一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制絨方法
【專利摘要】一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制絨方法。該方法對太陽電池的單晶硅片實(shí)行兩步制絨的工藝，在硅片表面形成3-10μm的圓滑金字塔結(jié)構(gòu)、去除了硅片表面的金屬離子殘留，實(shí)現(xiàn)了形貌以及電學(xué)特性的修飾。該方法可以有效的降低硅片表面在400-1200nm波長范圍內(nèi)的反射率，提高了電池輸出特性，且其制備方法簡單，易于實(shí)施。
【專利說明】一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制絨方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制造領(lǐng)域，特別涉及一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池表面制絨制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]光伏發(fā)電是國際公認(rèn)的解決能源缺乏與環(huán)境污染問題的有效途徑之一。硅異質(zhì)結(jié)太陽電池因其轉(zhuǎn)換效率高，制備過程低耗能，生產(chǎn)成本較為廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)單晶硅電池，硅異質(zhì)結(jié)太陽電池采用非晶硅薄膜材料作為發(fā)射層和鈍化層，具有較高的開路電壓，但非晶硅材料作為一種準(zhǔn)直接帶隙材料，具有較大的吸收系數(shù)。因此，為了提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，就必須要增加電池的陷光能力以提高短路電流密度。絨面硅襯底由于具有良好的陷光效果，可明顯提高電池的短路電流。目前常用的NaOH等無機(jī)堿對單晶硅襯底制絨可以實(shí)現(xiàn)硅片表面金子塔的均勻分布，金字塔尺寸可控制在5-15 μ m之間，陷光性能優(yōu)良。但其制絨后的襯底表面粗糙度增加，且存在較多的金字塔尖峰，使得本征非晶硅鈍化薄層難以均勻沉積在單晶硅表面，劣化了界面質(zhì)量。三甲基氫氧化銨(TMAH)作為一種有機(jī)堿已被應(yīng)用于硅片表面制絨。相比于NaOH溶液，TMAH制絨后的金字塔尺寸更小、制絨時(shí)間更短、形貌更為圓滑，而且沒有金屬離子的殘留，更適合當(dāng)做對界面缺陷態(tài)要求嚴(yán)格的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制絨溶劑。但是由于目前TMAH溶液價(jià)格較高，難以被廣泛采用到工業(yè)化生產(chǎn)中。因此，探索一種滿足相對廉價(jià)、陷光好、形貌特性優(yōu)良、金屬離子殘留少的單晶硅襯底陷光方法是提升硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨工藝的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是針對上述存在的問題，通過采用NaOH溶液與TMAH溶液相組合的制絨方法對硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的單晶硅襯底進(jìn)行制絨。該結(jié)構(gòu)可以在保證制絨襯底的寬光譜陷光能力的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化金字塔尺寸分布、形貌結(jié)構(gòu)以及表面特性，實(shí)現(xiàn)提高電池輸出特性參數(shù)的目的，且其制備方法廉價(jià)簡單，易于實(shí)施。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨方法，是單晶硅襯底在經(jīng)過丙酮和乙醇溶液各超聲波清洗5min,去除硅片表面部分有機(jī)物和金屬粒子玷污。采用去離子水沖洗干凈之后將樣品置于溫度80°C，濃度為1-3%的無機(jī)堿溶液中進(jìn)行IOmin的去損傷層處理，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面在切割過程中留下的機(jī)械損傷層，得到較為平整的硅片表面，再將樣品放入去離子水中沖洗3min后備用。制絨過程主要分為兩步，第一步制絨是通過含有低濃度的無機(jī)堿、異丙醇(IPA)和NaSiO3的溶液制備出尺寸相對較大的金字塔形貌分布，利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來進(jìn)行表面進(jìn)行織構(gòu)化，之后從制絨溶液中取出，用大量去離子水沖洗。第二步制絨是將第一步制絨處理過的樣品放入有機(jī)堿和IPA的混合溶液中進(jìn)行制絨，利用有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來進(jìn)行表面進(jìn)行織構(gòu)化，使得硅片表面金字塔更為圓滑且呈現(xiàn)大小金字塔相間的形貌分布，步驟如圖1所示。上述過程中，經(jīng)過第一步制絨之后，硅片表面的金子塔尺寸主要分布在5-12 μ m之間；經(jīng)過第二步制絨之后，硅片表面金字塔均勻分布在3-10 μ m之間，且反射率明顯降低。
[0006]其中第一步制絨中無機(jī)堿可以選用NaOH或者Κ0Η，各組分質(zhì)量濃度為1_3%的無機(jī)堿、0.5-2%的NaSi03、6%的異丙醇(IPA)，制絨溫度在75~85°C之間，時(shí)間為35mirT45min，制絨結(jié)束后用去離子水沖洗3min。
[0007]第二步制絨中有機(jī)堿可以是四甲基氫氧化銨(TMAH)、乙二胺、乙三胺、甲二胺、四丁基氫氧化銨中的任意一種，制絨溫度在75~85°C之間，制絨時(shí)間在3mirTl0min之間調(diào)節(jié)，制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0008]上述制絨溶液的加熱方式為封閉式水域加熱，也可采用敞開式加熱方式。制絨的硅片為N型(100)晶向的切割片也可以是P型，太陽電池的結(jié)構(gòu)可以為HIT結(jié)構(gòu)、SHJ結(jié)構(gòu)或HBC結(jié)構(gòu)，制絨所選襯底可以為Cz或FZ襯底。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
通過結(jié)合無機(jī)堿制絨與有機(jī)堿兩種溶劑對單晶硅表面制絨。第一步制絨利用低溶度的無機(jī)堿液對單晶硅表面各向異性刻蝕產(chǎn)生具有金字塔分布的織構(gòu)化表面。無機(jī)堿制絨產(chǎn)生的金字塔尺寸較大，對長波入射光具有良好的陷光作用，且無機(jī)堿溶液價(jià)格相對廉價(jià)，第一步采用無機(jī)堿溶液制絨得到絨面結(jié)構(gòu)有利于降低襯底制絨的成本。第二步制絨是在第一步制絨的基礎(chǔ)上，采用有機(jī)堿如TMAH溶液制絨，使硅片表面均勻分布有大小相互嵌套的金字塔。由于TMAH的有機(jī)堿溶液的分子極性相對于無機(jī)堿更小，所以其在硅片表面更容易附著，濃度更高，所以第二步有機(jī)堿制絨的時(shí)間相對較短，且經(jīng)過有機(jī)堿制絨之后，金字塔尺寸更為圓滑，塔峰和塔谷被有機(jī)堿溶液平滑作用所去除掉。這種形貌結(jié)構(gòu)適合用作硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的襯底，可以抑制非晶硅薄膜在其表面的外延生長，降電池的低漏電溝道密度。此外，將有機(jī)堿制絨設(shè)計(jì)在無機(jī)堿制絨之后實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)清潔無機(jī)堿制絨后產(chǎn)生的金屬離子污染的作用，改善了制絨硅片表面的電學(xué)特性，進(jìn)而提高了硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的輸出特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1本發(fā)明制絨方法的實(shí)施步驟示意圖。
[0011]圖2為采用單步NaOH制絨得到的硅片表面形貌圖。
[0012]圖3為采用單步TMAH制絨得到的硅片表面形貌圖。
[0013]圖4為采用本發(fā)明的雙步制絨方法制備得到的硅片表面形貌圖。
[0014]圖5為分別采用單步NaOH制絨、單步TMAH制絨和本發(fā)明的雙步制絨方法制備的硅片表面對不同入射光波長的反射率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0016]實(shí)施例1:I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0017]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0018]3)第一步制絨:去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為1%的Na0H、0.5%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在30min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min。
[0019]4)第二步制絨:將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為2%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為3min。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0020]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在1-8 4 111之間，在400111^120011111之間的平均反射率為14.3%，硅片少子壽命為175 μ S。
[0021]實(shí)施例2:1) 取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0022]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0023]3)第一步制絨:去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為3%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在40min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min。
[0024]4)第二步制絨:將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為2%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為3min。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0025]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在2-12 μ m之間，在400nnTl200nm之間的平均反射率為12.2%，硅片少子壽命為193 μ S。
[0026]實(shí)施例3:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0027]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0028]3)第一步制絨:去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為3%的NaOH、3%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在35min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min。
[0029]4)第二步制絨:將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為5%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為4min。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0030]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在2-7口111之間，在400111^120011111之間的平均反射率為14.8%，硅片少子壽命為167 μ S。
[0031]實(shí)施例4:1)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0032]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃 棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0033]3)第一步制絨:去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在40min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min。
[0034]4)第二步制絨:將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為2%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為lOmin。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0035]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在4-11 μ m之間，在400nnTl200nm之間的平均反射率為13.7%，硅片少子壽命為207 μ S。
[0036]實(shí)施例5:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0037]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0038]3)去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在40min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0039]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在5-12 μ m之間，如附圖2所示。襯底在400nnTl200nm之間的平均反射率為16.1%，硅片少子壽命為121 μ S。
[0040]實(shí)施例6:
I)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0041]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0042]3)將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為2%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為5min。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0043]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在3-10 μ m之間，如附圖3所示，在400nnTl200nm之間的平均反射率為12.6%，硅片少子壽命為189 μ S。
[0044]實(shí)施例7:
1)取N型(100)晶向的切割硅片放入丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出；去離子水沖洗3min之后放入無水乙醇溶液中超聲波清洗5min，取出后用去離子水沖洗3min。
[0045]2)將清洗完的硅片放入濃度為10%的NaOH溶液中，溶液溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為lOmin，期間用玻璃棒對溶液進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)氣體的放出，加熱方式為水浴加熱，利用高濃度堿液高溫下對硅片的各向同性腐蝕的特點(diǎn)去除硅片表面的損傷層，得到較為平整的硅片表面。之后取出樣品,用去離子水沖洗3min。
[0046]3)第一步制絨:去損傷層后的硅片放入溶液濃度配比為1%的NaOH、1%的NaSi03、6%的IPA的混合溶液中，制絨溫度在80°C之間，制絨時(shí)間在40min。利用低溶度堿液對單晶硅片的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min。
[0047]4)第二步制絨:將上一步處理之后的硅片放入TMAH、IPA的混合溶液中，溶液濃度配比為2%的TMAH、10%的IPA制絨溫度在80°C，制絨時(shí)間為5min。利用TMAH有機(jī)堿液對單晶硅的各項(xiàng)異性腐蝕來對硅片表面進(jìn)行織構(gòu)化。制絨之后采用去離子水沖洗3min，之后采用RCA清洗法清洗硅片表面，以備測試。
[0048]本實(shí)施例所制得的單晶硅絨面微結(jié)構(gòu)尺寸分布在3-12 μ m之間，如附圖4所示，在400nnTl200nm之間的平均反射率為11.8%，硅片少子壽命為225μ S。
[0049]圖2-4可以看出不同制絨溶液制絨產(chǎn)生的金子塔形貌結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)直接影響制絨后硅片的陷光能力。圖5為分別采用NaOH制絨、TMAH制絨和本發(fā)明的雙步制絨方法制備的硅片表面對不同入射光波長的反射率圖。可從圖中看出NaOH制絨和TMAH制絨分別對于長波和短波的反射率較小，而采用雙步制絨方法制備的硅片表面則在400-1200nm波段都具有更好的陷光效果，這歸因于通過兩步制絨工藝對硅片表面金字塔尺寸的分別調(diào)制，使其更有利于寬光譜的陷光。
[0050]綜上，本發(fā)明提供了一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制絨方法，該方法與硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制備工藝完全兼容，普遍適用于單晶硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池襯底的制備，方法廉價(jià)簡單易于實(shí)現(xiàn)，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0051]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨方法，包括硅片預(yù)處理、去損傷層和兩步法制絨，其特征是所述硅片預(yù)處理方法為按丙酮-水-無水乙醇-水的順序?qū)杵砻孢M(jìn)行清洗；所述的去損傷層的方法為將預(yù)處理后的硅片在1%-3%的無機(jī)堿液中80°C下攪拌浸泡IOmin后去離子水清洗；所述的兩步法制絨的第一步為去損傷層后的硅片放入質(zhì)量濃度配比為1-3%的無機(jī)堿、0.5-2%的NaSi03、6%的異丙醇(IPA)的混合溶液中，75~85°C下，制絨35~45min，然后去離子水沖洗3min，第二步為所述第一步處理之后的硅片放入質(zhì)量濃度配比為2-5%的有機(jī)堿、9-11%的IPA中，75~85°C下，制絨3~lOmin，然后采去離子水沖洗3min，最后采用RCA清洗法清洗硅片表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨方法，其特征在于所述的單晶硅襯底為FZ或Cz硅片，摻雜類型為N型或P型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨方法，其特征在于所述有機(jī)堿為四甲基氫氧化銨(TMAH)、乙二胺、乙三胺、甲二胺或四丁基氫氧化銨中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池制絨方法，其特征在于所述的無機(jī)堿為NaOH 或 KOH。
【文檔編號(hào)】C30B33/10GK103924306SQ201410173846
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】張曉丹, 王奉友, 姜元建, 魏長春, 許盛之, 趙穎 申請人:南開大學(xué)