專利名稱：硅片太陽(yáng)電池制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能電池制作技術(shù)，尤其涉及一種低成本、高效率、大功率，大面積的硅片太陽(yáng)電池制作方法，屬于太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
晶體硅片太陽(yáng)能電池產(chǎn)量和銷售量，在過(guò)去的二十年時(shí)間內(nèi)獲得指數(shù)式增長(zhǎng)的基礎(chǔ)是晶體硅片太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展、生產(chǎn)成本的持續(xù)降低。
在現(xiàn)有的科技雜志和世界各國(guó)的專利文獻(xiàn)中，有關(guān)晶體太陽(yáng)電池的工藝報(bào)道很多，仔細(xì)分析，不盡相同，每種專門的工藝過(guò)程都具有自身的特點(diǎn)和得以支撐的技術(shù)裝備背景及適用范圍，絕大部分報(bào)道的是單項(xiàng)工藝過(guò)程的研究。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，James Amick，Princeton，N.J.等申請(qǐng)的美國(guó)專利“太陽(yáng)電池及制作方法”，專利申請(qǐng)?zhí)朥S005320684A，該專利背面用絲網(wǎng)印帶小窗口的鋁漿作背電極，鋁漿小窗口處先印上比鋁漿小窗口略為大一點(diǎn)的銀漿焊腳，靠近正面的PN結(jié)結(jié)深為0.5μm，該專利解決了背面的歐姆電極接觸、鋁背場(chǎng)和適合引出電極焊結(jié)的焊腳設(shè)計(jì)及具體的工藝實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)沒有考慮到鋁漿小窗口處印刷純銀漿所帶來(lái)的對(duì)鋁背場(chǎng)的影響。鋁漿小窗口處也沒有實(shí)現(xiàn)背面二價(jià)鋁對(duì)五價(jià)磷的補(bǔ)償作用。另外，該技術(shù)也沒有考慮到，在燒穿氮化硅薄膜工藝中，正面的PN結(jié)需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效低成本大面積硅片太陽(yáng)電池制作方法，使其將各項(xiàng)工藝有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)，獲得了適合國(guó)產(chǎn)工藝裝備的規(guī)格和要求的生產(chǎn)過(guò)程的方法，簡(jiǎn)化了太陽(yáng)電池工藝、降低了成本，為硅片太陽(yáng)電池生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化及硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品走向世界奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明硅片太陽(yáng)電池制作方法按工藝線的生產(chǎn)順序分為如下六個(gè)步驟前道化學(xué)預(yù)處理；半導(dǎo)體PN結(jié)的制作；電感偶合等離子(ICP)刻蝕周邊；淀積氮化硅薄膜；絲網(wǎng)印刷正、背面電極；正、背面電極金屬化及氮化硅薄膜燒穿。鋁漿小窗口處印刷采用銀鋁漿，保證了小窗口也同樣獲得鋁背場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了鋁漿小窗口處的三價(jià)鋁對(duì)五價(jià)磷的補(bǔ)償作用。同時(shí)本發(fā)明也對(duì)燒穿氮化硅薄膜工藝中的硅電池正面PN結(jié)結(jié)深作了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
以下對(duì)本發(fā)明步驟作進(jìn)一步詳細(xì)描述，具體內(nèi)容如下一、前道化學(xué)預(yù)處理選電阻率在0.6～2Ωcm的硅晶片，采用半導(dǎo)體的常規(guī)清洗工藝，用堿溶液減薄工藝除去切片過(guò)程帶來(lái)的損傷層，減薄后的硅片厚度達(dá)300μm，用重量百分比1.25％的稀釋氫氧化鈉溶液進(jìn)行硅片的表面織構(gòu)化處理，用鹽酸水溶液(體積比為H2O∶HCl∶H2O2＝6∶1∶1)煮沸10分鐘兩遍，用體積百分比5％的稀氫氟酸水溶液漂去表面硅層，每道化學(xué)處理工序后，用去離子水清洗數(shù)遍，最后用冷、熱去離子水清洗數(shù)遍，紅外燈烘干備用。
二、半導(dǎo)體PN結(jié)制作采用半導(dǎo)體液態(tài)源擴(kuò)散工藝，POCI3為磷氣態(tài)源，半導(dǎo)體工業(yè)常規(guī)擴(kuò)散設(shè)備，鉑銠熱偶探測(cè)擴(kuò)散爐的溫度，半導(dǎo)體自動(dòng)控溫，單晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作的恒溫區(qū)的溫度為900～950℃，多晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作的恒溫區(qū)的溫度略低于單晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作溫度，為850～900℃，恒溫區(qū)的長(zhǎng)度為110cm。5分鐘預(yù)加熱通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，10～20分鐘的恒源擴(kuò)散通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，攜源氮?dú)?0ml/min，20～40分鐘的定源推進(jìn)通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min。擴(kuò)散時(shí)，硅片在石英管中兩兩背靠背放置，可降低背面的N+層的磷雜質(zhì)的濃度。
三、ICP等離子刻蝕周邊采用四氟化碳(CF4)和氧氣(O2)工作氣體，電感偶合等離子(ICP)發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)硅片具有刻蝕作用的等離子，在反應(yīng)室中對(duì)預(yù)先壘放好的硅片作周邊刻蝕，除去了硅片周邊的正背面短路PN結(jié)。
四、淀積氮化硅薄膜氮化硅薄膜在半導(dǎo)體器件工藝中是常用的蔭蔽擴(kuò)散和純化薄膜，在晶體硅太陽(yáng)電池工藝中，也選用氮化硅薄膜對(duì)太陽(yáng)電池的正表面進(jìn)行純化，以降低表面的光生少數(shù)載流子的復(fù)合速度，同時(shí)，控制氮化硅薄膜的光學(xué)折射率和厚度，使其達(dá)到最佳光學(xué)減反射作用，與織構(gòu)化的硅表面相配合，形成入射光的光陷阱，增強(qiáng)了進(jìn)入硅片的光入射量。
本發(fā)明采用等離子增強(qiáng)化學(xué)相沉積工藝沉積氮化硅純化、減反射薄膜，也可用反應(yīng)射頻濺射工藝。采用高頻等離子(13。56MHz)的等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝(PECVD)，制備氮化硅薄膜的工藝條件如下高頻功率為100W，本底真空0.5Pa，硅源氣體的流量400ml/min(SiH45％+N295％)，氮源氣體流量40ml/min(高純氨氣NH3)，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)10Pa。淀積時(shí)間由沉膜的速度而定，襯底溫度為350℃，通?？刂频璞∧さ暮穸仍?0～80nm，此膜厚為以藍(lán)色光(480nm)計(jì)算的四分之一的波長(zhǎng)光程。太陽(yáng)電池的表面現(xiàn)深藍(lán)色。
五、絲網(wǎng)印刷正、背面電極硅太陽(yáng)電池的正面為受光照面，正面電極既要能將光生電流引出，又不至于遮擋太多的陽(yáng)光、減少了光照的面積。采用柵線加匯流條結(jié)構(gòu)，柵線的寬度為0.4～0.1mm，匯流條的寬度為2～3mm，正面柵線所用的材料為銀漿。硅太陽(yáng)電池的背面電極用鋁漿制備，為了后道的焊接工序，用銀漿作出焊腳條，焊腳條的銀鋁漿應(yīng)先于鋁電極的鋁漿印刷在電池的背面。背面的鋁層電極有多個(gè)作用第一，形成背面的PP+高低結(jié)，即鋁背場(chǎng)，提高電池的開路電壓；第二，鋁硅合金層的形成過(guò)程具有對(duì)表面純化及富磷N+層的補(bǔ)償作用，考慮到高溫下鋁漿和銀鋁漿在燒結(jié)形成過(guò)程中熱膨脹系數(shù)不同，將背面的銀鋁漿焊腳條印在鋁漿的下面，鋁漿形成的背面鋁電極在每條焊腳條的位子處開一長(zhǎng)條形窗口，寬度為3～5mm，焊腳條的寬度為4～6mm，該窗口的寬度要略小于銀鋁漿焊腳條的寬度，在鋁電極的窗口處，露出焊腳條，鋁電極和焊腳條有0.5～2mm寬度的搭界，以提高背面的導(dǎo)電性。
六、正、背面電極金屬化及氮化硅薄膜燒穿正、背面電極金屬化的一次性燒結(jié)，簡(jiǎn)化了晶體硅太陽(yáng)電池的制作工藝過(guò)程，降低了能耗和生產(chǎn)周期，同時(shí)進(jìn)行氮化硅薄膜燒穿工藝，燒穿氮化硅薄膜工藝，既可在金屬化時(shí)，保護(hù)表面不受污染，又實(shí)現(xiàn)了晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及正表面的純化，提高了太陽(yáng)電池的輸出功率。采用國(guó)產(chǎn)鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐設(shè)備，優(yōu)選工藝條件是燒結(jié)單晶硅太陽(yáng)電池電極高溫區(qū)最高溫度850℃，燒結(jié)多晶硅太陽(yáng)電池電極高溫區(qū)最高溫度略低于單晶硅太陽(yáng)電池的燒結(jié)溫度，為750～800℃，轉(zhuǎn)速為1250轉(zhuǎn)/分鐘，走完全程需4分鐘，高溫區(qū)滯留時(shí)間少于30秒。
本發(fā)明正、背面電極的一次燒結(jié)金屬化技術(shù)，及同時(shí)燒穿氮化硅純化薄膜技術(shù)，在氮化硅薄膜下面，形成了良好的銀——硅歐姆接觸的正面電極，又形成了有背場(chǎng)效應(yīng)的鋁硅合金背電極。背面鋁電極的金屬化燒結(jié)過(guò)程，對(duì)背面進(jìn)行了純化，同時(shí)具有對(duì)富磷N+層的補(bǔ)償作用。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。本發(fā)明采用氮化硅薄膜為正表面的減反純化膜，背面采用絲網(wǎng)印帶小窗口的鋁漿作背電極，鋁漿小窗口處先印上比鋁漿小窗口略為大一點(diǎn)的銀鋁混合漿焊腳，正、背面電極一次燒結(jié)和同時(shí)氮化硅薄膜的燒穿工藝，并且靠近正面的PN結(jié)結(jié)深可做到0.3μm～0.5μm。這樣獲得了最佳的優(yōu)化效果，簡(jiǎn)化了太陽(yáng)電池工藝，將原來(lái)的兩到三次的電極燒燒結(jié)工藝，簡(jiǎn)化成一次完成，降低了成本，提高了太陽(yáng)電池效率。鋁漿小窗口處印刷采用銀鋁漿，保證小窗口也同樣獲得鋁背場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了鋁漿小窗口處的三價(jià)鋁對(duì)五價(jià)磷的補(bǔ)償作用，開路電壓可以達(dá)到610mV以上。同時(shí)本發(fā)明專利也對(duì)燒穿氮化硅薄膜工藝中的硅電池正面PN結(jié)結(jié)深作了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用此工藝，可獲得商業(yè)化大面積(103*103mm2)單晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)15.7％，此工藝也適用于多晶硅太陽(yáng)電池，多晶硅太陽(yáng)電池效率可達(dá)14.0％以上，(AM1.5，光照強(qiáng)度100mW/cm2，25℃)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合本發(fā)明工藝的內(nèi)容表述具體實(shí)施方案，對(duì)本發(fā)明硅片太陽(yáng)電池制作方法做進(jìn)一步說(shuō)明。
采用上述的步驟一進(jìn)行前道化學(xué)預(yù)處理半導(dǎo)體PN結(jié)制作工藝是恒溫區(qū)的溫度為900℃，多晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作的恒溫區(qū)的溫度略低于單晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作溫度，為850℃，5分鐘預(yù)加熱通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，10分鐘的恒源擴(kuò)散通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，攜源氮?dú)?0ml/min，20分鐘的定源推進(jìn)通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min。
采用上述的步驟三和步驟四進(jìn)行電感偶合等離子周邊刻蝕及氮化硅薄膜的沉積；采用上述的步驟五進(jìn)行絲網(wǎng)印刷正、背面電極，柵線的寬度為0.15mm，匯流條的寬度為2mm，正面柵線所用的材料為銀漿。硅太陽(yáng)電池的背面電極用鋁漿制備，用銀鋁漿做出焊腳條，焊腳條的銀鋁漿先于鋁電極的鋁漿印刷在電池的背面，將背面的銀鋁漿焊腳條印在鋁漿的下面，背面鋁電極在焊腳條處窗口寬度為3mm，焊腳條的寬度為4mm，該窗口的寬度要略小于銀鋁漿焊腳條的寬度，在鋁電極的窗口處，露出焊腳條，鋁電極和焊腳條有0.5mm寬度的搭界；正、背面電極金屬化一次性燒結(jié)及氮化硅薄膜燒穿工藝過(guò)程，高溫區(qū)最高溫度850℃，燒結(jié)多晶硅太陽(yáng)電池電極高溫區(qū)最高溫度略低于單晶硅太陽(yáng)電池的燒結(jié)溫度，為750℃，轉(zhuǎn)速為1100轉(zhuǎn)/分鐘，走完全程需4.5分鐘，高溫區(qū)滯留時(shí)間少于30秒。
實(shí)施效果單晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)14.6％，多晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)14.0％。
權(quán)利要求
1.一種硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于按制作方法生產(chǎn)順序分為如下六個(gè)步驟前道化學(xué)預(yù)處理；半導(dǎo)體PN結(jié)制作；電感偶合等離子刻蝕周邊；淀積氮化硅薄膜；絲網(wǎng)印刷正、背面電極；正、背面電極金屬化及氮化硅薄膜燒穿。
2.跟據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于所述的前道化學(xué)預(yù)處理具體如下選電阻率在0.6～2Ωcm的硅晶片，采用半導(dǎo)體的常規(guī)清洗工藝，用堿溶液減薄工藝除去切片過(guò)程帶來(lái)的損傷層，減薄后的硅片厚度達(dá)300μm，用重量百分比1.25％的稀釋氫氧化鈉溶液進(jìn)行硅片的表面織構(gòu)化處理，用體積比為H2O∶HCl∶H2O2＝6∶1∶1鹽酸水溶液沸10分鐘兩遍，用體積百分比5％的稀氫氟酸水溶液漂去表面氧化硅層，每道化學(xué)處理工序后，用去離子水清洗數(shù)遍，最后用冷、熱去離子水清洗數(shù)遍，紅外燈烘干備用。
3.跟據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于所述的半導(dǎo)體PN結(jié)制作具體如下采用半導(dǎo)體液態(tài)源擴(kuò)散工藝，POCI3為磷氣態(tài)源，半導(dǎo)體工業(yè)常規(guī)擴(kuò)散設(shè)備，鉑銠熱偶探測(cè)擴(kuò)散爐的溫度，半導(dǎo)體自動(dòng)控溫，單晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作的恒溫區(qū)的溫度為900～950℃，多晶硅太陽(yáng)電池PN結(jié)制作的恒溫區(qū)的溫度為850～900℃，恒溫區(qū)的長(zhǎng)度為110cm；5分鐘預(yù)加熱通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，10～20分鐘的恒源擴(kuò)散通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min，攜源氮?dú)?0ml/min，20～40分鐘的定源推進(jìn)通氮?dú)?00ml/min，氧氣85ml/min；擴(kuò)散時(shí)，硅片在石英管中兩兩背靠背放置，降低背面的N+層的磷雜質(zhì)的濃度。
4.跟據(jù)權(quán)利要求3所述的晶體硅片太陽(yáng)能電池組件，其特征在于所述的電感偶合等離子刻蝕周邊具體如下采用四氟化碳和氧氣工作氣體，電感偶合等離子發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)硅片具有刻蝕作用的等離子，在反應(yīng)室中對(duì)預(yù)先壘放好的硅片作周邊刻蝕，除去了硅片周邊的正背面短路PN結(jié)。
5.跟據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于所述的淀積氮化硅薄膜具體如下采用等離子增強(qiáng)化學(xué)相沉積工藝沉積氮化硅純化、減反射薄膜，采用高頻等離子的等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝，制備氮化硅薄膜的工藝條件如下高頻功率為100W，本底真空0.5Pa，硅源氣體的流量400ml/min，其中SiH45％+N295％，氮源氣體流量40ml/min，采用高純氨氣NH3，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)10Pa。淀積時(shí)間由沉膜的速度而定，襯底溫度為350℃，通?？刂频璞∧さ暮穸仍?0～80nm，此膜厚為以藍(lán)色光計(jì)算的四分之一的波長(zhǎng)光程。太陽(yáng)電池的表面現(xiàn)深藍(lán)色。
6.跟據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于絲網(wǎng)印刷正、背面電極，具體特征如下正面采用柵線加匯流條結(jié)構(gòu)，柵線的寬度為0.4～0.1mm，匯流條的寬度為2～3mm，正面柵線所用的材料為銀漿；硅太陽(yáng)電池的背面電極用鋁漿制備，用銀漿作出焊腳條，焊腳條的銀鋁漿先于鋁電極的鋁漿印刷在電池的背面，背面的鋁層電極可形成背面的PP+高低結(jié)，鋁硅合金層的形成過(guò)程對(duì)背表面純化及富磷N+層的補(bǔ)償，將背面的銀鋁漿焊腳條印在鋁漿的下面，鋁漿形成的背面鋁電極在每條焊腳條的位子處開一長(zhǎng)條形窗口，3～5mm，焊腳條的寬度為4～6mm，該窗口的寬度要略小于銀鋁漿焊腳條的寬度，在鋁電極的窗口處，露出焊腳條，鋁電極和焊腳條有0.5～2mm寬度的搭界。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片太陽(yáng)電池制作方法，其特征在于所述的正、背面電極金屬化及氮化硅薄膜燒穿具體如下正、背面電極金屬化的一次性燒結(jié)，同時(shí)進(jìn)行氮化硅薄膜燒穿工藝，燒穿氮化硅薄膜工藝采用國(guó)產(chǎn)鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐設(shè)備，優(yōu)選工藝條件是燒結(jié)單晶硅太陽(yáng)電池電極高溫區(qū)最高溫度850℃，燒結(jié)多晶硅太陽(yáng)電池電極高溫區(qū)最高溫度為750～800℃，轉(zhuǎn)速為1250轉(zhuǎn)/分鐘，走完全程需4分鐘，高溫區(qū)滯留時(shí)間少于30秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域一種硅片太陽(yáng)能電池制作方法，本發(fā)明按生產(chǎn)過(guò)程依次為如下六個(gè)步驟前道化學(xué)預(yù)處理；半導(dǎo)體PN結(jié)的制作；電感偶合等離子(ICP)刻蝕周邊；淀積氮化硅薄膜；絲網(wǎng)印刷正、背面電極；正、背面電極金屬化及氮化硅薄膜燒穿。鋁漿小窗口處印刷采用銀鋁漿，保證了小窗口也同樣獲得鋁背場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了鋁漿小窗口處的三價(jià)鋁對(duì)五價(jià)磷的補(bǔ)償作用，同時(shí)本發(fā)明也對(duì)燒穿氮化硅薄膜工藝中的硅電池正面PN結(jié)結(jié)深作了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)施效果是單晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)14.6％，多晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)14.0％。
文檔編號(hào)H01L31/18GK1694268SQ20051004267
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者陳娟娟, 陳釗, 李忠, 陳肖, 金昊, 陳嘉煜, 王瑞秀, 白玉鳳 申請(qǐng)人:陳娟娟