专利名称：真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺，具体涉及一种真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺。
背景技术：
多晶硅薄膜太阳能电池相对于铜铟硒薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、 非晶硅薄膜太阳能电池等相对具有成本较低、原材料来源较广、稳定性好、光电转化率较高、环境友好以及无光致衰退现象等优点，因而在光伏产业中得到了广泛应用。多晶硅薄膜的制备主要有两个过程硅薄膜的沉积和薄膜的晶化。目前，硅薄膜的沉积方法主要有
(I)等离子增强化学沉积法(PECVD)。等离子增强化学沉积法是通过辉光放电产生离子，离子溅射增强膜的沉积。但是沉积速率很低，大约是lA/s，并且在沉积的过程中，使用卤硅化合物(如SiF4等)作为反应气体所产生的HF对金属设备有着很大的腐蚀性。(2)热丝化学气相沉积法(HWCVD)。热丝化学气相沉积法是将灯丝(由W、Ta、Mo等材料制成)加热到 Ieoo0C以上，使反应气体接触灯丝时受热分解然后沉积在衬底上成膜。但是在反应过程中灯丝会蒸发产生游离金属原子，在薄膜沉积的过程中同样会沉积到衬底上，并且灯丝金属易与原料气发生化学反应，对薄膜造成污染。(3)液相外延(LPE)法。液相外延法是将熔有硅的饱和金属溶液不断降低温度，使硅在降温过程中不断的析出，析出的硅直接沉积在与溶液接触的高温衬底上。但是此法制备的薄膜光电转化率较低，并且需要耐高温的材料做衬底。目前硅薄膜的晶化方法主要有(1)固相晶化法(SPC)。固相晶化法是对固态的非晶硅薄膜加热退火，使硅原子激活获得重组，达到晶化的效果。晶化温度一般从550°C 1000°C，退火时间为IOh 100h，可见其退火温度很高，时间过长，不利于大规模生产。(2) 区熔再结晶法(ZMR)。区熔再结晶法是利用一束很窄的能量源，其在硅薄膜的表面移动时使薄膜熔化而结晶的方法。此方法缺点是只能晶化比较薄的薄膜，并且可晶化面积较小。
发明内容
本发明公开一种新型的真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺，目的是解决现有多晶硅薄膜制备工艺沉积速率低、工艺周期长、能耗大以及所制得的薄膜纯度较低、 晶化率较低、光电转化率较低等问题。本发明以真空蒸镀硅粉末的工艺为基础，在玻璃衬底上通过铝诱导晶化法得到多晶硅薄膜。薄膜表面形貌好、晶粒大小均匀、晶粒排列整齐，薄膜由表面向衬底依次为多晶硅薄膜层和铝层组成，薄膜厚度为5Mm-10Mm、晶化率为73. 2% 89. 4%，薄膜理论光电转化率为8. 3 10. 5%ο所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺，是在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜，工艺步骤如下
⑴选择实验原料、衬底和蒸发源的材料；
多晶硅粉末(纯度>99. 99%)、铝粉(纯度>99. 9%)、丙酮(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、标准铝腐蚀液；玻璃；石墨(99. 7%)；
⑵衬底除油；
⑶超声清洗衬底；
⑷水洗衬底去离子水清洗衬底，烘干衬底；
(5)—次蒸发沉积:多晶硅粉末(g):0. 2 O. 6、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、衬底温度(°C) :300 500，基板距离(cm) :5 15 ;
(6)二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g):0. I O. 3、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、衬底温度(°C) :300 500，基板距离(cm) :5 15 ;
(7)蒸发镀铝膜:铝粉(g)0. I O. 3、真空度(Pa) 4. 5X10-3 7. 5 X 10'衬底温度 (C) :400，基板距尚(cm) 5 ；
⑶真空退火:真空度(Pa):3 X Kr2 5 X 10_2、退火温度(°C ):450 650、退火时间(h) 2 4 ;
(9)铝标准腐蚀液腐蚀；
(10)检测试样性能制备的薄膜表面形貌较好、晶粒大小较均匀、排列较整齐、薄膜厚度为5Mm lOMm，晶化率高达89%，薄膜理论光电转化率最高可达10. 5%。本发明主要研究了工艺参数对薄膜结构、性能的影响规律，包括基板温度、基板距离、真空度、铝诱导晶化温度和时间等工艺参数，对薄膜沉积过程、表面形貌、薄膜厚度、晶化率和光电转化率的影响。通过上述研究及采用真空蒸镀与铝诱导晶化实验方法，最终在廉价基体玻璃表面制备了太阳能电池用的多晶硅薄膜，提出了优化的工艺条件体系，该技术工艺稳定、操作简便、投资少、易于实现自动化控制和批量生产；改变了现有工艺所制备的薄膜晶化率低的特点，同时提高了薄膜的纯度和光电转换率，缩短了薄膜晶化时间，降低了晶化温度。本发明真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺具有以下优点
①真空蒸镀-铝诱导晶化方法工艺简单、效率高、能耗低，适合批量生产；
②真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜结合力好，纯度高，晶化率和光电转换率较高。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。图I是退火前薄膜结构示意图2是退火后薄膜结构示意图。图标说明A1层I、非晶硅薄膜层2、衬底3、多晶硅薄膜层4。
具体实施例方式以下优选4例具体实施例；实施中共同执行I 4、9工艺步骤及参数，各自执行其它工艺步骤及参数；真空退火前薄膜结构，如图I所示由表面Al层I至衬底3，其之间为非晶硅薄膜层2 ;真空退火后薄膜结构，如图2所示由表面多晶硅薄膜层4至衬底3，其之间为 Al 层 I。⑴选择实验原料、衬底和蒸发源的材料；
多晶硅粉末(纯度>99. 99%)、铝粉(纯度>99. 9%)、丙酮(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、标准铝腐蚀液；玻璃；石墨(99. 7%)；
⑵衬底除油；
⑶超声清洗衬底；
⑷水洗衬底去离子水清洗衬底，烘干衬底；
(5)铝标准腐蚀液腐蚀。实施例I
一次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) 6. 5X10_3、衬底温度(°C) :300，基板距离(cm) 15 ；
二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :6. 5X 10_3、衬底温度(°C) :300，基板距离(cm) 15 ；
蒸发镀铝膜:铝粉(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X10_3、衬底温度(°C) :400，基板距离 (cm) 5 ；
真空退火真空度(Pa) :5X10_2、退火温度450°C、退火时间(h) :2。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较小，薄膜厚度5. 6 μ m，晶化率73. 2%，理论光电转换率8. 3%。实施例2
一次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 6、真空度(Pa) 4. 5X10_3、衬底温度(°C) :450，基板距离(cm) 10 ；
二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X 10_3、衬底温度(°C) :450，基板距离(cm) 10 ；
蒸发镀铝膜:铝粉(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X10_3、衬底温度(°C) :400，基板距离 (cm) 5 ；
真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火温度550°C、退火时间(h) :3。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较大，晶粒排列较整齐，薄膜厚度9. 7 μ m，晶化率89. 4%，理论光电转换率10. 5%。实施例3
一次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 4、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、衬底温度(°C) :500，基板距离(cm) 5 ；
二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、衬底温度(°C) :500，基板距离(cm) 5 ；
蒸发镀铝膜铝粉(g):0. I、真空度(Pa):6. 5 X 10_3、衬底温度(V ):400，基板距离(cm)
5 ；
真空退火真空度(Pa) :4X10_2、退火温度650°C、退火时间(h) :4。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较大，晶粒排列不够整齐，薄膜厚度8. 9 μ m，晶化率84. 6%，理论光电转换率9. 1%。实施例4
一次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 3、真空度(Pa) 5. 5X10_3、衬底温度(°C) :350，基板距离(cm) 10 ；
二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X 10_3、衬底温度(°C) :350，基板距离(cm) 10 ；
蒸发镀铝膜铝粉(g):0. 3、真空度(？&):7.5\10_3、衬底温度(°0:400，基板距离(011):
5 ；
真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火温度500°C、退火时间(h) :2. 5。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌好，晶粒尺寸大，晶粒排列整齐，薄膜厚度
8.2 μ m，晶化率84. 6%，理论光电转换率9. 1%。附表
表I.实施例工艺参数表；
表2.实施例理化性能表。表 I.
权利要求
1.一种真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺，其特征在于所述制备工艺，是在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜，工艺步骤如下⑴选择实验原料、衬底和蒸发源的材料；多晶硅粉末(纯度>99. 99%)、铝粉(纯度>99. 9%)、丙酮(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、标准铝腐蚀液；玻璃；石墨(99. 7%)；⑵衬底除油；⑶超声清洗衬底；⑷水洗衬底去离子水清洗衬底，烘干衬底；(5)—次蒸发沉积:多晶硅粉末(g):0. 2 O. 6、真空度(Pa) :4. 5X 10_3 7. 5X 10_3、衬底温度(°C) :300 500，基板距离(cm) :5 15 ;(6)二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g):0. I O. 2、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、衬底温度(°C) :300 500，基板距离(cm) :5 15 ;(7)蒸发镀铝膜:铝粉(g)0. I O. 3、真空度(Pa) 4. 5X10-3 7. 5 X 10'衬底温度 (C) :400，基板距尚(cm) 5 ；⑶真空退火:真空度(Pa):3 X Kr2 5 X 10_2、退火温度(°C ):450 650、退火时间(h) 2 4。
2.根据权利要求I所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺制备的多晶硅薄膜，其特征在于所述薄膜表面形貌好、晶粒大小均匀、晶粒排列整齐，薄膜由表面向衬底依次由多晶硅薄膜和铝层组成，薄膜厚度为5Mm-10Mm、晶化率为73. 2% 89. 4%，薄膜理论光电转化率为8. 3 10. 5%ο
3.根据权利要求I所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺，其特征在于所述制备工艺的一次蒸发沉积多晶硅粉末(g):0. 2、真空度(Pa): 6. 5父10_3、衬底温度(°0: 300,基板距离(cm) 15 ；二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :6. 5X 10_3、衬底温度(°C) :300，基板距离(cm) 15 ；蒸发镀铝膜铝粉(g):0. 1、真空度(？3):5.5\10_3、衬底温度(°0:400，基板距离(011):5 ；真空退火真空度(Pa) :5X10_2、退火温度450°C、退火时间(h) :2。
4.根据权利要求I所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺，其特征在于所述制备工艺的一次蒸发沉积多晶硅粉末(g) :0. 6、真空度(Pa): 4. 5 X 10_3、衬底温度(°C ): 450,基板距离(cm) :10 ；二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X 10_3、衬底温度(°C) :450，基板距离(cm) 10 ；蒸发镀铝膜铝粉(g):0. 2、真空度(？&):4.5\10_3、衬底温度(°0:400，基板距离(011):5 ；真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火温度550°C、退火时间(h) :3。
5.根据权利要求I所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺，其特征在于所述制备工艺的一次蒸发沉积多晶硅粉末(g) :0. 4、真空度(Pa) :7. 5乂10_3、衬底温度(°0: 500,基板距离(cm) 5 ；二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、衬底温度(°C) :500，基板距离(cm) 5 ；蒸发镀铝膜铝粉(g):0. I、真空度(Pa):6. 5 X 10_3、衬底温度(V ):400，基板距离(cm):· 5 ；真空退火真空度(Pa) :4X10_2、退火温度650°C、退火时间(h) :4。
6.根据权利要求I所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺，其特征在于所述制备工艺的一次蒸发沉积多晶硅粉末(g) :0. 3、真空度(Pa) :5. 5乂10_3、衬底温度(°0: 350,基板距离(cm) 10 ；二次蒸发沉积:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X 10_3、衬底温度(°C) :350，基板距离(cm) 10 ；蒸发镀铝膜铝粉(g):0. 3、真空度(？&):7.5\10_3、衬底温度(°0:400，基板距离(011):·5 ；真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火温度500°C、退火时间(h) :2. 5。
7.根据权利要求3所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺制备的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较小，薄膜厚度·5.6 μ m，晶化率73. 2%，理论光电转换率8. 3%。
8.根据权利要求4所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺制备的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较大，晶粒排列较整齐，薄膜厚度9. 7 μ m，晶化率89. 4%，理论光电转换率10. 5%。
9.根据权利要求5所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺制备的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较大，晶粒排列不够整齐，薄膜厚度8. 9 μ m，晶化率84. 6%，理论光电转换率9. 1%。
10.根据权利要求6所述真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺制备的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌较好，晶粒尺寸较大，晶粒排列较整齐，薄膜厚度8. 2 μ m，晶化率84. 6%，理论光电转换率9. 1%。
全文摘要
本发明公开一种真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜及制备工艺，目的是解决现有多晶硅薄膜及制备工艺存在的问题。本发明在玻璃衬底上通过铝诱导晶化法得到多晶硅薄膜，薄膜由表面向衬底依次由多晶硅薄膜和铝层组成，薄膜厚度为5μm-10μm、晶化率达到73.2%～89.4%，薄膜理论光电转化率达到8.3%～10.5%。真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜制备工艺步骤如下1.选择实验原料、衬底和蒸发源的材料；2.衬底除油；3.超声清洗；4.水洗；5.真空蒸镀硅薄膜；6.蒸镀铝膜；7.真空退火；8.铝标准腐蚀液腐蚀9.检测试样性能。本发明具有以下优点真空蒸镀太阳能电池用多晶硅薄膜结合力好，纯度高，晶化率和光电转换率较高；工艺简单、效率高、能耗低，适合批量生产。
文档编号C23C14/18GK102605329SQ201210069509
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者付传起, 何旭, 室谷贵之, 曹健, 李斌, 王宙 申请人:大连大学