专利名称：一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法
技术领域：
本发明涉及晶体硅太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法。
背景技术：
近年来，随着能源及环保问题的日益突出，寻找一种可再生的清洁能源成为人们关注的焦点。太阳能取之不尽，用之不竭，且是无污染的可再生清洁能源，因此受到人们的青睐。太阳能电池是实现太阳光能转换成电能的一种光电器件，目前晶体硅太阳能电池由于其较高的光电转换效率而占据着80%以上的光伏市场。目前，常规太阳能电池制绒后的反射率仍然高达14% (单晶硅)或22% (多晶硅)，造成光能的损失，如何进一步降低硅片表面的反射率成为提高太阳能电池效率的一个关键点。在晶体硅太阳能电池表面镀上一层四分之一波长的减反射膜层可以有效降低硅片表面反射率，但是这种减反射膜层对波长有一定的依赖关系，超出某一波段后，硅片表面反射率仍然很高，而如果在晶体硅太阳能电池表面制作黑硅层，则可以在很宽的波段范围内保持很低的反射率，进而有效提高光吸收。黑硅(black silicon)对太阳光具有近乎黑体吸收的效果，是美国最新研究发现的一种能大幅提高光电转换效率的新型电子材料。美国哈佛大学物理实验室研究人员用超短波、高强度激光脉冲扫描普通的硅片，经过500次脉冲扫描后，用肉眼观看硅晶片呈黑色，研究人员将这种物质命名为“黑硅”。后来人们利用各种不同的方法制作出黑硅太阳能电池，有效提高了光电流。虽然黑硅太阳能电池有很低的反射率，但由于黑硅表面积较大、 复合比较严重，因此具有较大的表面复合速度，降低了少子寿命和开路电压，造成黑硅太阳能电池的光电转换效率比常规电池的要低。因此，能否找到一种有效钝化黑硅电池表面且成本较低的钝化方法，从而提高开路电压，是黑硅太阳能电池能否产业化的关键。一般而言，二氧化硅薄膜可以对晶体硅表面进行有效钝化。但传统的热生长二氧化硅，需要850°C以上的高温生长条件，因此成本较高，且长时间的高温也会影响硅片质量。 此外对于低压化学气相沉积(LPCVD，Low Pressure Chemical Vapor D印osition)，等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor D印osition)，电子回旋振荡化学气相沉禾只(ECRCVD, Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition), 溅射等方法制备二氧化硅，要么需要额外的阳极设备或反应能量来源的辅助，要么需要特殊的真空装置和高温条件，因此设备比较复杂，成本也较高。
发明内容
为了解决现有二氧化硅薄膜生长方法所需的工艺设备条件复杂、生产成本高等问题，本发明提供了一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法，所述方法包括向六氟硅酸溶液分别加入二氧化硅粉末、去离子水和硼酸粉末，制备二氧化硅沉积溶液；将扩散后的黑硅硅片浸没入所述二氧化硅沉积溶液中，在所述黑硅硅片表面沉积生成一层二氧化硅薄膜。所述向六氟硅酸溶液分别加入二氧化硅粉末、去离子水和硼酸粉末，制备二氧化硅沉积溶液的步骤具体包括向六氟硅酸溶液加入过量二氧化硅粉末，搅拌3-6小时，使二氧化硅饱和，形成二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液；过滤残余的二氧化硅粉末，向所述二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液中加入去离子水，搅拌半小时，使二氧化硅过饱和，再加入高纯度硼酸粉末，搅拌20分钟，静置溶液5分钟，形成二氧化硅沉积溶液。所述六氟硅酸溶液的浓度为30-35wt%、温度为40°C，所述二氧化硅沉积溶液中的硼酸浓度为0-0. 03mol/L，所述二氧化硅粉末和硼酸粉末的纯度均大于99. 99%。所述将扩散后的黑硅硅片浸没入所述二氧化硅沉积溶液的步骤之前还包括将黑硅硅片进行预清洗处理。所述将黑硅硅片进行预清洗处理的步骤包括将扩散后的黑硅硅片浸入氢氟酸溶液中，浸泡20-30分钟；将经过氢氟酸溶液浸泡后的黑硅硅片浸入去离子水中，浸泡1小时。所述氢氟酸溶液中的体积比HF H2O = 1 10，所述氢氟酸溶液的浓度为48%， 所述去离子水的浓度为18ΜΩ · cm。所述二氧化硅沉积溶液的温度为30_50°C，沉积时间为0. 5-2小时。所述二氧化硅薄膜的厚度为10-40nm。所述在所述黑硅硅片表面沉积生成一层二氧化硅薄膜的步骤之后还包括将生成二氧化硅薄膜的黑硅硅片进行退火处理。所述退火处理的工艺条件为退火温度为100-400°C，退火时间为半小时。本发明通过液相沉积二氧化硅的方法，在扩散后的黑硅硅片表面镀上一层均勻的高质量二氧化硅薄膜，从而较好地钝化了黑硅表面的悬挂键，有效地提高了黑硅太阳能电池的少子寿命和开路电压，提高了黑硅太阳能电池的光电转换效率。
图1是本发明实施例液相沉积二氧化硅薄膜的工艺流程示意图；图2是本发明实施例制备二氧化硅沉积溶液中的六氟硅酸溶液；图3是本发明实施例制备二氧化硅沉积溶液中加入二氧化硅的饱和溶液；图4是本发明实施例制备二氧化硅沉积溶液中加入去离子水和硼酸后的过饱和溶液；图5是将扩散后的黑硅硅片浸在氢氟酸溶液中预处理的示意图；图6是黑硅硅片在高纯去离子水中预处理的示意图；图7是黑硅硅片表面液相沉积二氧化硅的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。参见图1，本发明实施例提供了一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法，该方法包括二氧化硅沉积溶液的制备、扩散后的黑硅硅片的清洗和二氧化硅薄膜的沉积，下面详细阐述上述三个工艺过程，具体如下步骤101 选取浓度为30-35Wt%的六氟硅酸溶液，加热至40°C ；如图2所示，本实施例采用水浴加热法对六氟硅酸溶液进行加热，所使用的主要仪器包括加热台、内部带有导热腔室的盛液容器、以及位于导热腔室底部中心的用于搅拌作用的转子；在进行加热操作之前，首先将六氟硅酸溶液加入到导热腔室内，然后在导热腔室的周围加入水，为了使六氟硅酸溶液充分吸收热水的热量，水量的液位应该超过六氟硅酸溶液的液位，但不能超过导热腔室的最大液位，以防止热水进入导热腔室，影响六氟硅酸溶液的浓度；在加入六氟硅酸溶液和水之后，开启加热台，对导热腔室周围的水进行持续加热到40°C以上，从而确保六氟硅酸溶液的温度达到40°C ；在加热过程中，转子连续地转动搅拌，使六氟硅酸溶液均勻受热；步骤102 向40°C的六氟硅酸溶液中加入过量高纯度二氧化硅粉末，搅拌3-6小时，使二氧化硅饱和，形成二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液；如图3所示，高纯度二氧化硅粉末的纯度大于99. 99%，转子连续地转动搅拌，使二氧化硅粉末充分溶解于六氟硅酸溶液中，直到六氟硅酸溶液无法再继续溶解二氧化硅为止，即二氧化硅饱和，停止向六氟硅酸溶液加入二氧化硅粉末，形成二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液；验证六氟硅酸溶液中的二氧化硅是否饱和的方法是提取含有二氧化硅的六氟硅酸部分溶液，向该溶液中滴入过氧化氢，如果该溶液成金黄色，则说明二氧化硅已经饱和； 在确定二氧化硅饱和后，用孔径小于0. 02 μ m的聚四氟乙烯过滤网过滤掉残余的二氧化硅粉末；步骤103 向二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液中加入适量去离子水，搅拌半小时，使二氧化硅过饱和，再加入高纯度硼酸粉末，搅拌20分钟，使溶液中的硼酸浓度为 0-0. 03mol/L，静置溶液5分钟，形成含有过饱和二氧化硅、硼酸和六氟硅酸的混合溶液；如图4所示，高纯度硼酸粉末的纯度大于99. 99% ；本实施例中，本步骤形成的混合溶液被称之为二氧化硅沉积溶液；步骤104 将扩散后的黑硅硅片进行预清洗处理；如图5所示，首先把扩散并去边结后的黑硅硅片浸入氢氟酸溶液中，浸泡20-30分钟，氢氟酸溶液中的HF H2O= 1 10 (体积比)，氢氟酸溶液的浓度为48%，在氢氟酸溶液浸泡完毕后，去除了黑硅表面的磷硅玻璃并使黑硅硅片表面富含Si-H键；如图6所示，将经过氢氟酸溶液浸泡后的黑硅硅片浸入高纯去离子水中，高纯去离子水的浓度为18ΜΩ - cm, 浸泡1小时，使黑硅硅片表面富含Si-OH键，从而有利于在其表面液相沉积二氧化硅薄膜；步骤105 将经过预清洗处理后的黑硅硅片浸没入制备好的二氧化硅沉积溶液中，二氧化硅沉积溶液的温度为30-50°C，沉积时间为0. 5-2小时，生成二氧化硅薄膜；如图7所示，将经过预清洗处理后的黑硅硅片放入步骤103制备完成的二氧化硅沉积溶液中，通过加热台加热导热腔室中的水使二氧化硅沉积溶液的温度保持在30-50°C， 转子连续地搅拌，黑硅硅片表面与二氧化硅沉积溶液发生化学反应，经过0. 5-2小时的沉积化学反应，在黑硅硅片表面生成一层厚度为10-40nm的二氧化硅薄膜；黑硅表面与二氧化硅沉积溶液发生化学，生成二氧化硅的化学方程式为
步骤106 将经过液相沉积二氧化硅薄膜的黑硅硅片在100-400°C的温度环境中退火半小时，形成高质量的二氧化硅薄膜。本发明实施例通过液相沉积二氧化硅的方法，在扩散后的黑硅硅片表面均勻地覆盖上一层二氧化硅薄膜，较好地钝化了黑硅表面，特别是黑硅孔壁上的悬挂键，减小了黑硅表面的复合速度，提高了黑硅太阳能电池的有效载流子的寿命，减小了反向饱和漏电流，从而提高了开路电压。另外，由于黑硅表面复合速度的减小，使得黑硅太阳能电池的短路电流进一步提高，更好地体现出了黑硅太阳能电池反射率较低的优势，从而提高了黑硅太阳能电池的光电转换效率。与现有的二氧化硅薄膜钝化方法相比，本发明实施例提供的液相沉积二氧化硅薄膜的方法还具有如下优点沉积温度低(沉积温度低于50°C )、阶梯覆盖性好、沉积速率高、薄膜质量好、设备简单、以及成本低廉。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述方法包括向六氟硅酸溶液分别加入二氧化硅粉末、去离子水和硼酸粉末，制备二氧化硅沉积溶液；将扩散后的黑硅硅片浸没入所述二氧化硅沉积溶液中，在所述黑硅硅片表面沉积生成一层二氧化硅薄膜。
2.如权利要求1所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述向六氟硅酸溶液分别加入二氧化硅粉末、去离子水和硼酸粉末，制备二氧化硅沉积溶液的步骤具体包括向六氟硅酸溶液加入过量二氧化硅粉末，搅拌3-6小时，使二氧化硅饱和，形成二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液；过滤残余的二氧化硅粉末，向所述二氧化硅饱和的六氟硅酸溶液中加入去离子水，搅拌半小时，使二氧化硅过饱和，再加入高纯度硼酸粉末，搅拌20分钟，静置溶液5分钟，形成二氧化硅沉积溶液。
3.如权利要求2所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述六氟硅酸溶液的浓度为30-35wt%、温度为40°C，所述二氧化硅沉积溶液中的硼酸浓度为 0-0. 03mol/L，所述二氧化硅粉末和硼酸粉末的纯度均大于99. 99%。
4.如权利要求1所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述将扩散后的黑硅硅片浸没入所述二氧化硅沉积溶液的步骤之前还包括将黑硅硅片进行预清洗处理。
5.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述将黑硅硅片进行预清洗处理的步骤包括将扩散后的黑硅硅片浸入氢氟酸溶液中，浸泡20-30分钟； 将经过氢氟酸溶液浸泡后的黑硅硅片浸入去离子水中，浸泡1小时。
6.如权利要求5所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液中的体积比HF H2O = 1 10，所述氢氟酸溶液的浓度为48%，所述去离子水的浓度为 18ΜΩ · cm。
7.如权利要求1所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述二氧化硅沉积溶液的温度为30-50°C，沉积时间为0. 5-2小时。
8.如权利要求7所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的厚度为10-40nm。
9.如权利要求1所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述在所述黑硅硅片表面沉积生成一层二氧化硅薄膜的步骤之后还包括将生成二氧化硅薄膜的黑硅硅片进行退火处理。
10.如权利要求9所述的黑硅太阳能电池表面的钝化方法，其特征在于，所述退火处理的工艺条件为退火温度为100-400°C，退火时间为半小时。
全文摘要
本发明公开了一种黑硅太阳能电池表面的钝化方法，属于晶体硅太阳能电池制备技术领域。所述方法包括向六氟硅酸溶液分别加入二氧化硅粉末、去离子水和硼酸粉末，制备二氧化硅沉积溶液；将扩散后的黑硅硅片浸没入二氧化硅沉积溶液中，在黑硅硅片表面沉积生成一层二氧化硅薄膜。本发明通过液相沉积二氧化硅的方法，在黑硅硅片表面镀上一层均匀的高质量二氧化硅薄膜，从而较好地钝化了黑硅表面的悬挂键，有效地提高了黑硅太阳能电池的少子寿命和开路电压，提高了黑硅太阳能电池的光电转换效率。
文档编号H01L31/18GK102437236SQ20111038003
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者刘邦武, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 钟思华 申请人:中国科学院微电子研究所