專利名稱：高效異質結電池的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以晶體硅材料為襯底的高效太陽能電池制造領域，特別是涉及到一種高效異質結電池的制備方法。
背景技術：
當前，基于P型或N型襯底的各種高效率光電轉換器件不斷涌現(xiàn)，尤其是以氫化非晶硅與單晶硅襯底所構建的異質結電池(HIT)因其出色的光電轉換效率而備受研究關注。較之傳統(tǒng)的高溫擴散結太陽電池，這種電池結構有以下三方面主要特征首先，HIT電池所涉及的P-N異質結構及其背面電場、載流子收集電極等均可以在低于200°C的情 形下完成，因此，由于低溫工藝要求它的熱能耗將大大降低，從而節(jié)省成本；其次，與現(xiàn)在擬廣泛推廣的選擇性發(fā)射極(SE)、鈍化發(fā)射極(PERC/PERL)等電池結構相比較，此種電池的制作工序幾乎最簡短，僅包括清洗制絨、非晶硅沉積、鍍TCO導電膜及絲網(wǎng)印刷等步驟，且可實現(xiàn)大于23%的電池效率；最后，電池的低溫制備可以避免高溫工藝對硅材料的熱損傷及極大降低電池翹曲，也就使得小于150 u m厚度的硅片被大規(guī)模采用成為現(xiàn)實，這也將有益于電池每瓦成本進一步降低。例如，圖I示意性地示出了基于傳統(tǒng)金字塔絨面的異質結電池的制備工藝的主要步驟的流程圖。不過，高效HIT電池的制備工藝雖然相對簡短，但為了取得最佳效率，卻對電池工藝的每一環(huán)節(jié)都有較高的要求，尤其是須在電池正表面獲得高質量的絨面陷光構造且同時要求背表面保持拋光狀。在當前的實際電池工藝中，表面陷光結構常是基于堿制絨工藝條件為主而產(chǎn)生的金字塔絨面，其絨面金字塔單體尺寸往往不均且分布較廣，使得襯底表面微缺陷密度極大增加，也就不利于非晶硅對其實施完好的鈍化，除此，通過傳統(tǒng)堿制絨工藝制備出金字塔絨面后，襯底表面反射率的降低也相對有限，大多僅達到12 14%(400-1 IOOnm)的有效反射率結果。故為了降低電池生產(chǎn)成本且增加其光電轉換效率，同時使得薄襯底材料成為可能，有必要在電池表面引入更加有效的微陷光機構從而促進電池對光的大幅吸收利用，而在襯底的預處理中通過實施特定的濕法處理即可在其表面獲得整齊有序的硅基納米線結構，具備此絨面的硅基表面其反射率可以降低至5% (400-1 IOOnm)以下，因此它可以大幅提高電池對光子的吸收利用。不過與傳統(tǒng)高效晶硅電池顯著不同的是，HIT電池對襯底的濕法處理要求近乎苛刻，因此需選擇匹配的納米線形貌制備及其后處理工藝才能將此優(yōu)勢陷光結構導入到電池的實際制作中。

發(fā)明內容
針對業(yè)界的上述需求，本發(fā)明旨在提出一套簡單易行的通過濕法化學路徑制備超低反射率納米線形貌絨面結構的工藝方法，并有針對性的解決該絨面結構應用在異質結太陽電池上時所存在的表面污染問題，從而結合絨面制備闡述此種電池的制作工藝。具體地，本發(fā)明提供了一種高效異質結電池的制備方法，包括a.對硅片進行清洗；b.對所述硅片的兩個表面進行拋光處理，使所述兩個表面獲得拋光形貌；c.將抗化學液腐蝕滲透的用于單面制絨時的掩膜貼附于經(jīng)拋光處理的所述兩個表面之一上；d.對帶有掩膜的硅片進行納米線結構制備，以使暴露在外的表面獲得納米線結構形貌而帶有掩膜的表面保持所述拋光形貌；e.對帶有所述納米線結構形貌的硅片進行預清潔處理；f.通過干法反應離子刻蝕的途徑對具有納米線結構形貌的表面作微刻蝕處理；g.用化學清洗液進一步除去在硅片的表面上殘留的銀粒子且對硅片進行脫水；h.剝離所述掩膜后對具備納米線結構形貌的硅片實施針對性的后清洗處理；以及i.在經(jīng)清潔的所述硅片上進行異質結電池制作。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟a進一步包括將所述硅片置于丙酮和異丙醇中交替進行超聲波洗滌；以及將經(jīng)超聲波洗滌的硅片置于按預定比例混合的氨水和雙氧水的混合液中進行洗滌。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟b進一步包括用預定濃度配比的堿液對所述硅片的表面進行拋光處理，以去除所述表面上的機械損傷層。
較佳地，在上述的制備方法中，所述掩膜為酚醛樹脂薄膜。較佳地，在上述的制備方法中，在所述步驟d中，所述納米線結構制備在一清洗機中進行，且所述清洗機中具有預定配比的硝酸銀和氫氟酸溶液。 較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟e進一步包括將帶有所述納米線結構形貌的硅片置于濃硝酸中浸潰；再用去離子水進行洗滌；以及將經(jīng)洗滌的硅片置于預定配比的氨水和四甲基銨混合液中，并以氧氣鼓泡方式進行洗滌。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟f 進一步包括利用含有氟或硫的離子氣氛在低功率密度下對所述具有納米線結構形貌的表面作微刻蝕處理。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟g進一步包括用硫代硫酸鈉和異丙醇的混合液脫去所述硅片的表面上殘留的銀粒子；以及在氫氟酸中進行脫水。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟h中的清潔所述硅片的步驟進一步包括將剝離掩膜后的娃片置于氫氟酸和硝酸的混合液中浸潰一預定時間；氫氟酸或鹽酸浸泡；水洗后將所述硅片轉移到濃硫酸和雙氧水混合液中；以及RCA清洗所述硅片表面。較佳地，在上述的制備方法中，所述步驟i進一步包括將經(jīng)清潔的所述硅片浸泡于預定濃度的氫氟酸溶液；經(jīng)浸泡后的硅片轉移到等離子體增強化學汽相沉積腔室進行低溫i/p層及i/n層沉積；在經(jīng)沉積的硅片的非晶硅層上沉積預定厚度的透明導電氧化物薄膜；以及在所述硅片的兩個表面上絲網(wǎng)印刷載流子收集電極并蒸鍍鋁導電薄膜。本發(fā)明不僅可通過制備硅基納米線絨面形貌以大大降低電池表面對光吸收的反射損失，還針對該絨面結構提出了較有效的干濕法相結合的化學后處理工藝，解決了因絨面結構及雜質銀粒子等引起的清洗難題，故在獲取并保持襯底良好表面光學性能前提下，經(jīng)濟有效的完成了硅基納米線形貌異質結電池的制備。應當理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權利要求所述的本發(fā)明提供進一步的解釋。


包括附圖是為提供對本發(fā)明進一步的理解，它們被收錄并構成本申請的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與本說明書一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖中
圖I示意性地示出了基于傳統(tǒng)金字塔絨面的異質結電池的制備工藝的主要步驟的流程圖。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的高效異質結電池的制備方法的主要步驟的流程圖。圖3示意性地示出了本發(fā)明所針對的高效異質結電池的一般結構圖。附圖標記說明I. N型晶硅襯底；2.本征非晶硅層；3.本征非晶硅層；
4.納米線絨面；5. P型非晶硅層；6. N型非晶硅層；7. ITO透明導電膜；8. AZO透明導電膜；9.蒸鍍鋁；10.銀柵線電極。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參考附圖描述本發(fā)明的實施例。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的高效異質結電池的制備方法的主要步驟的流程圖。該高效異質結電池的結構例如如圖3所示。參考圖2，，本發(fā)明的高效異質結電池的制備方法200的主要步驟包括步驟201 對硅片進行清洗；步驟202 :對所述硅片的兩個表面進行拋光處理，使所述兩個表面獲得拋光形貌；步驟203 :將抗化學液腐蝕滲透的用于單面制絨的掩膜貼附于經(jīng)拋光處理的所述兩個表面之一上；步驟204 :對帶有掩膜的硅片進行納米線結構制備，以使暴露在外的表面獲得納米線結構形貌而帶有掩膜的表面保持所述拋光形貌，例如類陣列納米線形貌的絨面；步驟205 :對帶有所述納米線結構形貌的硅片進行預清潔處理；步驟206 :通過干法反應離子刻蝕的途徑對具有納米線結構形貌的表面作微刻蝕處理；步驟207 :用化學清洗液進一步除去在硅片的表面上殘留的銀粒子且對硅片進行脫水；步驟208 :剝離所述掩膜后對具備納米線結構形貌的硅片實施針對性的后清洗處理；以及步驟209 :在經(jīng)清潔的所述硅片上進行異質結電池制作。特別是，根據(jù)本發(fā)明，上述的步驟201可以進一步包括以下幾個步驟將所述硅片置于丙酮和異丙醇中交替進行超聲波洗滌；以及將經(jīng)超聲波洗滌的硅片置于按預定比例混合的氨水和雙氧水的混合液中進行洗滌。其中，超聲洗滌旨在除去大顆粒有機污染，而氨水和雙氧水的混合液的洗滌可以進一步脫去小分子的有機及無機污染。工藝條件方面，比如，根據(jù)一個優(yōu)選實施例，上述超聲洗滌的步驟的持續(xù)時間可以是5-15分鐘，且洗滌溫度可以是室溫。此外，根據(jù)另一優(yōu)選實施例，上述的氨水和雙氧水的混合液的洗滌可以采用配比為3 : I : 1-8 : I : I的DI+NH40H+H202溶液以洗去表面附著的小分子顆粒及無機粒子，且洗滌溫度為60-90°C，時長5-20分鐘，純水洗滌后在I. Owt % -10. Owt %的HF溶液中浸潰1-5分鐘。 接著，步驟202可以更具體地包括用預定濃度配比的堿液對所述硅片的表面進行拋光處理，以去除所述表面上的機械損傷層。這樣，硅片兩表面應能呈現(xiàn)出一定的拋光狀。較佳地，在上述的步驟202中，該堿液可以選擇濃度為IOwt % _48￥七％的NaOH或KOH溶液。拋光處理可以在70-90°C之間的溫度下進行。此外，需要達到的硅片厚度也可以有一定選擇，比如刻蝕量可以在10-45 之間，該參數(shù)具體以硅片是否略呈拋光狀為準。在步驟203中，掩膜可使用耐高溫與酸堿腐蝕的酚醛樹脂薄膜。此外，該步驟203還優(yōu)選借助已知的真空自動貼膜設備完成在硅片的一個拋光表面上的單面貼膜，這樣在完成相關工藝后可較方便地自動剝離或者手工剝去該掩膜。在本發(fā)明中，該掩膜主要是用于防止單面制絨時化學液的滲透。另一方面，步驟204中需要用到的清洗機中優(yōu)選具有預定配比的硝酸銀和氫氟酸溶液，該溶液用以對硅片進行清潔。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，納米線絨面的制備工藝可在槽式設備中實現(xiàn)，并可以選擇濃度為0. 005-0. lmol/L的AgNO3溶液與I. 0-1 OmoI/L的HF溶液在室溫下按照體積比為I : 1-1 5的比例混合。因絨面形貌的要求，制絨工藝時間可以控制在10-60分鐘。因此，貼膜保護面能夠免于相關化學反應的影響。預清潔處理步驟205可以進一步包括以下幾個步驟先將帶有保護膜的制絨硅片在濃硝酸中浸潰洗滌以除去大量表觀銀顆粒；去離子水洗滌后再將其置入到一定配比的氨水及四甲基銨混合液中，氧氣鼓泡洗滌一定時間。作為一個示例，該預清潔處理的工藝條件可以選擇在室溫下將制絨后硅片在65-69wt%的濃硝酸溶液里靜置3-15分鐘；然后，將之轉移到體積比為I : 1-5 I的NH4OH (濃度一般為3.0% -10. 0 % )與TMAH (濃度一般為I. 0 % -5. 0 % )的混合液中，通入高純氧鼓泡浸泡15-45分鐘。此外，反應離子刻蝕步驟206可以進一步包括以下步驟利用含有氟或硫的離子氣氛在低功率密度下對所述絨面的表面進行刻蝕，以進一步消除微結構夾雜的外來物尤其是小尺寸銀粒子。特別是，該反應離子刻蝕可以是在直流等離子體或微波等離子體條件下選擇刻蝕反應氣體為SF6+02或CF4+02，控制反應功率密度使得反應速率低于0. 5 i! m/分鐘，時間則不超過45s。為了盡可能消除表面粒子殘留對電池可能的影響，步驟207可以進一步包括用硫代硫酸鈉和異丙醇的混合液脫去所述硅片的表面上殘留的銀粒子；以及在氫氟酸中進行脫水。較佳地，可選擇使用體積比為I : 1-1 5的Na2S2O3(濃度0. l-1.0mol/L)與異丙醇混合液，處理時間為15-60分鐘。接著，執(zhí)行剝離掩膜的步驟。例如，如上所述，該掩膜可以方便地被自動剝離或手工剝離。在剝離掩膜之后，在步驟208中清潔硅片。具體地，該清潔步驟可以包括將剝離掩膜后的娃片置于氫氟酸和硝酸的混合液中浸潰一預定時間；氫氟酸或鹽酸浸泡以脫去表面氧化層；水洗后將所述硅片轉移到濃硫酸和雙氧水混合液中；并且RCA清洗所述硅片表面，以獲得高潔凈度。其中，RCA清洗是1965年由Kern和Puotinen等人在N. J. Princeton的RCA實驗室首創(chuàng)的，并由此而得名。RCA清洗是一種典型的、至今仍為最普遍使用的濕式化學清洗法。較佳地，在該步驟208中，在HF(1. Owt% -10. Owt% )+HN03(55wt% -65wt% )的溶液中刻蝕 30s-120s ；HF(1. Owt % -10. Owt % )+HCl (I. Owt % -5. Owt % )溶液中浸潰 2分鐘-5分鐘；然后于80-100°C條件下在體積比為I : 1-1 : 6的H2O2 (濃度30% )與濃H2SO4混合液中氧化處理10-30分鐘；最后的標準RCA清洗分別經(jīng)過4 :1:1-7:1:1的 DI+NH40H+H202 溶液及 5 :1:1-8:1: I 的 DI+HC1+H202 溶液，處理溫度為 60-80°C，時間均控制在10-20分鐘，至此完成對納米線形貌的硅基襯底的電池制作前清洗。最后，較佳地，異質結電池制作的步驟209可以進一步包括將經(jīng)清潔的所述硅片浸泡于預定濃度的氫氟酸溶液；經(jīng)浸泡后的硅片轉移到等離子體增強化學汽相沉積腔室進行低溫i/p層及i/n層沉積；在經(jīng)沉積的硅片的非晶硅層上沉積預定厚度的透明導電氧化物薄膜；以及在所述硅片的兩個表面上絲網(wǎng)印刷載流子收集電極并蒸鍍鋁導電薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例，在上述的工藝中，i/p層及i/n層的制作要求溫度低于250°C，在低反應功率密度與小氣體流量下進行，單層厚度均控制在3-15nm以內；然后，通過磁控濺射或原子層沉積在i/p層及i/n層上沉積80-200nm的ITO或AZO作透明導電極，工藝溫度需低于250°C ;最后，在上下TCO薄膜上絲網(wǎng)印刷銀柵線電極及低溫蒸鍍一定厚度的Al導電膜而完成電池制作。綜上所述，與傳統(tǒng)采用的用于晶硅襯底的清洗制絨工藝相比，本發(fā)明不僅可以通過制備硅基納米線絨面形貌以大大降低電池表面對光吸收的反射損失，還針對該絨面結構提出了較有效的干濕法相結合的化學后處理工藝，解決了因絨面結構及雜質銀粒子等引起的清洗難題，故在獲取并保持襯底良好表面光學性能前提下，經(jīng)濟有效的完成了硅基納米線形貌異質結電池的制備。除此，該工藝的實施可與產(chǎn)線設備結合使用，無需額外增加相關設備，從而降低工藝成本。本領域技術人員可顯見，可對本發(fā)明的上述示例性實施例進行各種修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權利要求書及其等效技術方案范圍內的對本發(fā)明的修改和變型。
權利要求
1.一種高效異質結電池的制備方法，包括 a.對硅片進行清洗； b.對所述硅片的兩個表面進行拋光處理，使所述兩個表面獲得拋光形貌； c.將抗化學液腐蝕滲透的用于單面制絨的掩膜貼附于經(jīng)拋光處理的所述兩個表面之一上; d.對帶有掩膜的硅片進行納米線結構制備，以使暴露在外的拋光面在制絨后獲得納米線結構形貌而帶有掩膜的表面保持所述拋光形貌； e.對帶有所述納米線結構的硅片進行預清潔處理； f.通過干法反應離子刻蝕的途徑對所述絨面作微刻蝕處理； g.選擇恰當?shù)幕瘜W清洗液進一步除去在硅片表面殘留的銀粒子且對硅片進行脫水； h.剝離所述掩膜后對具備納米線構造的硅片實施針對性的后清洗處理；以及 i.在經(jīng)清潔的所述硅片上進行異質結電池制作。
2.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a進一步包括 將所述硅片置于丙酮和異丙醇中交替進行超聲波洗滌；以及 將經(jīng)超聲波洗滌的硅片置于按預定比例混合的氨水和雙氧水的混合液中進行洗滌。
3.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟b進一步包括 用預定濃度配比的堿液對所述硅片的表面進行拋光處理，以去除所述表面上的機械損傷層。
4.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述掩膜為酚醛樹脂薄膜。
5.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟d中，所述納米線結構制備在一清洗機中進行，且所述清洗機中具有預定配比的硝酸銀和氫氟酸溶液。
6.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟e進一步包括 將經(jīng)所述納米線結構制備的硅片置于濃硝酸中浸潰； 再用去離子水進行洗滌；以及 將經(jīng)洗滌的硅片置于預定配比的氨水和四甲基銨混合液中，并以氧氣鼓泡方式進行洗滌。
7.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟f 進一步包括 利用含有氟或硫的離子氣氛在低功率密度下對所述絨面的表面進行刻蝕。
8.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟g進一步包括 用硫代硫酸鈉和異丙醇的混合液脫去所述硅片的表面上殘留的銀粒子；以及 在氫氟酸中進行脫水。
9.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟h中的清潔所述硅片的步驟進一步包括 將剝離掩膜后的娃片置于氫氟酸和硝酸的混合液中浸潰一預定時間； 氫氟酸或鹽酸浸泡； 水洗后將所述硅片轉移到濃硫酸和雙氧水混合液中；以及 RCA清洗所述硅片表面。
10.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟i進一步包括 將經(jīng)清潔的所述硅片浸泡于預定濃度的氫氟酸溶液；經(jīng)浸泡后的硅片轉移到等離子體增強化學汽相沉積腔室進行低溫i/p層及i/n層沉 積； 在經(jīng)沉積的硅片的非晶硅層上沉積預定厚度的透明導電氧化物薄膜；以及在所述硅片的兩個表面上絲網(wǎng)印刷載流子收集電極并蒸鍍鋁導電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效異質結電池的制備方法，包括對硅片進行清洗；對所述硅片的兩個表面進行拋光處理，使所述兩個表面獲得拋光形貌；將用于單面制絨的且防止化學液腐蝕滲透的掩膜貼附于經(jīng)拋光處理的所述兩個表面之一上；對帶有掩膜的硅片進行濕法化學納米線結構制備，以此在其中一拋光面上獲得納米線陣列結構的絨面形貌且另一貼膜保護面保持原來的拋光形貌；對制得的納米線結構進行清洗前預處理；通過反應離子干法刻蝕對所述絨面表面作微腐蝕清潔處理；選擇恰當?shù)幕瘜W清洗液進一步除去在硅片表面殘留的銀粒子；剝離所述掩膜后對具備納米線構造的硅片實施針對性的后清洗處理；清洗結束后在所述硅片上開始異質結太陽電池的制備。本發(fā)明可大大降低電池表面對光吸收的反射損失，并解決因絨面結構及雜質銀粒子等引起的清洗難題。
文檔編號H01L31/20GK102779907SQ201210288450
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權日2012年8月14日
發(fā)明者王棟良 申請人:常州天合光能有限公司