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CN111697089A - 适用于太阳能电池的硅片及其制备方法 - Google Patents

适用于太阳能电池的硅片及其制备方法 Download PDF

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CN111697089A
CN111697089A CN202010603145.6A CN202010603145A CN111697089A CN 111697089 A CN111697089 A CN 111697089A CN 202010603145 A CN202010603145 A CN 202010603145A CN 111697089 A CN111697089 A CN 111697089A
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CN
China
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silicon wafer
pits
preparation
pit
receiving area
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CN202010603145.6A
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丁建明
崔俊虎
袁地春
崔钟亨
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Hanwha Q Cells Qidong Co Ltd
Original Assignee
Hanwha SolarOne Qidong Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能电池的硅片，所述硅片包括本体以及位于所述本体相对两面的正面和背面，所述硅片的正面包括用于接收光线的接收区以及用于印刷栅线的栅线区，所述接收区内设置有凹坑，所述凹坑用于降低所述硅片的反射率。本发明的适用于太阳能电池的硅片，硅片的正面包括具有凹坑的接收区以及没有凹坑的栅线区，后续制备得到的电池片中的接收区用于接收光线，且由于凹坑的存在，反射率降低，能够使得更多的光线被电池片接收；而栅线区较为平坦，后续将表面金属化栅线铺在平坦区域，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了硅片与栅线之间的有效连接，保证了电流导通。

Description

适用于太阳能电池的硅片及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种适用于太阳能电池的硅片以及该硅片的制备方法。
背景技术
太阳能发电技术是基于半导体“光生伏特效应”将光转化为电的一种新能源技术，且由于其清洁、可再生、应用范围广等特点受到了大家的青睐，而太阳能电池片是整个发电系统的核心部件。
太阳能电池的原理为“光生伏特”效应，入射光的比例直接影响电池片的输出效率，所以降低电池片表面的反射率是最直接的提升电池片转换效率的方法。在晶体硅片上实现粗糙表面，可以减少入射光的反射，增加入射光的利用率。利用脉冲激光扫描硅片表面，能够快速将硅片表面形成具有粗糙度的凹坑绒面。相比化学制绒，激光制绒具有更低的反射率优势。但是当激光制备的凹坑的顶部与底部高度差过大时，在其表面上制作的金属化栅线宽度及厚度不均匀，不但增加了金属用量，而且增加了栅线电阻，影响了电流导通，如图1所示。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的适用于太阳能电池的硅片，该硅片结构能够有效改善激光处理后硅片上栅线的形态问题，保证了硅片与栅线的有效连接。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种适用于太阳能电池的硅片，所述硅片包括本体以及位于所述本体相对两面的正面和背面，所述硅片的正面包括用于接收光线的接收区以及用于印刷栅线的栅线区，所述接收区内设置有凹坑，所述凹坑用于降低所述硅片的反射率。
若将硅片的正面所有区域均形成凹坑，那么凹坑的顶部与底部高度差过大，在其表面上制作的金属化栅线宽度及厚度不均匀，不但增加了金属用量，而且增加了栅线电阻，影响了电流导通。所以本发明选择在硅片表面的局部进行激光处理，使需要接收光线的地方形成凹坑以降低反射率，同时在硅片上对应后续需要印刷栅线的位置不做激光处理，使得硅片后续制备得到的电池片的表面具有两种不同深度的绒面结构，包括具有凹坑的大绒面区域保证减反射效果，以及具有小绒面区域利于形成均匀的金属化栅线。且适用于单晶、多晶、准单晶或者类单晶等各类硅片。
在一些实施例中，栅线区的宽度比栅线的宽度宽0.08～0.24mm。如栅线的宽度为0.04mm，那么栅线区的宽度可以为0.08mm。具体的可以根据金属化设备的精准度进行调整。
优选地，所述凹坑规则地分布在所述接收区内，保证反射率的降低和均匀性。
优选地，所述凹坑的直径为10～100μm，所述凹坑的深度为1～20μm，同一个接收区内相邻所述凹坑之间的距离为0～10μm。
更加优选地，所述凹坑的直径为20～40μm，所述凹坑的深度为5～15μm，同一个接收区内相邻的凹坑之间紧密连接，即凹坑之间没有间距，以形成更多的凹坑，进一步保证反射率的降低和均匀性。
优选地，所述凹坑为采用激光处理形成。根据本发明的一些优选实施方面，所述激光处理为采用激光在硅片的表面形成凹坑，所述激光参数为功率1～200W，频率100～600kHz，速度0.2～2m/s。通过在硅片的表面形成凹坑从而降低反射率。在一些实施例中优选激光参数为功率100W，频率300kHz，速度1m/s。
本发明还提供了一种如上所述的适用于太阳能电池的硅片的制备方法，包括以下步骤：对所述硅片正面的接收区进行激光处理，所述激光处理用于在所述硅片正面的接收区内形成所述凹坑。通过激光技术在原硅片表面进行规则的打孔处理，可有效降低表面反射率；且分区域选择性激光，使得硅片后续制备得到的电池片的表面具有两种不同深度的绒面结构，金属化栅线铺在未进行激光的栅线区域，使得形成的金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了电流导通，保证了硅片与栅线之间的有效连接。
优选地，所述制备方法还包括对激光处理后的硅片的正面进行刻蚀，所述刻蚀用于去除激光处理后硅片表面产生的熔融硅。所述刻蚀为采用混合酸溶液进行刻蚀；所述混合酸溶液包括HNO3、HF、H2SO4。所述混合酸溶液中HNO3的溶度为500～700g/L，HF的溶度为10～30g/L，H2SO4的浓度为60～80g/L。在本发明一些具体的实施例中，所述混合酸溶液中HNO3的溶度为600g/L，HF的溶度为20g/L，H2SO4的浓度为70g/L。
虽然激光处理能够有效降低硅片的反射率，但由于激光处理后表面残留的熔融硅会带来严重复合产生复合层。由于熔融硅的复合层的存在，严重影响了光线的接收和转换，所以对于仅仅通过激光处理的电池片来说低反射率并不能带来高转化效率。对于此，本发明对激光处理后的硅片进行刻蚀以去除硅片表面的复合层，且通过刻蚀之后的硅片制备得到的电池片将反射率的优势进一步体现在电学性能上，硅片各项电学性能均有明显提升。
更加优选地，所述制备方法还包括在刻蚀后的酸液制绒步骤，所述酸液制绒为采用混合酸制绒液对刻蚀后的硅片进行正面和背面制绒。所述混合酸制绒液包括HNO3和HF；所述混合酸制绒液中HNO3的溶度为200～400g/L，HF的溶度为50～70g/L。在本发明一些具体的实施例中，所述混合酸制绒液包括HNO3和HF，其中，HNO3的溶度为300g/L，HF的溶度为60g/L。
激光参数、凹坑参数以及混合酸刻蚀溶液以及混合酸制绒液之间相互配合，以达到最好的效果，后续制备得到的电池片能够得到一个最优的转换效率。
进一步优选地，所述制备方法还包括在所述酸液制绒之后的扩散步骤，所述扩散步骤用于在所述硅片上形成PN结。扩散步骤中的具体操作为本领域的常规技术手段，但是本发明中是先将原始硅片进行激光处理降低硅片的反射率，之后进行刻蚀去除硅片的复合层，再采用混合酸制绒，经过了上述的处理步骤之后，再进行扩散。这样的优势在于硅片经过了激光处理之后，表面的反射率明显降低，之后经过刻蚀去除复合层，能够有效去除激光后硅片表面残留的熔融硅，之后再进行制绒和扩散，通过上述的步骤次序，不仅能够有效降低硅片的表面反射率，且能够有效提升后续制备得到的电池片的各项电学性能。
优选地，所述制备方法还包括金属化步骤，所述金属化步骤用于在所述栅线区内形成栅线。即本发明采用激光技术在硅片正面的接收区内形成规则的凹坑，降低硅片的反射率，使得更多的光能够被硅片接收；而在需要制作栅线的部分不进行激光处理，其仍然是较为平坦的表面，后续在进行栅线制作的时候，形成的金属化栅线的形态不会改变，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了电流导通。
在本发明的一些实施例中，硅片形成太阳能电池片的制备方法，还包括常规的处理步骤如在扩散步骤之后的刻蚀去结、抛光、沉积、镀膜等，以及在金属化步骤之后的烧结等步骤。丝网印刷是金属化步骤的具体的一种实现方式，也有其他的方式(电镀等)来形成导电的栅线。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的适用于太阳能电池的硅片，硅片的正面包括具有凹坑的接收区以及没有凹坑的栅线区，后续制备得到的电池片中的接收区用于接收光线，且由于凹坑的存在，反射率降低，能够使得更多的光线被电池片接收；而栅线区较为平坦，后续将表面金属化栅线铺在平坦区域，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了硅片与栅线之间的有效连接，保证了电流导通。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为硅片表面全部具有凹坑后形成的电池片的放大图；
图2为本发明优选实施例中硅片表面局部具有凹坑后形成的电池片的放大图；
图3为本发明优选实施例的硅片的示意图；
图4为本发明优选实施例的适用于太阳能电池的硅片的流程框图；
图5为硅片正面经激光处理后的扫描电镜图像；
图6为本发明优选实施例中激光处理后的硅片经刻蚀后的扫描电镜图像；
图7为本发明优选实施例中刻蚀后的硅片制绒后的扫描电镜图像
附图中：接收区-1，凹坑-2，栅线区-3，栅线-4。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一适用于太阳能电池的硅片
如图2-3所示，本实施例中的适用于太阳能电池的硅片，包括本体以及位于本体相对两面的正面和背面，硅片的正面包括用于接收光线的接收区以及用于印刷栅线的栅线区，接收区内设置有凹坑，凹坑用于降低硅片的反射率，凹坑规则地分布在接收区内，保证反射率的降低和均匀性。
凹坑为采用激光处理形成。本实施例中优选激光参数为功率100W，频率300kHz，速度1m/s。其他实施例中，激光参数为功率1～200W，频率100～600kHz，速度0.2～2m/s。通过在硅片的表面形成凹坑从而降低反射率。
凹坑的直径为20～40μm，凹坑的深度为5～15μm，同一个接收区内相邻凹坑之间的距离为0～10μm。本实施例中凹坑的直径为30μm，凹坑的深度为10μm，同一个接收区内相邻的凹坑之间紧密连接，即凹坑之间没有间距，以形成更多的凹坑，进一步保证反射率的降低和均匀性。
若将硅片的正面所有区域均采用激光处理形成凹坑，那么凹坑的顶部与底部高度差过大，在其表面上制作的金属化栅线宽度及厚度不均匀，不但增加了金属用量，而且增加了栅线电阻，影响了电流导通。所以本发明选择在硅片表面的局部进行激光处理，使需要接收光线的地方形成凹坑以降低反射率，同时在硅片上对应后续需要印刷栅线的位置不做激光处理，使得硅片后续制备得到的电池片的表面具有两种不同深度的绒面结构，包括具有凹坑的大绒面区域保证减反射效果，以及具有小绒面区域利于形成均匀的金属化栅线。
本实施例中考虑到金属化栅线位置在硅片表面上的误差，设置将小绒面区域放宽。栅线区的宽度比栅线的宽度宽0.08～0.24mm。如栅线的宽度为0.04mm，那么栅线区的宽度可以为0.08mm。具体的可以根据金属化设备的精准度进行调整。
为了克服高低差较大的凹坑绒面对金属化栅线的影响，本实施例中硅片的表面具有两种不同深度的绒面结构，包括具有大绒面区域保证减反射效果，又具有小绒面区域有利于形成均匀的金属化栅线，制备得到的电池片既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了电流导通。
本发明的适用于太阳能电池的硅片，硅片的正面包括具有凹坑的接收区以及没有凹坑的栅线区，后续制备得到的电池片中的接收区用于接收光线，且由于凹坑的存在，反射率降低，能够使得更多的光线被电池片接收；而栅线区较为平坦，后续将表面金属化栅线铺在平坦区域，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了硅片与栅线之间的有效连接，保证了电流导通。
为了克服高低差较大的凹坑绒面对金属化栅线的影响，本发明的目的是提供硅片表面具有两种不同深度的绒面结构，包括具有大绒面区域即接收区保证减反射效果，又具有小绒面区域即栅线区有利于形成均匀的金属化栅线。具体为，在激光处理时，将所述的小绒面区域设置为不进行激光。与整片激光制绒相比，本发明的选择性激光制绒后，硅片表面分为两种区域：一为激光处理过的区域即接收区，二为激光没有处理过的区域即栅线区；激光处理过的区域具有粗糙度形成绒面结构，没有激光处理过的区域保留激光前的硅片表面平坦形貌。本发明的技术效果是根据激光扫描路径具有不同区域可以不同设置的特性，在金属化栅线区域保留平坦形貌。金属化时，进行图形对准，从而将栅线制作在保留的平坦区域，能够保持均匀的栅线形貌，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了电流导通。
实施例二适用于太阳能电池的硅片的制备方法
参照图4至7，本实施例提供的是实施例1中适用于太阳能电池的硅片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：激光处理
对硅片的表面进行激光处理，用于降低硅片表面的反射率。
激光处理为采用激光在硅片的表面形成凹坑，且凹坑规则分布，如图2所示。激光参数为功率1～200W，频率100～600kHz，速度0.2～2m/s。本实施例中优选激光参数为功率100W，频率300kHz，速度1m/s。
通过在硅片的表面形成凹坑从而降低反射率。凹坑的直径为20～40μm，凹坑的深度为5～15μm，同一个接收区内相邻凹坑之间的距离为0～10μm。本实施例中凹坑的直径为30μm，凹坑的深度为10μm，同一个接收区内相邻的凹坑之间紧密连接，即凹坑之间没有间距，以形成更多的凹坑，进一步保证反射率的降低和均匀性。
且本实施例中为了保证在后续制备电池片时硅片上栅线的形态，本实施例中选择性的在硅片的正面进行激光处理。具体如下：硅片的正面包括用于接收光线的接收区以及用于印刷栅线的栅线区，凹坑分布在接收区内。
若将硅片的正面所有区域均采用激光形成凹坑，那么凹坑的顶部与底部高度差过大时，在其表面上制作的金属化栅线宽度及厚度不均匀，不但增加了金属用量，而且增加了栅线电阻，影响了电流导通。所以本发明选择在硅片表面的局部进行激光处理，使需要接收光线的地方形成凹坑以降低反射率，同时在硅片上对应后续需要印刷栅线的位置不做激光处理，使得硅片后续制备得到的电池片的表面具有两种不同深度的绒面结构，包括具有凹坑的大绒面区域保证减反射效果，以及具有小绒面区域利于形成均匀的金属化栅线。
步骤S2：刻蚀
对激光处理后的硅片的正面和背面进行刻蚀，正面刻蚀用于去除激光处理后硅片表面产生的熔融硅复合层，背面刻蚀用于释放硅片经激光处理之后产生的应力。
刻蚀为采用混合酸溶液进行刻蚀；混合酸溶液包括HNO3、HF、H2SO4，且混合酸溶液中HNO3的溶度为500～700g/L，HF的溶度为10～30g/L，H2SO4的浓度为60～80g/L。
具体的，本实施例中，混合酸溶液中HNO3的溶度为600g/L，HF的溶度为20g/L，H2SO4的浓度为70g/L。
步骤S1通过激光技术在原硅片表面进行规则的打孔处理，可有效降低表面反射率，但由于激光处理后表面残留的熔融硅会带来严重复合产生复合层，如图2所示，硅片上存在熔融硅以及杂质等缺陷。由于熔融硅的复合层的存在，严重影响了光线的接收和转换，所以对于仅仅通过激光处理的电池片来说低反射率并不能带来高转化效率。对于此，本实施例中通过步骤S2对激光处理后的硅片进行刻蚀以去除硅片表面的复合层，如图3所示，硅片的反射率仍然远低于化学腐蚀制绒得到的硅片的反射率，且通过刻蚀之后的硅片制备得到的电池片将反射率的优势进一步体现在电学性能上，电池片各项电学性能均有明显提升。
步骤S3：制绒
经激光和刻蚀后的硅片进行酸液制绒，制绒后的硅片的扫描电镜图如图4所示。酸液制绒为采用混合酸制绒液对刻蚀后的硅片进行正面和背面制绒。混合酸制绒液包括HNO3和HF，且混合酸制绒液中HNO3的溶度为200～400g/L，HF的溶度为50～70g/L。
具体的，本实施例中，混合酸制绒液包括HNO3和HF，其中，HNO3的溶度为300g/L，HF的溶度为60g/L。
步骤S4：扩散
激光、刻蚀、酸液制绒之后的硅片再进行扩散，扩散步骤用于在硅片上形成N型半导体和P型半导体的交界面，即PN结。
扩散步骤中的具体操作为本领域的常规技术手段，但是本发明中是先将原始硅片进行激光处理降低硅片的反射率，之后进行刻蚀去除硅片的复合层，再采用混合酸制绒，经过了上述的处理步骤之后，再进行扩散。这样的优势在于硅片经过了激光处理之后，表面的反射率明显降低，之后经过刻蚀去除复合层，能够有效去除激光后硅片表面残留的熔融硅，避免熔融硅对后续电池片的电学性能产生影响，之后再进行制绒和扩散，通过上述的步骤次序，不仅能够有效降低硅片的表面反射率，且能够有效提升后续制备得到的电池片的各项电学性能。
经过扩散之后的硅片再进行后续的刻蚀去结、抛光、沉积、镀膜、金属化、烧结等常规步骤即能够得到适用于光伏组件的太阳能电池片。其中，金属化用于在所述栅线区内形成栅线。丝网印刷是金属化步骤的具体的一种实现方式，也有其他的方式(电镀等)来形成导电的栅线。
本实施例采用激光技术在硅片正面的接收区内形成规则的凹坑，降低硅片的反射率，使得更多的光能够被硅片接收；而在需要印刷栅线的部分不进行激光处理，其仍然是较为平坦的表面，后续在进行栅线印刷的时候，形成的金属化栅线的形态不会改变，金属化栅线粗细厚度均匀，既节约了金属用量，又保持了较小的栅线电阻，保证了电流导通。
对比例一
本对比例中的制备方法与实施例二的中制备方法的区别点在于：本对比例中的硅片在进行激光处理之后直接进行化学制绒操作，即本对比例的硅片不进行实施例二中的步骤S2刻蚀，直接从步骤S1跳到S3进行处理，并最终得到电池片。
除去步骤S2，本对比例中其余的步骤和参数与实施例二相同。
对比例二
本对比例中的制备方法与实施例二的中制备方法的区别点在于：本对比例中的硅片直接进行化学制绒，即本对比例的硅片不进行实施例二中的步骤S1和S2，直接从步骤S3进行处理，并最终得到电池片。
除去步骤S1和S2，本对比例中其余的步骤和参数与实施例二相同。
对比例三
本对比例中制备方法与实施例二的中制备方法的区别点在于：本对比例中的硅片在进行激光处理时设置为整面进行激光，之后进行后续工艺流程。完成电池片制作后，表面金属化栅线铺满接触的激光坑，金属化栅线粗细厚度不均匀，不但增加了金属用量，而且增加了栅线电阻，影响了电流导通，如图1所示。
实施例三
本实施例对实施例二、对比例一和对比例二、对比例三中制备得到的四个不同反射率的硅片进行反射率测试和比较，并将硅片进一步制备得到的电池片进行了转化效率测试，其中，Voc为开路电压(open circuit voltage)，Isc为短路电流(short circuitcurrent)，FF为填充因子(fill factor)，Eta为转化效率(efficient ratio)，结果如下表：
表1反射率和电学性能的测试结果
项目 制绒后反射率％ Uoc/V Isc/A FF％ Eta％
实施例二 22.33 0.645 9.12 80.18 19.39
对比例一 20.98 0.627 8.76 77.05 17.40
对比例二 25.17 0.644 9.03 80.07 19.13
对比例三 22.19 0.643 9.14 80.10 19.36
表1的结果表明，实施例二和对比例三比较可知，二者的反射率差别较小，但是实施例二的FF较高，且提升了绝对值0.03％的转化效率。对比例一中经过激光处理后的硅片再进行制绒，硅片表面反射率得到绝对值3％的降低，但是由于硅片正面具有熔融硅的复合层，导致虽然反射率降低，但是电学性能不仅没有上升，反而下降了。实施例二中将经过激光处理之后的硅片采用酸液进行正背面刻蚀，其中正面刻蚀用于去除具有熔融硅的复合层，背面刻蚀用于释放应力，之后再进行化学酸液制绒、扩散等操作，有效去除了杂质和缺陷，使反射率降低的优势进一步体现在了效率提升上，提升了绝对值0.23％的转化效率。其中，实施例二与对比例一比较，可以看出，虽然反射率有一定程度的上升，但是各项电学性能均有明显的提升。实施例二和对比例二比较，实施例二的反射率仍然低于对比例二的反射率，且实施例二的Isc上升明显，对应的转化效率的提升也很显著。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于太阳能电池的硅片，其特征在于，所述硅片包括本体以及位于所述本体相对两面的正面和背面，所述硅片的正面包括用于接收光线的接收区以及用于印刷栅线的栅线区，所述接收区内设置有凹坑，所述凹坑用于降低所述硅片的反射率。
2.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述凹坑规则地分布在所述接收区内。
3.根据权利要求1或2所述的硅片，其特征在于，所述凹坑的直径为10～100μm，所述凹坑的深度为1～20μm，同一个接收区内相邻所述凹坑之间的距离为0～10μm。
4.根据权利要求3所述的硅片，其特征在于，所述凹坑的直径为20～40μm，所述凹坑的深度为5～15μm，同一个接收区内相邻的凹坑之间紧密连接。
5.根据权利要求1所述的硅片，其特征在于，所述凹坑为采用激光处理形成。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的适用于太阳能电池的硅片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对所述硅片正面的接收区进行激光处理，所述激光处理用于在所述硅片正面的接收区内形成所述凹坑。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对激光处理后的硅片的正面进行刻蚀，所述刻蚀用于去除激光处理后硅片表面产生的熔融硅。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在刻蚀后的酸液制绒步骤，所述酸液制绒为采用混合酸制绒液对刻蚀后的硅片进行正面和背面制绒。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述酸液制绒之后的扩散步骤，所述扩散步骤用于在所述硅片上形成PN结。
10.根据权利要求7-9任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括金属化步骤，所述金属化步骤用于在所述栅线区内形成栅线。
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