專利名稱：層轉(zhuǎn)移太陽能電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能電池的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，為降低太陽能發(fā)電成本，人們已經(jīng)認識到，薄膜太陽能電池板可以降低每瓦峰值功率的成本。因為它原材料的使用量少，制造面板的尺寸適應(yīng)性比晶圓好。某些成本較低的電池板是由CaTe和銅銦鎵硒)和非晶硅(α-Si)制成的。然而，對這種系統(tǒng)的擁有成本實際上是較高的，因為(1)由于屋頂空間的限制，低效率意味著更高的安裝成本和緩慢的投資回報；(2)更短的壽命；C3)尚未證實的效率和不穩(wěn)定性。因此，在低成本條件下，它們?nèi)匀皇遣怀墒斓募夹g(shù)，能提高效率和可靠性的問題非常值得懷疑。一個完善的薄膜太陽能電池制作工藝是和高清晰度液晶使用的顯示技術(shù)相同的。 典型的等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝是用來在玻璃基板上沉積小于1微米厚的非晶硅。然而，由于高密度缺陷和層厚薄問題，非晶硅太陽能電池的效率是很低的。由于 Maebler-Wronski效應(yīng)，非晶硅太陽能電池板一旦暴露在光線下，導(dǎo)電性能就會顯著衰退。 薄膜電池的另一個主要問題是膜層生長速度緩慢。通常的制造工藝像PECVD，物理氣相沉積 (PVD)，噴涂/濺射技術(shù)，其生長率小于lnm/sec，生長1微米厚的膜層需要超過16分鐘，還需要另外五個小時的500°C退火以消除殘余的氫。因此大規(guī)模太陽能電池板的生產(chǎn)，需要高成品率的工藝，但它們成本高又費時。雖然制造薄膜太陽能電池能的硅使用量少，減少了對硅的依賴，從而降低成本，但都有低效率和壽命不確定的問題。過去三十年中已經(jīng)開發(fā)的各種高效率硅太陽能電池，有以下各優(yōu)勢及特點1、大于10微米的芯片能有效地收集光子2、具有捕光陷阱結(jié)構(gòu)表面絨面處理高反射性的背電極3、表面鈍化降低了表面復(fù)合速率4、金屬下的少數(shù)載流子的反射結(jié)構(gòu)5、基體復(fù)合率低，晶粒尺寸大，硅材料純度高6、高溫吸除雜質(zhì)工藝(> 900°C )磷擴散鋁接觸太陽能電池行業(yè)的發(fā)展趨勢是使用更薄更大的晶圓。人們普遍認識到，只有一小部分晶圓應(yīng)用到光電上，比如發(fā)電。制造高效率的硅薄膜太陽能電池板需要更厚的硅薄膜層。一個25微米厚的硅薄膜只能吸收80%的帶間太陽能，而50微米厚的則達到了 90%。 在這些厚度范圍內(nèi)高效率硅太陽能電池已被證實。制造這樣的薄晶圓是不切實際的，且加工設(shè)備難以控制。此外，相較在鑄錠、切割和拋光過程中的損失，硅成本的節(jié)省并不顯著。
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常見的一種電池制造方法是硅在襯底上生長，但目前還沒有合適的基板材料可完全滿足這些嚴格的要求成本低，純度高，熱膨脹系數(shù)與硅相匹配，晶圓加工過程中機械穩(wěn)定性高等。另一種制造高效太陽能電池的方法是利用層轉(zhuǎn)移技術(shù)，而最有潛力的技術(shù)之一是布倫德爾引入的多孔硅(PSI)制造技術(shù)。通過電化學(xué)腐蝕在晶體硅表面生成兩層多孔硅。 頂部和底部的孔率約分別為20%和50%。在氫氣氣氛下，頂層的孔在高溫退火過程中被封閉，然后生長外延層作為活性層。太陽能電池就在該活性層上生成并與廉價的襯底結(jié)合。最后通過破壞高孔率的多孔層的接合，將硅襯底與活性層分開。襯底的再利用，大大節(jié)省了太陽能電池板的成本(通常硅片大約占了其中的50% )。由于PSI工藝的成品率比較低，通常為30%左右，節(jié)省成本的目的并沒有實現(xiàn)，而最主要是因其狹隘的工藝窗口的限制。在電池制造過程中，活性層需要有良好的粘附力，而后又很容易剝離。陽極蝕刻工藝的不均勻性將進一步縮小工藝窗口，反之提高蝕刻的均勻性則能使成品率從33%增加至65%。此外，PSI的工藝過程破壞表面絨面，損耗襯底，產(chǎn)生微裂紋，從而進一步降低產(chǎn)量，在每一個PSI太陽能電池的工藝中，拋光和刻蝕工序都需要相當(dāng)大的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種高成品率的太陽能電池的制造方法，解決PSI工藝的缺陷， 顯著改善剝離工藝窗口，簡化太陽能電池的處理步驟。為達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種太陽能電池的制造方法，包括層轉(zhuǎn)移過程，其層轉(zhuǎn)移過程包含表面處理、硅沉積、太陽能電池制造、載體接合、剝離工序、基材再利用，犧牲層在可重復(fù)使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣襯墊是由犧牲層材料制成。犧牲層具結(jié)構(gòu)特點為中間物質(zhì)結(jié)構(gòu)薄弱，圍繞在基板邊緣的接合材料牢固。其中剝離過程包括太陽能電池與載體的接合以及支承沉積層在基板上的接合點的剝離。工序流程包括電池工藝后在晶圓上的接合；擇優(yōu)濕蝕刻接合點；使用機械力和/ 或化學(xué)輔助刻蝕進行剝離；清洗和再利用。通過陽極蝕刻在層轉(zhuǎn)移過程中制造多孔硅層。硅沉積層的厚度為10-150微米。采用等離子噴涂沉積犧牲層。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以顯著改善剝離工藝窗口，簡化了太陽能電池的處理步驟，降低太陽能電池的制造成本。


下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1層轉(zhuǎn)移流程圖；圖2襯底上的薄硅層結(jié)構(gòu)；圖3剝離過程(a)電池工藝后在晶圓上的接合；(b)擇優(yōu)濕蝕刻接合點；(C)使用機械力和/或化學(xué)輔助刻蝕進行剝離；(d)清洗和再利用；圖4改進PSI工藝中對接合層轉(zhuǎn)移接合點的使用(a)硅基材接合點覆蓋；(b)接合點和陽極蝕刻生成于底部一層致密多孔硅多孔層的頂部和非常層層；(C)硅層厚度 10-150微米的沉積；(d)太陽能電池的加工，附著在載體上和擇優(yōu)腐蝕移除接合點；(e)剝離與機械力和/或化學(xué)蝕刻；圖5背接觸層轉(zhuǎn)移技術(shù)太陽能電池的過程(a)PN結(jié)和數(shù)字手指間形成的頂部硅層的沉積；(b)太陽能電池附著在載體；(c)剝離過程；和(d)清洗步驟；圖6等離子噴涂系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式硅晶片與傳統(tǒng)的高溫工藝是兼容的。該層高純度和高結(jié)晶度。層轉(zhuǎn)移過程流程圖如圖1所示。它包括表面前處理，層轉(zhuǎn)移過程包括表面處理，硅沉積，太陽能電池制造，載體接合，剝離，基材再利用步驟。發(fā)明的基礎(chǔ)是基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)如圖2所示。犧牲層在一個可重復(fù)使用的基板上沉積。 具有高強度，低雜質(zhì)含量的高溫金屬材料是理想的襯底。制作一定數(shù)量的結(jié)合點，結(jié)合點下沒有犧牲材料，襯墊是由犧牲層材料制成的。一個硅層厚度為10-50微米的墊和多孔層的沉積。基板必須在達到1400度時具有高度的機械穩(wěn)定性，且具備高純度以免雜質(zhì)擴散進入活性層而污染沉積層。電子級硅片是一種很好的基板，它具有與硅沉積層相同的線性熱膨脹系數(shù)。因此，它是一種滿足高效率太陽能電池高溫制造工藝需要的理想候選材料。硅晶片作為機械支持的基板；不必成為太陽能電池的一部分，基板的再利用大大節(jié)省了太陽能電池板的成本。犧牲層是由一個結(jié)構(gòu)薄弱的中間物質(zhì)和圍繞在基板邊緣作為粘合邊的堅固材料構(gòu)成的。這些物質(zhì)即使在隨后的高溫(高達1200度)工序下也能保持它們的性能。硅層沉積在犧牲層上并由它支持，襯底和邊緣之間的強接合力使膜層不會被剝離。帶有一層犧牲層與硅沉積層的基板，看起來就像一個普通的硅片，可以采用傳統(tǒng)的太陽能電池工藝制造加工，而吸收之前提及的所有的優(yōu)點。剝離工序流程如圖3所示。電池制作完成后，基板首先與太陽能電池接合，如圖 3(a)所示，它可以是剛性或柔性的，不透明或透明的，一種低成本材料如常規(guī)玻璃，塑料， 鋁，鋼，銅等。接合邊材料會通過HF清洗，擇優(yōu)腐蝕去除，如圖3所示(b)項。若該接合點是二氧化硅制成的，可利用氫氟酸優(yōu)先刻蝕。該犧牲層的其余部分為弱結(jié)合，可以方便地通過機械力/超聲波去除，如圖3(c)。HF清洗后，如圖3所示步驟(d)項，接合在載體上的太陽能電池為鈍化層的形成和電極成型做準備。在背接觸電池制造過程中，沒有電極成形的步驟?；蹇梢灾貜?fù)使用，如圖1所示。得到開發(fā)的一種材料是多孔材料，在半導(dǎo)體電子行業(yè)中，其介電常數(shù)低，但該材料層易破裂，附著力差。1200度下，它們將變致密甚至燒穿。硅，氧化硅和氮化硅，氧化鋁，碳化硅，通常在這樣高溫下使用，可以做成多孔結(jié)構(gòu)的犧牲層。如前所述，陽極蝕刻通常用于層轉(zhuǎn)移過程中制造多孔硅層。然而為兼顧犧牲層的堅固性和太陽能電池的工藝需要，PSI工藝的成品率并不盡如人意。在本發(fā)明，接合點這一概念的使用將大大提高工藝窗口的結(jié)構(gòu)，滿足太陽能電池的處理步驟，輕松地實現(xiàn)剝離。該工藝流程見圖4。
在硅襯底上沉積一定數(shù)量的接合點(圖4(a))，然后以基板邊緣為樣板(圖 4(b))。通過陽極蝕刻生成兩個多孔硅層。通過改變電流使頂層的密度比底部的大些，常規(guī) PSI過程中，頂層和底層孔隙度分別為20%和50%。使用鍵合點的再保護下在隨后的剝離過程，新工藝可達到一個相當(dāng)高的孔隙率(80% )。隨后在800-1200°C下氫氣氣氛中將硅片退火，表面孔會被封畢，保留完好無損的高孔率的多孔層。10至150微米硅沉積層將如圖 4(c)。這可以是一種常規(guī)的硅外延沉積方式，比如用常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)。在高于 1100°C溫度下，這種沉積是一種化學(xué)遷移機制，具有非常高的沉積速率(1至6微米/分)。 PN結(jié)也可以用這種沉積方式形成，省略了擴散過程，從而節(jié)省了制造成本。晶圓可以跟普通的晶片一樣經(jīng)受太陽能電池制造過程。剝離過程包括太陽能電池與載體的鍵合以及支承沉積層在基板上的鍵合點的剝離，如圖4(d)。最后，高孔率的多孔層可以用機械力和/或化學(xué)蝕刻破壞。且由于高孔隙率的犧牲層的使用，不必擔(dān)心硅薄膜分層，剝離過程中可以更輕松。直接地轉(zhuǎn)換得出，每個基板有更高的晶圓成品率。我們可以用一個背接觸太陽能電池的制作過程舉例，如圖5所示。該電極和PN結(jié)在硅沉積層上形成。然后如前將載體接合在太陽能電池。然而，太陽能電池僅吸收多孔層尺寸大小的光子，因此載體和粘合劑樹脂不必透明。載體可以是柔性的，比如塑料，只要它提供足夠的支持力。接下來的剝離工序與上述相同，只是鈍化后需要一步剝離過程，太陽能電池可以安裝成普通電池組建進行檢測。透明載體設(shè)計用于照明有額外安裝模塊的步驟， 使用背接觸法則不需要，圖3，從而減少太陽能電池組件過程中額外的費用。使用背面光照法，簡單地改變沉積或擴散過程的順序(從P — η到η — P)是可行的。另一種更為普遍的方法是在薄膜上等離子噴涂，生成多孔層。等離子噴涂系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。這種系統(tǒng)已被廣泛使用在許多鍍膜系統(tǒng)上。它們非常適合用來沉積犧牲層。人們可以通過控制電源，氣體流量，噴嘴與晶圓距離，粉體的材料和尺寸，基板溫度和冷卻氣體流量等，來改變附著力和機械強度7。制造弱附著力又有一定機械強度的膜層，首要原則是需要降低功率、氣體流量，增加距離，使用小尺寸粉末，冷基板。有許多種物質(zhì)可作為減反層材料，如硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅層等，多孔硅作為晶體生長的種子具有額外優(yōu)勢。要生成一個能承受高溫外延生長過程(> 1200°C)的硅層，可以在硅粉末顆粒之間引入硅的氧化物。原生氧化層和孔隙可以保持多孔硅層的致密化和再結(jié)晶。人們已經(jīng)證實多孔層達到1300°C不會致密化。因此，該薄膜的附著力和機械強度在隨后的高溫過程中，如硅外延生長，依然很薄弱。此外，較大的硅粉體在噴涂過程中并沒有完全融化。這種鱗片在涂層中仍然保持晶形，而作為在隨后的硅沉積過程中的種子。等離子噴涂法過程中不會導(dǎo)致硅襯底的損耗，從而省略了在PSI流程中的表面處理步驟。為免去每個晶圓必需的毛化處理，最好借助噴涂工藝。眾所周知，晶體硅倒金字塔結(jié)構(gòu)是一種非常有效的光陷阱。人們可以利用等離子噴涂技術(shù)來沉積非常薄的(< 1微米)多孔層。晶圓結(jié)構(gòu)如圖6所示，硅晶片作為基板，硅襯底上蝕刻倒金字塔絨面，薄多孔層則作為犧牲層表面。制作很薄的多孔層是非常困難的，最常見的如玻璃鉆孔多孔層具有非常小的10納米級別的孔隙。如此大的表面積大大改變了材料的性能，其熔點比原板低得多，因此它們在高溫下會致密化。傳統(tǒng)等離子噴涂法不適用的兩個原因之一(一)粒度非常小的粒子純度很難滿足太陽能電池工藝的需要；(二)亞微米顆粒粉體流動性不能很好地滿足噴涂的要求。
等離子噴涂和膠體二氧化硅溶液的使用將達到在蝕刻薄硅片襯底上生成干凈、熱穩(wěn)定的薄多孔層的目的。用霧化器將液態(tài)前驅(qū)體送入等離子槍中，完成納米粉體材料的合成和沉積。當(dāng)膠體二氧化硅送入到等離子槍中，就被蒸發(fā)飛濺，而液滴中的硅納米顆粒將被燒結(jié)形成更大的粒子，膠體硅微粒的尺寸在20nm的級別。通過控制液滴的大小和濃度，可以噴涂粒徑小于100納米的硅微粒，形成一層多孔涂層。該尺寸下的硅粒子在1300°C下是穩(wěn)定的。此外，膠體二氧化硅含雜質(zhì)小于Ippm的比太陽能級硅片更好。薄多孔層作為犧牲層的使用，使人們有可能轉(zhuǎn)移的增長硅層上的結(jié)構(gòu)。在層轉(zhuǎn)移流程周期后，絨面層不會被破壞，與PSI流程順序相反。硅生長，電池加工和剝離過程與先前的非常相似。
權(quán)利要求
1.一種層轉(zhuǎn)移太陽能電池的制造方法，包括層轉(zhuǎn)移過程，所述的層轉(zhuǎn)移過程包含表面處理、硅沉積、太陽能電池制造、載體接合、剝離工序、基材再利用，其特征在于犧牲層在可重復(fù)使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣的襯墊是由犧牲層材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于犧牲層具結(jié)構(gòu)特點為中間物質(zhì)結(jié)構(gòu)薄弱，圍繞在基板邊緣的接合材料牢固。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于剝離過程包括太陽能電池與載體的接合以及支承沉積層在基板上的接合襯墊的剝離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于剝離工序流程包括電池工藝后襯墊在晶圓上的接合；擇優(yōu)濕蝕刻接合點；使用機械力和/或化學(xué)輔助刻蝕進行剝離；清洗和再利用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于通過陽極蝕刻在層轉(zhuǎn)移過程中制造多孔硅層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于硅沉積層的厚度為 10-150 微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池的制造方法，其特征在于采用等離子噴涂沉積犧牲層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種層轉(zhuǎn)移太陽能電池的制造方法，包括層轉(zhuǎn)移過程，其層轉(zhuǎn)移過程包含表面處理、硅沉積、太陽能電池制造、載體接合、剝離工序、基材再利用，犧牲層在可重復(fù)使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣襯墊是由犧牲層材料制成；犧牲層是由一個結(jié)構(gòu)薄弱的中間物質(zhì)和圍繞在基板邊緣的作為粘合邊的牢固材料構(gòu)成。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，顯著改善剝離工藝窗口，簡化了太陽能電池的處理步驟，降低太陽能電池的制造成本。
文檔編號H01L31/18GK102231408SQ201110184948
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者李成敏 申請人:無錫成敏光伏技術(shù)咨詢有限公司