一种硅异质结太阳电池的制绒方法
【专利摘要】一种硅异质结太阳电池的制绒方法。该方法对太阳电池的单晶硅片实行两步制绒的工艺，在硅片表面形成3-10μm的圆滑金字塔结构、去除了硅片表面的金属离子残留，实现了形貌以及电学特性的修饰。该方法可以有效的降低硅片表面在400-1200nm波长范围内的反射率，提高了电池输出特性，且其制备方法简单，易于实施。
【专利说明】一种硅异质结太阳电池的制绒方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及硅异质结太阳电池的制造领域，特别涉及一种硅异质结太阳电池表面制绒制备方法及其应用。
【背景技术】
[0003]光伏发电是国际公认的解决能源缺乏与环境污染问题的有效途径之一。硅异质结太阳电池因其转换效率高，制备过程低耗能，生产成本较为廉价等优点受到广泛关注。相比于传统单晶硅电池，硅异质结太阳电池采用非晶硅薄膜材料作为发射层和钝化层，具有较高的开路电压，但非晶硅材料作为一种准直接带隙材料，具有较大的吸收系数。因此，为了提高电池的光电转换效率，就必须要增加电池的陷光能力以提高短路电流密度。绒面硅衬底由于具有良好的陷光效果，可明显提高电池的短路电流。目前常用的NaOH等无机碱对单晶硅衬底制绒可以实现硅片表面金子塔的均匀分布，金字塔尺寸可控制在5-15 μ m之间，陷光性能优良。但其制绒后的衬底表面粗糙度增加，且存在较多的金字塔尖峰，使得本征非晶硅钝化薄层难以均匀沉积在单晶硅表面，劣化了界面质量。三甲基氢氧化铵(TMAH)作为一种有机碱已被应用于硅片表面制绒。相比于NaOH溶液，TMAH制绒后的金字塔尺寸更小、制绒时间更短、形貌更为圆滑，而且没有金属离子的残留，更适合当做对界面缺陷态要求严格的硅异质结太阳电池的制绒溶剂。但是由于目前TMAH溶液价格较高，难以被广泛采用到工业化生产中。因此，探索一种满足相对廉价、陷光好、形貌特性优良、金属离子残留少的单晶硅衬底陷光方法是提升硅异质结太阳电池制绒工艺的关键。
【发明内容】
[0004]本发明目的是针对上述存在的问题，通过采用NaOH溶液与TMAH溶液相组合的制绒方法对硅异质结太阳电池的单晶硅衬底进行制绒。该结构可以在保证制绒衬底的宽光谱陷光能力的前提下，进一步优化金字塔尺寸分布、形貌结构以及表面特性，实现提高电池输出特性参数的目的，且其制备方法廉价简单，易于实施。
[0005]本发明的技术方案:
一种硅异质结太阳电池制绒方法，是单晶硅衬底在经过丙酮和乙醇溶液各超声波清洗5min,去除硅片表面部分有机物和金属粒子玷污。采用去离子水冲洗干净之后将样品置于温度80°C，浓度为1-3%的无机碱溶液中进行IOmin的去损伤层处理，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面在切割过程中留下的机械损伤层，得到较为平整的硅片表面，再将样品放入去离子水中冲洗3min后备用。制绒过程主要分为两步，第一步制绒是通过含有低浓度的无机碱、异丙醇(IPA)和NaSiO3的溶液制备出尺寸相对较大的金字塔形貌分布，利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来进行表面进行织构化，之后从制绒溶液中取出，用大量去离子水冲洗。第二步制绒是将第一步制绒处理过的样品放入有机碱和IPA的混合溶液中进行制绒，利用有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来进行表面进行织构化，使得硅片表面金字塔更为圆滑且呈现大小金字塔相间的形貌分布，步骤如图1所示。上述过程中，经过第一步制绒之后，硅片表面的金子塔尺寸主要分布在5-12 μ m之间；经过第二步制绒之后，硅片表面金字塔均匀分布在3-10 μ m之间，且反射率明显降低。
[0006]其中第一步制绒中无机碱可以选用NaOH或者Κ0Η，各组分质量浓度为1_3%的无机碱、0.5-2%的NaSi03、6%的异丙醇(IPA)，制绒温度在75~85°C之间，时间为35mirT45min，制绒结束后用去离子水冲洗3min。
[0007]第二步制绒中有机碱可以是四甲基氢氧化铵(TMAH)、乙二胺、乙三胺、甲二胺、四丁基氢氧化铵中的任意一种，制绒温度在75~85°C之间，制绒时间在3mirTl0min之间调节，制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0008]上述制绒溶液的加热方式为封闭式水域加热，也可采用敞开式加热方式。制绒的硅片为N型(100)晶向的切割片也可以是P型，太阳电池的结构可以为HIT结构、SHJ结构或HBC结构，制绒所选衬底可以为Cz或FZ衬底。
[0009]本发明的优点和积极效果:
通过结合无机碱制绒与有机碱两种溶剂对单晶硅表面制绒。第一步制绒利用低溶度的无机碱液对单晶硅表面各向异性刻蚀产生具有金字塔分布的织构化表面。无机碱制绒产生的金字塔尺寸较大，对长波入射光具有良好的陷光作用，且无机碱溶液价格相对廉价，第一步采用无机碱溶液制绒得到绒面结构有利于降低衬底制绒的成本。第二步制绒是在第一步制绒的基础上，采用有机碱如TMAH溶液制绒，使硅片表面均匀分布有大小相互嵌套的金字塔。由于TMAH的有机碱溶液的分子极性相对于无机碱更小，所以其在硅片表面更容易附着，浓度更高，所以第二步有机碱制绒的时间相对较短，且经过有机碱制绒之后，金字塔尺寸更为圆滑，塔峰和塔谷被有机碱溶液平滑作用所去除掉。这种形貌结构适合用作硅异质结太阳电池的衬底，可以抑制非晶硅薄膜在其表面的外延生长，降电池的低漏电沟道密度。此外，将有机碱制绒设计在无机碱制绒之后实施，可实现清洁无机碱制绒后产生的金属离子污染的作用，改善了制绒硅片表面的电学特性，进而提高了硅异质结太阳电池的输出特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1本发明制绒方法的实施步骤示意图。
[0011]图2为采用单步NaOH制绒得到的硅片表面形貌图。
[0012]图3为采用单步TMAH制绒得到的硅片表面形貌图。
[0013]图4为采用本发明的双步制绒方法制备得到的硅片表面形貌图。
[0014]图5为分别采用单步NaOH制绒、单步TMAH制绒和本发明的双步制绒方法制备的硅片表面对不同入射光波长的反射率图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。
[0016]实施例1:I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0017]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0018]3)第一步制绒:去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为1%的Na0H、0.5%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在30min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min。
[0019]4)第二步制绒:将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为2%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为3min。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0020]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在1-8 4 111之间，在400111^120011111之间的平均反射率为14.3%，硅片少子寿命为175 μ S。
[0021]实施例2:1) 取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0022]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0023]3)第一步制绒:去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为3%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在40min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min。
[0024]4)第二步制绒:将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为2%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为3min。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0025]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在2-12 μ m之间，在400nnTl200nm之间的平均反射率为12.2%，硅片少子寿命为193 μ S。
[0026]实施例3:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0027]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0028]3)第一步制绒:去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为3%的NaOH、3%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在35min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min。
[0029]4)第二步制绒:将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为5%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为4min。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0030]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在2-7口111之间，在400111^120011111之间的平均反射率为14.8%，硅片少子寿命为167 μ S。
[0031]实施例4:1)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0032]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃 棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0033]3)第一步制绒:去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在40min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min。
[0034]4)第二步制绒:将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为2%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为lOmin。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0035]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在4-11 μ m之间，在400nnTl200nm之间的平均反射率为13.7%，硅片少子寿命为207 μ S。
[0036]实施例5:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0037]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0038]3)去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在40min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0039]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在5-12 μ m之间，如附图2所示。衬底在400nnTl200nm之间的平均反射率为16.1%，硅片少子寿命为121 μ S。
[0040]实施例6:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0041]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0042]3)将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为2%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为5min。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0043]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在3-10 μ m之间，如附图3所示，在400nnTl200nm之间的平均反射率为12.6%，硅片少子寿命为189 μ S。
[0044]实施例7:
1)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超声波清洗5min后取出；去离子水冲洗3min之后放入无水乙醇溶液中超声波清洗5min，取出后用去离子水冲洗3min。
[0045]2)将清洗完的硅片放入浓度为10%的NaOH溶液中，溶液温度为80°C，反应时间为lOmin，期间用玻璃棒对溶液进行搅拌，加速反应气体的放出，加热方式为水浴加热，利用高浓度碱液高温下对硅片的各向同性腐蚀的特点去除硅片表面的损伤层，得到较为平整的硅片表面。之后取出样品,用去离子水冲洗3min。
[0046]3)第一步制绒:去损伤层后的硅片放入溶液浓度配比为1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制绒温度在80°C之间，制绒时间在40min。利用低溶度碱液对单晶硅片的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min。
[0047]4)第二步制绒:将上一步处理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液浓度配比为2%的TMAH、10%的IPA制绒温度在80°C，制绒时间为5min。利用TMAH有机碱液对单晶硅的各项异性腐蚀来对硅片表面进行织构化。制绒之后采用去离子水冲洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以备测试。
[0048]本实施例所制得的单晶硅绒面微结构尺寸分布在3-12 μ m之间，如附图4所示，在400nnTl200nm之间的平均反射率为11.8%，硅片少子寿命为225μ S。
[0049]图2-4可以看出不同制绒溶液制绒产生的金子塔形貌结构，该结构直接影响制绒后硅片的陷光能力。图5为分别采用NaOH制绒、TMAH制绒和本发明的双步制绒方法制备的硅片表面对不同入射光波长的反射率图。可从图中看出NaOH制绒和TMAH制绒分别对于长波和短波的反射率较小，而采用双步制绒方法制备的硅片表面则在400-1200nm波段都具有更好的陷光效果，这归因于通过两步制绒工艺对硅片表面金字塔尺寸的分别调制，使其更有利于宽光谱的陷光。
[0050]综上，本发明提供了一种硅异质结太阳电池的制绒方法，该方法与硅异质结太阳电池制备工艺完全兼容，普遍适用于单晶硅基异质结太阳电池衬底的制备，方法廉价简单易于实现，便于工业化生产。
[0051]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种硅异质结太阳电池制绒方法，包括硅片预处理、去损伤层和两步法制绒，其特征是所述硅片预处理方法为按丙酮-水-无水乙醇-水的顺序对硅片表面进行清洗；所述的去损伤层的方法为将预处理后的硅片在1%-3%的无机碱液中80°C下搅拌浸泡IOmin后去离子水清洗；所述的两步法制绒的第一步为去损伤层后的硅片放入质量浓度配比为1-3%的无机碱、0.5-2%的NaSi03、6%的异丙醇(IPA)的混合溶液中，75~85°C下，制绒35~45min，然后去离子水冲洗3min，第二步为所述第一步处理之后的硅片放入质量浓度配比为2-5%的有机碱、9-11%的IPA中，75~85°C下，制绒3~lOmin，然后采去离子水冲洗3min，最后采用RCA清洗法清洗硅片表面。
2.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池制绒方法，其特征在于所述的单晶硅衬底为FZ或Cz硅片，掺杂类型为N型或P型。
3.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池制绒方法，其特征在于所述有机碱为四甲基氢氧化铵(TMAH)、乙二胺、乙三胺、甲二胺或四丁基氢氧化铵中的一种。
4.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池制绒方法，其特征在于所述的无机碱为NaOH 或 KOH。
【文档编号】C30B33/10GK103924306SQ201410173846
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】张晓丹, 王奉友, 姜元建, 魏长春, 许盛之, 赵颖 申请人:南开大学