专利名称：一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法
技术领域：
本发明属于新型高效晶体硅太阳电池技术领域，尤其涉及一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法。
背景技术：
近年来，能源紧缺问题和全球变暖的环境问题日益严重，人类对清洁的可再生能源需求空前急切。光伏太阳能是一种重要的可再生能源，具有能源广泛，地域限制少，安全可靠等诸多优势。自1954年第一块硅太阳电池应用至今，太阳电池经过了第一代单晶硅太阳电池，第二代薄膜电池的发展，从目前光伏太阳电池的发展来看，其技术发展趋势是成本降低，效
率提高。目前市场应用的太阳电池以晶体硅电池为主，虽然太阳能光伏产业相对与其他新能源有着诸多优势，但是当前高的发电成本严重限制了晶体硅太阳电池的进一步广泛应用，因此降低太阳电池成本成为当前研究的重点。从目前晶硅电池对太阳光的吸收角度看，电池吸收高能光子产生“热”载流子，“热”载流子弛豫导带底或价带顶，这部分能量以晶格热的形式损失，即为热损失。能量小于电池带隙的光子不能被电池吸收，而直接透过电池，即为透过损失。即使在可见波段，硅表面的反射也较大，损失了相当的光。如果把这些损失的光有效地利用起来，则可以实现电池效率的显著提高。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，以提高降低太阳电池成本，提高太阳电池的效率。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，包括:对硅片进行清洗；在硅片背面生长单层氮化硅薄膜；在硅片正面用湿法腐蚀，形成纳米超小绒面结构；用浓酸加热处理硅片，去除金属催化腐蚀小绒后剩余的金属；使用激光对硅片具有纳米超小绒面结构的一面进行刻蚀，刻出电极图形；将硅片放入碱溶液煮，去除损伤；再次对硅片进行清洗；热扩散在硅片的正面的背面扩散制备PN结；并去除正面和背面的PSG，在正面生长氮化硅钝化层；完毕后在先在丝网印刷铝背场，然后在正面二次丝网印刷电极，使得电极位置与先前激光划刻的位置对准；最终合金烧结完成电池制备。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
1、本发明提供的硅基纳米结构高效太阳电池的制备方法，能够有效制备尺寸均匀、分布规则的纳米结构，并且制备了具有良好接触的电极。这种电池结构，能够有效地增加了电池对入射光的吸收和利用，降低载流子的复合，提高载流子的输运能力，增加了光生电流，，有效提高电池转换效率。2、本发明提供的硅基纳米结构高效太阳电池的的制备方法，在部分与现有太阳能电池制备工艺兼容的前提下，提出了创新结构，并给出有效的制备方法，以提高晶硅太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:图1为依照本发明实施例的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法流程图；图2至图7为依照本发明实施例的制备硅基纳米结构高效太阳电池的各个制作阶段的工艺流程图。
具体实施例方式为使本发明的目 的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明通常涉及一种硅基纳米结构高效太阳电池的制备方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此夕卜，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。本发明利用湿法腐蚀，制备了一种应用于太阳电池的硅基纳米结构；采用激光刻蚀结合丝网印刷制备前电极，有效提高了超小绒面电池电极接触不良的问题。这种电池结构具有超低的反射率和高效的陷光能力，应用在晶硅太阳电池上，从而减少反射，并且将容易透过电池的长波限制在体内，增强光吸收，同时有效降低载流子在电池表面的复合，最终转换为光电流，实现更高的电池效率。如图1所示，图1示出了根据本发明实施例的制备硅基纳米结构高效太阳电池方法的流程图，该方法包括以下步骤:在步骤101中，首先对硅片201进行清洗。其中硅衬底可以是P型硅片，也可以η型硅片。优选的，采用P型硅衬底。步骤101使用浓H2SO4和双氧水混合加热沸腾清洗,然后分别用HF溶液和去离子水清洗，氮气吹干。优选的，H2SO4与双氧水体积比例为5: I ,HF溶液的摩尔浓度为15%。接着在步骤102中，在硅衬底的背面生长氮化硅薄膜202，如图2所示。
优选的，步骤102中的氮化硅薄膜的沉积工艺可以包括但不限于PECVD，氮化硅薄膜的厚度为200nm 400nm。在步骤103中，对图2所述的背面覆盖有氮化硅薄膜202的硅片201进行湿法腐蚀，形成纳米结构，如图3所示。优选的，步骤103中的湿法刻蚀的工艺可以包括但不限于的是金属辅助湿法腐蚀。例如在具体实施例中，将背面覆盖有氮化硅薄膜202的硅片201置于摩尔浓度为40%的AgNO3和HF溶液等比例的混合液中腐蚀10分钟-120分钟。在步骤104中，将具有纳米结构的硅片201置于沸腾的浓H2SO4和双氧水混合液中清洗，再用HF和去离子水清洗，氮气吹干。在步骤105中，将具有纳米结构的硅片201进行激光刻蚀，形成电极图案，如图4。优选的，步骤105中刻蚀深度为I μ m 10 μ m。在步骤106中，将刻蚀完电极图案的硅片201置于碱溶液中煮，去除损伤。优选的，步骤106中采用的碱溶液为摩尔浓度为20%的NaOH溶液，煮沸I分钟 5分钟。在步骤107中，在步骤107中，将具有纳米结构的硅片201用去离子水清洗，氮气吹干。在步骤108中，对清洗的硅片201进行扩散，制备PN结203，如图5。在步骤109中，酸溶 液去除硅片201表面的PSG。优选的，步骤109中采用的是摩尔浓度为30%的HF溶液，去离子水清洗，氮气吹干。在步骤109中，将去除PSG的硅片201正面生长氮化硅钝化层204，如图6。优选的，步骤109中的氮化硅薄膜的沉积工艺可以包括但不限于PECVD，氮化硅薄膜的厚度为50nm IOOnm0在步骤110中，对硅片201印刷铝背场205，二次对准丝网印刷前电极206，如图7。在步骤111中，对硅片201进行烧结，完成电池制备。需要指出的是，上述关于步骤101到步骤111的具体实施例方式仅为简单清楚描述本发明原理的示意性举例，并非对本发明作任何形式上的限制，尤其是一些可通过现有工艺实现的步骤。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。本领域普通技术人员显然可知，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明与现有技术相比具有以下明显的优点和有益效果:1、硅基纳米结构与传统的晶体硅结构相比，能够有效降低电池表面反射率，并有良好的陷光效果，提高对可见光和红外波段光的吸收利用；2、硅基纳米结构对太阳电池载流子传输方面有辅助效果，能减少载流子传输路径，提高载流子收集效率，增加光生电流密度；3、湿法腐蚀之前长氮化硅，保护了电池背面不受腐蚀，有利于铝背场接触，降低背面复合；
4、激光形成电极图案，再二次对准丝印电极，解决了超小绒面电池电极接触不良的问题；5、碱溶液腐蚀去损伤，有利于减少绒面电池的表面复合，提高电池效率。在工艺制备方面较其他工艺有如下实用优点:1、本发明采用湿法腐蚀制备绒面，有利于大规模生产，降低成本；2、本发明采用激光形成电极图案，再二次对准丝印电极，采用这种工艺具有产业化的潜力；3、制备的结构基本全采用硅基材料，原料充足，成本较低，且硅加工工艺相当成熟，有利于规模化生产的推广应用。综上所述，本发明为用于新型高效太阳电池的硅基纳米结构及其制备方法，在部分与现有太阳能电池制备工艺兼容的前提下，提出了创新结构，以提高晶硅太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。从而走向实用化，创造价值。本发明具有上述诸多的优点及实用价值，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，从而更加适于实用。虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或 者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
权利要求
1.一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，包括: 对硅片进行清洗； 在硅片背面生长单层氮化硅薄膜； 在硅片正面用湿法腐蚀，形成纳米超小绒面结构； 用浓酸加热处理娃片，去除娃片表面由于金属腐蚀完成后； 使用激光对硅片具有纳米超小绒面结构的一面进行刻蚀，刻出电极图形； 将硅片放入碱溶液煮，去除损伤； 再次对硅片进行清洗； 热扩散在硅片正面和背面制备PN结； 去除正面和背面的PSG，并在正面生长氮化硅钝化层； 在背面丝网印刷铝背场后，再利用二次对准丝网印刷前电极，使得印刷电极位置与前述激光刻出的图形对准；最终高温合金烧结完成电池制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对硅片进行清洗的步骤中，是使用浓H2SO4和双氧水混合加热沸腾对硅片进行清洗，然后分别用HF溶液和去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述在硅片背面生长单层氮化硅薄膜的步骤中，是采用PECVD方法实现的。
4.根据权利要求3所述的制备硅基纳 米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述单层氮化娃薄膜的厚度为200nm 400nm。
5.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述在硅片正面用湿法腐蚀形成纳米超小绒面结构的步骤中，是使用摩尔浓度为5-40%的氢氟酸和硝酸银的等比例混合液进行湿法腐蚀。
6.根据权利要求5所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀的腐蚀时间为10分钟 120分钟。
7.根据权利要求5所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述纳米超小绒面结构中纳米柱的长度为0.3 μ m 3 μ m。
8.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述用浓酸加热处理硅片去除剩余的金属的步骤中，是采用浓H2SO4和双氧水混合加热沸腾清洗，再用HF和去离子水清洗，并用氮气吹干。
9.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述使用激光对硅片具有纳米超小绒面结构的一面进行刻蚀的步骤中，刻蚀出的电极图案的深 I μ m ~ 10 μ m。
10.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述将硅片放入碱溶液煮的步骤中，所用的碱液为摩尔浓度为2-20%的NaOH溶液，时间为I分钟 5分钟。
11.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述再次对硅片进行清洗的步骤中，是使用去离子水对硅片进行清洗，并用氮气吹干。
12.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述热扩散制备PN结的步骤中，所用的磷源为P0C13。
13.根据权利要求12所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述热扩散制备PN结的温度600°C 800°C，时间为30分钟。
14.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述去除PSG生长氮化硅钝化层的步骤中，所用的溶液为摩尔浓度为2-5%的氢氟酸，温度为室温，时间为2分钟 5分钟。
15.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述去除PSG生长氮化硅钝化层的步骤中，生长氮化硅钝化层所使用的方法为PECVD。
16.根据权利要求15所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述生长氮化娃钝化层的厚度为50nm lOOnm。
17.根据权利要求1所述的制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，其特征在于，所述烧结完成电池制备的步 骤中，烧结温度为800°C，时间为5秒 20秒。
全文摘要
本发明公开了一种制备硅基纳米结构高效太阳电池的方法，包括对硅片进行清洗；在硅片背面上生长单层氮化硅薄膜；采用湿法腐蚀在硅片正面形成纳米超小绒面结构；浓酸加热处理硅片，去除剩余的金属；使用激光烧蚀的方法在硅绒面上刻蚀出电极图形；使用碱溶液处理硅片，去除硅片表面损伤；对硅片进行清洗；热扩散制备PN结；使用氢氟酸去除PSG；在硅片正面生长氮化硅钝化层；丝网印刷铝背场，二次对准丝印前电极；烧结完成电池制备。这种电池具有超低的发射率和高效陷光能力、能够有效降低载流子的表面复合同时具有良好的电极接触，可以有效提高电池的效率。
文档编号H01L31/18GK103236467SQ201310123498
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者贾锐, 张悦, 窦丙飞, 陈晨, 金智, 刘新宇 申请人:中国科学院微电子研究所