CN107170846A - 单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：S1、通过气相化学腐蚀方法在单晶硅片表面引入微纳缺陷；S2、采用碱刻蚀制绒工艺在单晶硅片表面形成金字塔结构；S3、采用酸溶液对上述硅片进行清洗，去除单晶硅片表面杂质残留。本发明在碱刻蚀制绒步骤前先通过气相化学腐蚀方法形成微纳尺寸的缺陷起绒点，再进行常规碱制绒能够快速获得理想的金字塔绒面并去除表面切割线痕，且制备的金字塔绒面具有优异的陷光性能；实际工艺中大大降低了碱刻蚀制绒时间，提高了单晶硅太阳能电池的生产效率；气相化学腐蚀方法中不需要引入金属离子，避免因清洗不彻底而导致金属杂质污染单晶硅片的风险，大大提高了绒面质量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法。
背景技术
光伏发电是新能源的重要组成，近年来获得了飞速发展。目前商业化的太阳电池产品中，晶体硅(单晶和多晶)太阳电池的市场份额最大，一直保持接近九成的市场占有率。
目前，在晶体硅太阳电池的生产工艺中，绒面工艺的目的是降低太阳电池的表面反射率，从而提高太阳电池的光电转换效率。为了在晶体硅片表面获得性能优异的绒面结构，光伏业界尝试了许多方法，如机械刻槽法、激光刻蚀法、反应离子刻蚀法(RIE)、化学腐蚀法(即湿法腐蚀)等。其中，基于碱液的单晶硅化学腐蚀和基于酸液的多晶硅化学腐蚀是目前晶硅电池制绒工艺中普遍使用的技术，绒面结构一般呈微米级，制成电池后表面反射率总体而言仍偏高。
在硅片表面形成纳米结构能够进一步降低其表面反射率，本申请人已公开的中国发明专利201310127230.X已公开了一种晶体硅表面纳米绒面的制备方法，其主要包括如下步骤：
(1)将多晶硅硅片进行清洗、腐蚀制绒，形成微米级绒面；
(2)将硅片放入含有金属离子的溶液中浸泡，使硅片表面涂覆一层金属纳米颗粒；
(3)用第一化学腐蚀液腐蚀硅片表面，形成纳米级绒面；
(4)分别用第一清洗液、第二清洗液、去离子水清洗上述硅片，去除金属颗粒；
(5)将上述硅片放入第二化学腐蚀液中进行微结构修正刻蚀。
上述方法能够将多晶硅片表面绒面的反射率降低至12％～20％，但上述方法针对的多晶硅片，其对多晶硅片直接进行腐蚀制绒，然后采用多种化学腐蚀液对绒面进行修正刻蚀，虽能形成较好的绒面以提高电池片的转换效率，但在实际工艺中步骤繁琐，制绒工艺时间较长，提高了太阳能电池的制造成本。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：
S1、通过气相化学腐蚀方法在单晶硅片表面引入微纳缺陷；
S2、采用碱刻蚀制绒工艺在单晶硅片表面形成金字塔结构；
S3、采用酸溶液对上述硅片进行清洗，去除单晶硅片表面杂质残留。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中气相化学腐蚀方法具体为：
将单晶硅片放入含有腐蚀性气体的气氛中，腐蚀单晶硅片表面以引入微纳缺陷，所述腐蚀性气体为F2、或Cl2、或HF与氧化性气体的混合气体中的一种或多种，所述氧化性气体为O2、O3、N2O、NO、NO2中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，
当腐蚀性气体为F2时，F2的浓度范围为0.1～10％；
当腐蚀性气体为Cl2时，Cl2的浓度范围为0.1～10％；
当腐蚀性气体为HF与氧化性气体的混合气体时，HF与氧化性气体的体积比为不小于1:10，HF与氧化性气体的总浓度范围为0.1～20％。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中气相化学腐蚀方法的反应温度为20～100℃，反应时间为0.5～5min。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中碱刻蚀制绒工艺具体为：
将单晶硅片放入浓度为0.5～5％的NaOH溶液或KOH溶液中，在单晶硅片表面形成金字塔结构。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中碱刻蚀制绒工艺的反应温度为5～85℃，碱刻蚀制绒时间为5～10min，金字塔结构的大小为1～5μm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体为：
将单晶硅片放入清洗溶液中清洗，清洗时间为1～5min，去除单晶硅片表面杂质残留。
作为本发明的进一步改进，所述酸溶液为HF或HF/HCl；其中，
当酸溶液为HF时，HF的浓度为1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min；
当酸溶液为HF/HCl时，HF和HCl的浓度分别为1～5％和1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min。
作为本发明的进一步改进，所述单晶硅片为金刚线切单晶硅片或砂浆线切单晶硅片。
本发明的有益效果是：
在碱刻蚀制绒步骤前先通过气相化学腐蚀方法形成微纳尺寸的缺陷起绒点，再进行常规碱制绒能够快速获得理想的金字塔绒面并去除表面切割线痕，且制备的金字塔绒面具有优异的陷光性能；
实际工艺中大大降低了碱刻蚀制绒时间，提高了单晶硅太阳能电池的生产效率；
相比金属催化化学腐蚀方法，气相化学腐蚀方法中不需要引入金属离子，避免因清洗不彻底而导致金属杂质污染单晶硅片的风险，大大提高了绒面质量；
绒面制备方法简单易行，与现有工业化生产工艺兼容性较好，可以快速移植到工业化生产中，适于推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为本发明中单晶硅太阳能电池表面绒面结构的制备方法的具体流程图；
图2为本发明一优选实施例中气相腐蚀后的单晶硅片表面SEM电镜图；
图3为本发明一优选实施例中碱刻蚀制绒后的单晶硅片表面SEM电镜图。
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中的技术方案，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。
参图1所示，本发明公开了一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：
S1、通过气相化学腐蚀方法在单晶硅片表面引入微纳缺陷；
S2、采用碱刻蚀制绒工艺在单晶硅片表面形成金字塔结构；
S3、采用酸溶液对上述硅片进行清洗，去除单晶硅片表面杂质残留。
在本发明的步骤S1中，气相化学腐蚀方法具体为：
将单晶硅片放入含有腐蚀性气体的气氛中，腐蚀单晶硅片表面以引入微纳缺陷，其中，腐蚀性气体为F2、或Cl2、或HF与氧化性气体的混合气体中的一种或多种，氧化性气体为O2、O3、N2O、NO、NO2中的一种或多种。
优选地，当腐蚀性气体为F2时，F2的浓度范围为0.1～10％；
优选地，当腐蚀性气体为Cl2时，Cl2的浓度范围为0.1～10％；
优选地，当腐蚀性气体为HF与氧化性气体(O2、O3、N2O、NO、NO2中的一种或多种)的混合气体时，HF与氧化性气体(O2、O3、N2O、NO、NO2中的一种或多种)的体积比为不小于1:10，HF与氧化性气体的总浓度范围为0.1～20％。
优选地，气相化学腐蚀方法的反应温度为20～100℃，反应时间为0.5～5min。
本发明中首先通过气相化学腐蚀方法形成微纳尺寸的缺陷起绒点，当然，在其他实施方式中，为了提高微纳缺陷的质量，还可以先采用碱溶液对单晶硅片进行抛光，然后再通过气相化学腐蚀方法在单晶硅片表面形成微纳缺陷。
在本发明的步骤S2中，碱刻蚀制绒工艺具体为：
将单晶硅片放入浓度为0.5～5％的NaOH溶液或KOH溶液中，在单晶硅片表面形成金字塔结构。
优选地，步骤S2中碱刻蚀制绒工艺的反应温度为5～85℃，碱刻蚀制绒时间为5～10min，金字塔结构的大小为1～5μm。
在本发明的步骤S3中，酸溶液清洗工艺具体为：
将单晶硅片放入清洗溶液中清洗，清洗时间为1～5min，去除单晶硅片表面杂质残留。
优选地，酸溶液为HF或HF/HCl；其中，
当酸溶液为HF时，HF的浓度为1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min；
当酸溶液为HF/HCl时，HF和HCl的浓度分别为1～5％和1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min。
其中，本发明中提及的单晶硅片可为金刚线切单晶硅片或砂浆线切单晶硅片。
由于金刚线切单晶硅片或砂浆线切单晶硅片产生有浅的损伤层以及平行线痕，导致常规碱制绒不易腐蚀出具有优异陷光性能的金字塔，本发明针对单晶硅片，在碱刻蚀制绒之前通过气相化学腐蚀方法形成微纳尺寸的缺陷起绒点，从而有利于快速获得理想的金字塔绒面结构，并可有效去除表面切割线痕。
与现有的碱刻蚀制绒相比，常规碱刻蚀制绒步骤通常需花费20～30min，形成的金字塔结构较大，大约为3-6μm；而本发明的方法在碱刻蚀制绒步骤前先形成微纳缺陷，是一种全新的方法，通过该方法可以将碱刻蚀制绒步骤花费的时间控制在5～10min，形成的金字塔结构较小，大约为1～5μm，该步骤在实际工艺中大大降低了制绒时间，提高了单晶硅太阳能电池的生产效率，取得了意想不到的效果。
同时，本发明单晶硅片上绒面结构的反射率能够达到8～12％，较现有碱刻蚀得到的绒面结构的反射率(约10～20％)更为优越。
在本发明的一优选实施例中，单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法具体包括以下步骤：
1)将厚度为180±10μm、大小为156mm×156mm的金刚线切单晶硅片放入含有F2的气相腐蚀气氛中，F2的浓度为3％，反应温度为100℃，反应时间为3min，在单晶硅片表面形成微纳缺陷，由图2可见，经过气相化学腐蚀方法后单晶硅片表面具有若干微纳缺陷，作为后续制绒的缺陷起绒点。
2)将单晶硅片放入浓度为2％的NaOH溶液中进行碱刻蚀制绒，反应温度为80℃，反应时间为8min，在单晶硅片表面形成金字塔结构。
3)将碱制绒后的单晶硅片放入5％的HF溶液中清洗，清洗时间为3min，清洗温度为25℃，对单晶硅片的表面绒面进行修正并去除表面各种残留物杂质。
如图3所示为经过8min碱刻蚀制绒后的单晶硅片表面SEM电镜图，可以发现，单晶硅片表面金字塔绒面结构较为理想，金字塔结构的大小为1～5μm。经测试，该单晶硅片上绒面结构的反射率能够达到10％，较常规碱刻蚀制绒获得的绒面结构(约12％)更为理想。
由以上技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
在碱刻蚀制绒步骤前先通过气相化学腐蚀方法形成微纳尺寸的缺陷起绒点，再进行常规碱制绒能够快速获得理想的金字塔绒面并去除表面切割线痕，且制备的金字塔绒面具有优异的陷光性能；
实际工艺中大大降低了碱刻蚀制绒时间，提高了单晶硅太阳能电池的生产效率；
相比金属催化化学腐蚀方法，气相化学腐蚀方法中不需要引入金属离子，避免因清洗不彻底而导致金属杂质污染单晶硅片的风险，大大提高了绒面质量；
绒面制备方法简单易行，与现有工业化生产工艺兼容性较好，可以快速移植到工业化生产中，适于推广应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：
S1、通过气相化学腐蚀方法在单晶硅片表面引入微纳缺陷；
S2、采用碱刻蚀制绒工艺在单晶硅片表面形成金字塔结构；
S3、采用酸溶液对上述硅片进行清洗，去除单晶硅片表面杂质残留。
2.根据权利要求1所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S1中气相化学腐蚀方法具体为：
将单晶硅片放入含有腐蚀性气体的气氛中，腐蚀单晶硅片表面以引入微纳缺陷，所述腐蚀性气体为F2、或Cl2、或HF与氧化性气体的混合气体中的一种或多种，所述氧化性气体为O2、O3、N2O、NO、NO2中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，
当腐蚀性气体为F2时，F2的浓度范围为0.1～10％；
当腐蚀性气体为Cl2时，Cl2的浓度范围为0.1～10％；
当腐蚀性气体为HF与氧化性气体的混合气体时，HF与氧化性气体的体积比为不小于1:10，HF与氧化性气体的总浓度范围为0.1～20％。
4.根据权利要求2所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S1中气相化学腐蚀方法的反应温度为20～100℃，反应时间为0.5～5min。
5.根据权利要求1所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S2中碱刻蚀制绒工艺具体为：
将单晶硅片放入浓度为0.5～5％的NaOH溶液或KOH溶液中，在单晶硅片表面形成金字塔结构。
6.根据权利要求5所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S2中碱刻蚀制绒工艺的反应温度为5～85℃，碱刻蚀制绒时间为5～10min，金字塔结构的大小为1～5μm。
7.根据权利要求1所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
将单晶硅片放入清洗溶液中清洗，清洗时间为1～5min，去除单晶硅片表面杂质残留。
8.根据权利要求6所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述酸溶液为HF或HF/HCl；其中，
当酸溶液为HF时，HF的浓度为1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min；
当酸溶液为HF/HCl时，HF和HCl的浓度分别为1～5％和1～5％，清洗温度为15～45℃，清洗时间0.5～5min。
9.根据权利要求1所述的单晶硅太阳能电池的表面绒面制备方法，其特征在于，所述单晶硅片为金刚线切单晶硅片或砂浆线切单晶硅片。
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