CN116435403B - 一种柔性单晶硅片和柔性太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性单晶硅片和柔性太阳电池及其制备方法。该制备方法包括：将单晶硅片制绒、清洗，在单晶硅片表面和背面制作金字塔减反射结构；利用等离子体刻蚀对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷进行圆滑处理；清洗。该方法使单晶硅片的侧面和边缘部分正面、背面的金字塔，菱角，突刺和凹槽的峰和谷变圆滑，而硅片其他区域的金字塔结构维持不变，不改变表面反射率，可以使得单晶硅片具有柔性的特征，从而提高力学性能。
Description
技术领域
本发明属于新能源的太阳能光伏发电技术领域，特别涉及一种柔性单晶硅片和柔性太阳电池及其制备方法。
背景技术
目前，晶体硅太阳电池的市场占有率达到95％以上。晶体硅太阳电池的主要发展方向是提高转换效率，降低成本。单晶硅太阳电池的主要成本来自单晶硅片，占80％以上。单晶硅片的成本主要由高纯多晶硅材料、拉晶、切片构成，而高纯多晶硅材料的成本主要由提纯过程中的还原电耗产生，目前已经达到50kWh/kg以下，接近现有工艺的技术瓶颈，因此，降低单晶硅片的厚度是降低硅片成本的有效技术路径。
随着光伏应用技术和信息技术的发展，光伏的应用形态也在发生变化，各种形式的建筑一体化、车载、机载、可穿戴电子、通信节点供电等多种形态的应用方式逐步出现。在这些新的应用形态中，除了对光电转换效率有较高的要求以外，对光伏组件的重量和安装方式提出了更高的要求，其中，对可安装于各种屋顶、车顶、便携式电源、可穿戴电子设备的柔性太阳电池需求越来越多，对光伏组件的轻质化要求越来越高，因此，急需开发出高效、稳定、无毒、轻质的柔性太阳电池。
然而，单晶硅本身是一种脆性材料，尽管可以通过降低硅片的厚度实现一定的弯折性，但是，在机械冲击下和震动条件下仍然容易破碎。而且，由于晶体硅是间接带隙半导体，降低硅片的厚度引起电池的电流密度也会显著降低，进而大大降低光电转换效率。因此，需要把单晶硅变得更具柔性，从根本原理上解决单晶硅片和太阳电池的易碎问题，实现柔性单晶硅太阳电池的制作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性单晶硅片和柔性太阳电池及其制备方法，以克服现有技术中由于单晶硅片脆性导致的晶体硅太阳电池容易断裂、破碎的问题。
本发明提供一种柔性单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将单晶硅片制绒、清洗，在单晶硅片表面和背面制作金字塔减反射结构；
(2)利用等离子体刻蚀对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷进行圆滑处理；
(3)清洗。
优选地，所述步骤(1)中单晶硅片厚度在120微米以下。
优选地，所述步骤(1)中制绒为：使用KOH或者NaOH碱性溶液，加入制绒添加剂，在60-85℃下进行制绒。
优选地，所述步骤(1)中金字塔的尺寸根据太阳电池的工艺进行调节，一般在1.0至12微米之间。
优选地，所述步骤(1)中制绒后的单晶硅片厚度在140微米以下。
优选地，所述步骤(2)中利用等离子体刻蚀对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷进行圆滑处理为：把相同尺寸的多个单晶硅片叠加在一起，把硅片放入等离子体刻蚀机的等离子体腔，用夹具固定硅片，利用等离子体对多个硅片的侧面同时刻蚀，使硅片侧面部分的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷变得圆滑。
上述涉及的等离子体对单晶硅片的侧面进行刻蚀时，等离子体通过硅片之间的微小间隙渗透到硅片之间，对硅片边缘的正面和背面同时进行刻蚀，使硅片正面和背面边缘部分金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷变得圆滑。
上述涉及的等离子体刻蚀机为本领域常规设备，具备密封的等离子体腔、真空排气和控制系统、真空度和气体压力显示设备、气体流量控制、硅片夹具、硅片夹具旋转机构等，能够把多个硅片叠加在一起放入硅片夹，并使硅片对其，从上下锁定硅片，防止硅片横向滑动。硅片夹在刻蚀过程中能够均匀旋转，使硅片的四周刻蚀均匀。优选地，等离子体腔能够耐氟化物刻蚀，真空抽气能力达到10-2-10-3Pa。优选地，等离子体腔既可使用原位等离子体，也可使用感应耦合(ICP)等离子体，等离子体源使用13.56MHz射频电源，功率在100W-10kW之间连续可调。
优选地，所述相同尺寸的多个单晶硅片在垂直方向对齐，相邻硅片的边缘在水平方向的位置偏差小于0.5mm，使等离子体对每个硅片侧面以及边缘的正面和背面刻蚀范围的宽度和刻蚀深度均匀。
优选地，所述步骤(2)中等离子体刻蚀采用的等离子体为纯氟化气体或氟化气体混合物，所述纯氟化气体包括四氟化碳CF4、三氟化氮NF3、六氟化硫SF6、六氟乙烷C2F6中至少一种气体，所述氟化气体混合物包括四氟化碳CF4、三氟化氮NF3、六氟化硫SF6、六氟乙烷C2F6中至少一种氟化气体与氩气、氧气、氮气中至少一种载气的混合气体。
优选地，所述氟化气体混合物为CF4和O2的混合气体，用气体的流量比，腔室压力和等离子体功率调节刻蚀速率和刻蚀光滑度。
优选地，所述氟化气体和载气的流量比在1：1至500：1之间调节，等离子体刻蚀机腔室压力0.1-0.6Pa，射频功率100W-10kW，单晶硅的刻蚀速度为100-1000(埃)/分钟，刻蚀时间为1-10分钟，侧面单晶硅的刻蚀深度为0.1-10微米。
优选地，所述步骤(2)中对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔进行圆滑处理，使金字塔谷部变圆滑，优选地，曲率半径达到100nm以上，更优选地，曲率半径为100-5000纳米。
优选地，所述步骤(2)中对单晶硅片的侧面的菱角、突刺和凹槽进行圆滑处理，使棱角、突刺和凹变圆滑，优选地，曲率半径大于50纳米，更优选地，曲率半径为50-5000纳米。
优选地，所述步骤(2)中对单晶硅片的边缘区域进行圆滑处理，处理区域到硅片边缘的距离不大于5毫米。
优选地，所述步骤(2)中对单晶硅片边缘部分圆滑处理后，处理部分以内的硅片内部区域的金字塔结构维持不变，在同样条件下表面和背面的反射率差异维持在1％以内。
优选地，所述步骤(2)中圆滑处理对象包括边缘轮廓、切片时在边缘遗留的线痕以及由于切片过程中由于机械震动所造成的损伤。
优选地，所述步骤(3)中清洗使用太阳电池用标准RCA清洗工艺，或者臭氧加氢氟酸或者盐酸构成的清洗溶液，除去边缘处理过程中由于等离子体轰击产业的损伤层和氧化物以及其他残留的污染物，然后经过纯水漂洗，提供太阳电池制作所需要的清洁表面。
本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的柔性单晶硅片。
本发明还提供一种柔性太阳电池，所述太阳电池包括上述的柔性单晶硅片。
优选地，所述柔性太阳电池包括硅异质结(SHJ，HJT，HIT)太阳电池、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池或背接触太阳电池。
优选地，所述背接触太阳电池包括钝化发射极和背面(PERC)太阳电池或叉指背接触(IBC)太阳电池。
有益效果
本发明使单晶硅片的侧面和边缘部分正面、背面的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷变圆滑，而硅片其他区域的金字塔结构维持不变，不改变表面反射率，可以使得单晶硅片具有柔性的特征，从而提高力学性能，可用于制作薄型柔性单晶硅阳电池，特别适合于工艺温度低于250℃的超薄柔性硅异质结太阳电池的制备。
附图说明
图1为本发明单晶硅片经过制绒清洗后表面和侧面的SEM图。
图2中(a)为本发明经等离子圆滑处理的硅片侧面和正面SEM图，其中1为正面，2为未圆滑处理的区域，3为圆滑处理的区域，4为圆滑处理的边，5为圆滑处理的侧面；
(b)为本发明经等离子圆滑处理的硅片正面SEM图，其中2为未圆滑处理的区域，3为圆滑处理的区域；
(c)为本发明经等离子圆滑处理的金字塔峰和谷的SEM图；
(d)为本发明经等离子圆滑处理的金字塔谷的曲率半径定义示意图。
图3中(a)为本发明三点弯曲测试示意图，其中L为20mm；(b)为本发明硅片的三点弯曲测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
请参阅实施例图1-3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变且其组件布局型态也可能更为复杂。
作为示例，以柔性薄型硅异质结SHJ太阳电池为例。SHJ电池的正、背面结构对称，工艺温度200度以下，适合制作超薄柔性电池。
作为示例，选用n型单晶硅片，硅片原始厚度为120微米，表面有切线痕，切线痕的深度约15微米，硅片的边缘也有切线痕以及切片留下的突刺，凹槽等不平整区域。
作为示例，对n型单晶硅片进行清洗、制绒。采用氢氟酸、盐酸和臭氧水溶液在室温下进行清洗，除去表面的有机污染物。然后利用KOH的水溶液添加制绒添加剂进行制绒，添加剂使用飞鹿HT028V06，KOH浓度为4.2％，添加剂浓度0.6％，溶液温度80度，制绒时间480秒，在硅片的表面和背面形成均匀的金字塔结构，如图1所示，单晶硅片经过制绒清洗后在表面和侧面形成金字塔结构，金字塔的尺寸为3-8微米。硅片的侧面、正面和背面都形成了金字塔结构，金字塔的尺寸和形状相同。
作为示例，把制绒的硅片干燥后叠加水平放入等离子体处理用的硅片夹，硅片的四周和边缘对齐，硅片边缘在水平方向的位置偏差小于0.5mm，一次叠加硅片的数量600片，放入等离子体腔，固定好硅片夹，盖好等离子体腔盖，启动真空泵抽气，达到本地真空后，旋转硅片支架，往等离子体腔内通入CF4和O2，流量分别为200和20sccm，等离子体腔的压力为0.2Pa，启动RF电源和自动匹配程序，对硅片边缘进行刻蚀，射频功率为120W，单晶硅的刻蚀速度为500埃/分钟，刻蚀时间10分钟，侧面单晶硅的刻蚀深度为5微米。等离子体对硅片的边缘部分进行刻蚀，同时，由于硅片已经制绒，硅片之间由微小的间隙，等离子体从硅片之间的空隙渗透到硅片的正面和背面，对正面和背面的边缘部分进行刻蚀，刻蚀的范围受金字塔尺寸的影响，一般在距离边缘5mm以内。
作为示例，把等离子体刻蚀的硅片放入湿花篮，对硅片进行清洗和二次制绒和清洗，除去表面的氧化物以及处理过程中产生的残留物，使单晶硅表面满足SHJ太阳电池制备所具备的表面洁净度，优选地，制绒和清洗过程如下：
(1)用HF水溶液，或者HF与臭氧水溶液在室温下对硅片进行刻蚀和清洗，去除表面产生的氧化层。
(2)利用KOH或者NaOH的水溶液进行二次制绒，同时除去等离子体刻蚀中由于离子轰击产生的表面损伤层，制绒方法与上相同，调节KOH或者NaOH浓度，得到需要的金字塔尺寸。
(3)对二次制绒硅片进行清洗，采用标准RCA工艺或者臭氧清洗和HF清洗工艺，用HF水溶液去除表面氧化层后，利用洁净热空气进行烘干，提供硅异质结太阳电池制备必须的清洁表面。
作为示例，处理后硅片边缘和侧面的结构如图2所示。硅片侧面的金字塔被圆滑，相邻金字塔之间的凹槽，即谷部由尖锐的锐角变得圆滑，谷部的曲率半径控制在100-5000纳米之间。切片遗留的凹槽和突刺、硅片的菱角都变得圆滑，曲率半径控制在50纳米以上。
处理后硅片边缘部分的金字塔谷被圆滑，谷部的曲率半径控制在50-500纳米之间。距离边缘5mm以外的硅片中心区域的金字塔未受影响，经反射光谱仪测试，在相同条件下，表面和背面在350至1100nm波长范围的平均反射率为11％。与此相对应，未经处理硅片的表面反射率为10.5％，反射率的变化在1％以内。其中图2中(b)为经等离子圆滑处理的硅片正面结构图，而背面具有相同的结构。
将处理后的硅片放在两个平行的光滑圆柱形杆上，间距为20毫米，两个支杆中间位置的圆柱形压杆为载荷，压杆往下压，记录载荷的压力和位移量，测试硅片的变形量，进一步下压直至硅片破裂，从而获得硅片的力学性能(如图3中a所示)。制绒后的硅片厚度110微米，经过等离子体边缘圆化处理的硅片和未处理硅片断裂时的纵向位移量和载荷压力如图3中b所示。从图中可以看出，晶硅边缘处理的硅片，在负载压力3.0N、位移量1.4mm时发生断裂。作为对比，未经处理的硅片在负载压力0.98N、位移量0.5mm发生断裂。说明经过本发明的处理方法，同样厚度的硅片在相同测试条件下表现出明显的柔性和抗弯折能力，力学强度大幅度增加。
作为示例，按照SHJ太阳电池的工艺流程制作电池结构，首先利用PECVD在正面沉积厚度分别为5nm和8nm的本征非晶硅和n型非晶硅薄膜叠层，在背面沉积厚度分别为5nm和10nm的本征非晶硅和p型非晶硅薄膜叠层。然后，利用PVD在正面和背面分别沉积80nm和60nm的TCO薄膜，利用丝网印刷分别制作正面和背面金属电极，形成薄型SHJ太阳电池。在电池的制作过程中，由于硅片变薄、重量变轻，而且具有柔性，由于摩擦产生的划伤比例控制到0.3％以下，碎片率达到0.5％以下，显示了柔性硅片的优势。
作为示例，以上介绍了具有对称结构，且工艺温度低于200度的SHJ太阳电池，该发明的柔性硅片处理技术同样可用于高温工艺的PERC，TOPCon，IBC等非对称结构太阳电池制作，同样具有良好的柔性。
Claims (8)
1.一种柔性单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将单晶硅片制绒、清洗，在单晶硅片表面和背面制作金字塔减反射结构；
(2)利用等离子体刻蚀对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷进行圆滑处理； 所述圆滑处理具体为：把相同尺寸的多个单晶硅片叠加在一起，把硅片放入等离子体刻蚀机的等离子体腔，用夹具固定硅片，利用等离子体对多个硅片的侧面同时刻蚀，使硅片侧面以及边缘部分的金字塔、菱角、突刺和凹槽的峰和谷变得圆滑；对单晶硅片的侧面的菱角、突刺和凹槽进行圆滑处理，使棱角、突刺和凹槽的曲率半径大于50纳米；对单晶硅片的边缘区域进行圆滑处理，处理区域到硅片边缘的距离不大于5毫米；
(3)清洗。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中制绒后的单晶硅片厚度在140微米以下。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相同尺寸的多个单晶硅片在垂直方向对齐，使等离子体对每个硅片侧面以及边缘的正面和背面刻蚀范围的宽度和刻蚀深度均匀。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中等离子体刻蚀采用的等离子体为纯氟化气体或氟化气体混合物，所述纯氟化气体包括四氟化碳CF4、三氟化氮NF3、六氟化硫SF6、六氟乙烷C2F6中至少一种气体，所述氟化气体混合物包括四氟化碳CF4、三氟化氮NF3、六氟化硫SF6、六氟乙烷C2F6中至少一种氟化气体与氩气、氧气、氮气中至少一种载气的混合气体。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中对单晶硅片的侧面以及边缘部分的正面和背面的金字塔进行圆滑处理，使金字塔谷部的曲率半径达到100纳米以上。
6.一种如权利要求1所述的制备方法制备得到的柔性单晶硅片。
7.一种柔性太阳电池，其特征在于，所述太阳电池包括如权利要求6所述的柔性单晶硅片。
8.根据权利要求7所述的柔性太阳电池，其特征在于，所述柔性太阳电池包括硅异质结太阳电池、隧穿氧化层钝化接触太阳电池或背接触太阳电池。
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