门传玲 申请人:上海理工大学