CN114420787B - 一种太阳能电池退火方法及退火设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池退火方法及退火设备，涉及太阳能光伏技术领域。其中，在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，再在第二工艺时间对基底进行光注入，超临界二氧化碳密度高，对氢气的溶解度高，能够将氢更好地传递到基底上，从而避免了氢溢出问题，增强了氢钝化作用，通过光注入进行氢激发后，能够充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升了钝化效果，提高了电池的转换效率与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种太阳能电池退火方法及退火设备。
背景技术
在太阳能电池的制备工艺中退火是一种广泛应用的后处理方法，在退火中可以引起太阳能电池缺陷态的变化，提升太阳能电池的功率。
目前，太阳能电池光伏领域主要在丝网印刷后采用氢退火处理，但是，目前氢退火工艺可能出现氢溢出的问题，不能充分修复太阳能电池的缺陷，使得太阳能电池的效率稳定性差，在组件封装后出现效率回落的问题，导致电池质量较差。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池退火方法及退火设备，旨在提升充分修复太阳能电池的缺陷，提高太阳能电池的效率稳定性，提升电池质量。
第一方面，在本发明实施中提供了一种太阳能电池退火方法，该方法可以包括：
在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳；
在第二工艺时间内对所述基底进行光注入。
可选地，所述向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，包括：
在50℃-150℃的温度下，将基底置于氢气气氛中；
以1100psi-2100psi的压强向基底通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间。
可选地，所述第一工艺时间为5min-35min。
可选地，所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入，包括：
在200℃-300℃的温度下，采用光源对所述基底进行辐照第二工艺时间，所述光源包括卤素灯、红外灯管中的至少一种。
可选地，所述第二工艺时间为5min-10min。.
可选地，所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，还包括：
对所述基底进行丝网印刷制备电极。
可选地，所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，还包括：
在第三工艺时间内冷却所述基底。
可选地，所述第三工艺时间为10min-35min。
第二方面，在本发明实施中提供了一种退火设备，该退火设备包括第一反应室和第二反应室，该退火设备用于实现第一方面所述的太阳能电池退火方法，该方法可以包括：
将基底置于所述第一反应室中，对所述第一反应室抽真空处理通入氢气，使所述基底处于氢气气氛中；
向所述第一反应室中通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间；
将基底从所述第一反应室传输到第二反应室，在第二工艺时间内对所述基底进行光注入。
可选地，所述退火设备还包括第三反应室，所述将基底从所述第一反应室传输到第二反应室，在所述第二反应室中在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，所述方法还包括：
将所述基底传输到所述第三反应室，在所述第三反应室中对所述基底冷却第三工艺时间。
在本发明实施中提供了一种太阳能电池退火方法，其中，在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，再在第二工艺时间对基底进行光注入，超临界二氧化碳密度高，对氢气的溶解度高，能够将氢更好地传递到基底上，从而避免了氢溢出问题，增强了氢钝化作用，通过光注入进行氢激发后，能够充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升了钝化效果，提高了电池的转换效率与稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中的一种太阳能电池退火方法的步骤流程图；
图2示出了本发明实施例提供的另一种太阳能电池退火方法的步骤流程图；
图3示出了本发明实施例提供的一种退火设备的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种基于退火设备的太阳能电池退火方法。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中的一种太阳能电池退火方法的步骤流程图，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳。
本发明实施例中，基底可以是太阳能电池制备工艺中需要进行退火工艺的电池结构，如基底可以是TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact，隧穿氧化层钝化接触)电池、PERC电池(Passivated Emitter and Rear Cell，即钝化发射极和背面电池)等太阳能电池的制备工艺中，在硅片上制备不同膜层后获得的半成品太阳能电池。
本发明实施例中，氢气气氛可以通过向反应室内通入过量氢气实现，可选地，氢气气氛可以通过全氢气、混合氢气/氮气、氨分解等方式实现；超临界流体(Super Criticalfluid，SCF)指压力超过临界压力，温度超过临界温度状态下的流体，超临界状态下流体的气相、液相性质相近，具有气体的扩散性与液体的溶解能力，能够良好的溶解其他物质，二氧化碳的临界温度较低为31.26℃、临界压力为72.9atm(atmosphere，标准大气压)，控制二氧化碳流体超过临界温度、临界压力处于超临界状态，即可在低温环境下实现对氢气的良好溶解，将更多的氢气送入基底的硅表面，提高界面钝化的效果，也避免退火温度较高时对基底的损伤；其中，第一工艺时间可以根据工艺条件、工艺需求具体设置。
步骤102、在第二工艺时间内对所述基底进行光注入。
本发明实施例中，光注入是载流子注入的一种方式，载流子注入是指半导体通过外界作用而产生非平衡载流子的过程，光注入可以通过辐照控制氢原子价态使其与缺陷结合，形成非复合中心，降低基底中缺陷密度，提高氢钝化效果的工艺，载流子注入还可以是电注入。其中，可以在第二工艺时间内采用光源对基底进行辐照，以实现光注入，可选地，光源种类、第二工艺时间等工艺参数可以根据工艺条件、工艺需求具体设置。
在本发明实施中提供了一种太阳能电池退火方法，其中，在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，再在第二工艺时间对基底进行光注入，超临界二氧化碳密度高，对氢气的溶解度高，能够将氢更好地传递到基底上，从而避免了氢溢出问题，增强了氢钝化作用，通过光注入进行氢激发后，能够充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升了钝化效果，提高了电池的转换效率与稳定性。
图2示出了本发明实施例提供的另一种太阳能电池退火方法的步骤流程图，如图2所示，该方法可以包括：
步骤201、在50℃-150℃的温度下，将基底置于氢气气氛中。
本发明实施例中，50℃-150℃高于二氧化碳的临界温度，且温度较低，可以避免对基底的损伤，可选地，温度可以是50℃、55℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃等50℃-150℃之间的任意温度；基底、氢气气氛等可对应参照前述步骤201的相关描述，为避免重复，在此不再赘述。
步骤202、以1100psi-2100psi的压强向基底通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间。
本发明实施例中，二氧化碳的临界压力为72.9atm，可换算为1071.63psi(Poundsper square inch，磅力每平方英寸)，在50℃-150℃的温度、1100psi-2100psi的压强下，二氧化碳处于超临界状态，可选地，压强可以是1100psi、1150psi、1200psi、1300psi、1400psi、1500psi、1600psi、1700psi、1800psi、1900psi、2000psi、2100psi。此时，可以向基底通入过量的超临界二氧化碳，使氢气充分溶解在超临界二氧化碳中，以将更多氢气送到基底表面，其中，氢气、二氧化碳等气体可以选择5N(99.999％)及以上的纯度，本领域技术人员可以根据工艺条件、工艺需求选择压强大小、气体纯度等，本发明实施例对此不作具体限制。
可选地，所述第一工艺时间为5min-35min。
本发明实施例中，第一工艺时间可以是5min-35min的任意时间，如第一工艺时间可以是5min、6min、7min、8min、9min、10min、15min、20min、25min、30min、35min等。
步骤203、在200℃-300℃的温度下，采用光源对所述基底进行辐照第二工艺时间，所述光源包括卤素灯、红外灯管中的至少一种。
本发明实施例中，对基底进行光注入可以采用卤素灯、红外灯管等，其中，卤素灯指在白炽灯中添加卤素气体使其与升华的钨作用，将钨重新固化在钨丝上以延长钨丝寿命的光源，卤素灯成本低廉、亮度易调整、寿命长，可以用于集中照射的场合中；红外灯指将钨丝置于充气的石英管中，在交流电压下作用发热以加热石英管中的气体产生红外线辐射的光源，在卤素灯、红外灯管等的辐照下可以有效的进行氢激发，提高氢钝化效果，降低基底中缺陷密度。
本发明实施例中，光注入的反应温度可以是200℃-300℃内的任意温度，如光注入的反应温度可以是200℃、205℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃等。
可选地，所述第二工艺时间为5min-10min。
本发明实施例中，第二工艺时间5min-10min的任意时间，如第二工艺时间可以是5min、6min、7min、8min、9min、10min等。
步骤204、在第三工艺时间内冷却所述基底。
本发明实施中，在退火工艺中对基底进行冷却可以是随炉冷却，如对基底保温一段时间后缓慢冷却，也可以是较快冷却到目标温度后进行空气冷却至是室温，本发明实施例中对基底退火后得冷却方式不作具体限制。
可选地，所述第三工艺时间为10min-35min。
本发明实施例中，第三工艺时间10min-35min的任意时间，如第三工艺时间可以是10min、15min、20min、25min、30min、35min等。
本发明实施例中，基于步骤201-步骤204的工艺需求，可以选择具有温度、压力、气体流量等设置功能的工艺设备。
步骤205、对所述基底进行丝网印刷制备电极。
本发明实施例中，丝网印刷是一种在太阳能电池的电极制备工艺中广泛应用的技术，丝网印刷中浆料影响着半导体基片的少数载流子寿命、表面复合速率、欧姆接触电阻等参数，浆料通常由金属粉末与玻璃粘合剂混合并悬浮于有机溶剂或其它载体中，金属粉末可以使铝粉末、银粉末等，玻璃粘合剂通常硼硅酸玻璃以及铅、铋等重金属占比较高的低熔点、强活性的玻璃组成。
在本发明实施中提供了一种太阳能电池退火方法，其中，在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，再在第二工艺时间对基底进行光注入，超临界二氧化碳密度高，对氢气的溶解度高，能够将氢更好地传递到基底上，从而避免了氢溢出问题，增强了氢钝化作用，通过光注入进行氢激发后，能够充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升了钝化效果，提高了电池的转换效率与稳定性。
图3示出了本发明实施例提供的一种退火设备30的结构示意图，如图3所示，该退火设备30包括第一反应室301、第二反应室302，其中，第一反应室301与第二反应室302间包括传送带303，该传送带303可传输承载基底的载板3031。
在图3所示的退火设备30上，可以实现图1、2任意所述的太阳能电池退火方法，可选的，图4示出了本发明实施例提供的一种基于退火设备30的太阳能电池退火方法，如图4所示，该方法可以包括：
步骤401、将基底置于所述第一反应室301中，对所述第一反应室301抽真空处理通入氢气，使所述基底处于氢气气氛中。
本发明实施例中，基底可以是丝网印刷前的半成品电池，可以将基底置于第一反应室301的腔体内，并对第一反应室301抽真空处理通入氢气，真空指腔体内气体压力小于标准大气压的状态，其中，可以先采用真空泵将第一反应室301腔体中的气体抽出，再将氢气通入第一反应室301的腔体中，或者，也可以将氢气通入第一反应室301的腔体中排出其他气体，使第一反应室201的腔体中形成氢气气氛，可选地，可以直接通入氢气，也可以通入氢气/氮气的混合气，或者也可以对氨气进行电分解后将生成的氢气、氮气混合通入。在本发明实施中，真空泵可以是旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、低温泵等，本领域技术人员可以根据工艺条件、工艺需求选择不同种类的真空泵。
本发明实施例中，在形成氢气气氛之前，还可以对第一反应室301进行预热，以使第一反应室301的腔体中温度高于二氧化碳的临界温度，从而使得二氧化碳在第一反应室301中温度超过临界温度，其中，二氧化碳的临界温度为31.26℃，第一反应室301可以预热到50℃-150℃，进一步的，该范围可以是90℃-150℃，以保证二氧化碳超临界状态的稳定。
本发明实施例中，将基底置于第一反应室301的腔体内可以使将基底放置在传送带303的载板3031上，并通过传送带303将载板3031上的基底送入第一反应室301，其中，根据载板3031的规格不同，可放置基底的数量也不同，进而第一反应室301的腔体容量也不同，形成氢气气氛所需的过量氢气也不同，以载板3031为200片基底的规格为例，可以通入2000-5000sccm的氢气以在第一反应室301中形成氢气气氛。
步骤402、向所述第一反应室301中通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间。
本发明实施例中，二氧化碳的临界压力为85atm，可以将二氧化碳加压后到大于临界压力后通入第一反应室301的腔体，可选地，对二氧化碳加压可以是通过高压泵使二氧化碳处于1100psi-2100psi的范围内，具体可参照前述步骤202的相关描述，未避免重复，在此不再赘述。
步骤403、将基底从所述第一反应室301传输到第二反应室302，在第二工艺时间内对所述基底进行光注入。
本发明实施例中，第二反应室302中可以配置光源3021，将第一反应室301中处理后的基底传输到第二反应室302，从而在光源3021的辐照下进行光注入，对基底进行氢激发，其中，在第二反应室302中光源3021的种类、分布位置不作限制，使得传送带303上载板3031中的基底受到均匀辐照即可，可选地，传送带303的带速可以是1m/min-5m/min，以在保证基底受到均匀辐照实现光注入的同时，保证产能。
可选地，如图3所示，所述退火设备30还包括第三反应室304，所述第二反应室302与第三反应室304之间也包括传送带303。
可选地，所述步骤403之后，还包括：
将所述基底传输到所述第三反应室304，在所述第三反应室304中对所述基底冷却第三工艺时间。
本发明实施例中，对光注入后的基底可以传输到第三反应室304中进行冷却，其中，可以使缓慢炉冷，也可以在第三反应室304中降温至目标温度后保温一段时间再空冷，本发明实施例中对冷却的方式不做具体限制。
本发明实施例中，在对基底退火后，还可以对基底进行丝网印刷制备电极，以获得太阳能电池，具体可参照前述步骤205的相关描述，为避免重复，在此不再赘述。
在本发明实施中提供了一种太阳能电池退火方法，其中，在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，再在第二工艺时间对基底进行光注入，超临界二氧化碳密度高，对氢气的溶解度高，能够将氢更好地传递到基底上，从而避免了氢溢出问题，增强了氢钝化作用，通过光注入进行氢激发后，能够充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升了钝化效果，提高了电池的转换效率与稳定性。而且在本发明实施中，采用包括第一反应室、第二反应室的退火设备进行退火，该退火设备对气场、温度场的调控较好，能够避免采用管式设备退火造成的片内、片间均匀性差的问题。
在本发明实施中，还提供了采用本发明提供的太阳能电池退火方法制备的样品电池，以及采用常规退火技术制备的对比电池1、对比电池2，如下所示：
样品电池
对硅片进行清洗、制绒；
对制绒后的硅片进行正面的硼扩散；
采用腐蚀设备去除硼扩散过程中的边缘绕扩；
采用LPCVD(Low-pressure CVD，低压化学气相沉积)在硅片背面依次制备氧化硅层与非晶硅层；
对非晶硅层进行磷扩散；
去除磷扩散过程中产生的正面绕镀；
采用ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)在硅片的正面制备氧化铝钝化层；
采用ALD在硅片的正面、背面制备氮化硅层；
将第一反应室预热到150℃，将硅片至于第一反应室中；
向第一反应室的腔体中通入1400sccm的氢气，再在1600psi的压力下通入二氧化碳，使得超临界二氧化碳对氢气充分溶解，反应15min；
将硅片传输到第二反应室，在卤素灯与红外灯管的均匀辐照下进行光注入，反应15min；
将光注入后的硅片传输到第三反应室，冷却30min后取出；
对基底进行丝网印刷制备电极，获得样品电池。
对比电池1
对硅片进行清洗、制绒；
对制绒后的硅片进行正面的硼扩散；
采用腐蚀设备去除硼扩散过程中的边缘绕扩；
采用LPCVD在硅片背面依次制备氧化硅层与非晶硅层；
对非晶硅层进行磷扩散；
去除磷扩散过程中产生的正面绕镀；
采用ALD在硅片的正面制备氧化铝钝化层；
采用ALD在硅片的正面、背面制备氮化硅层；
在硅片的正面、背面进行丝网印刷并烧结制备电极；
对丝网印刷后的基底进行电注入，获得对比电池1。
对比电池2
对硅片进行清洗、制绒；
对制绒后的硅片进行正面的硼扩散；
采用腐蚀设备去除硼扩散过程中的边缘绕扩；
采用LPCVD在硅片背面依次制备氧化硅层与非晶硅层；
对非晶硅层进行磷扩散；
去除磷扩散过程中产生的正面绕镀；
采用ALD在硅片的正面制备氧化铝钝化层；
采用ALD在硅片的正面、背面制备氮化硅层；
在硅片的正面、背面进行丝网印刷并烧结制备电极；
对丝网印刷后的基底进行光注入，获得对比电池2。
在本发明实施中，多次制备了样品电池、对比电池1、对比电池2，并对制备得到的样品电池、对比电池1、对比电池2进行了性能参数测试，测试结果的均值如下表1所示：
表1
在本发明实施中，如表1所示，对对比电池1、对比电池2、样品电池的Eta(转换效率)、Isc(短路电流)、Uoc(开路电压)、FF(填充因子)、Rs(串联电阻)、Rsh(分流电阻)、Irev12(反向漏电流)、Tcell(电池片测试温度)、Comment(电池片测试片数)，可以看出，样品电池相比于对比电池1、对比电池2表现出了更好的电性能，其中，Uoc相比于对比电池1、2提升了5mV；FF相比于对比电池1提高了0.45％，相比于对比电池2提高了0.43％；Rs相比于对比电池1、2降低了0.04mΩ；Isc相比于对比电池1提升了45mA，相比于对比电池2提升了35mA；而样品电池的Eta相比于对比电池1提高了0.45％，相比于对比电池2提升了0.36％等，可以看出采用本发明实施的太阳能电池退火方法制备得到的样品电池，有效提高了电池的转换效率，提升了电池质量。
另外，表1中记录了多次采用本发明实施的太阳能电池退火方法制备的样品电池测试参数的均值，在多次制备的样品电池中，其测试参数最高值如表2所示：
表2
如表2所示，在实际测试参数的最高值中，样品电池Uoc相比于对比电池1、2提升了10mV；FF相比于对比电池1提高了0.65％，相比于对比电池2提高了0.63％；Rs相比于对比电池1、2降低了0.07mΩ；Isc相比于对比电池1提升了220mA，相比于对比电池2提升了210mA；而样品电池的Eta相比于对比电池1提高了0.88％，相比于对比电池2提升了0.79％等，可以看出，样品电池在实际测试的最高参数相比于常规的对比电池1、对比电池2有着更大的提升，表示本发明实施提供的太阳能电池退火方法在电池效率的提升中存在较大潜力，能够有效增强氢钝化作用，充分饱和基底的缺陷，降低复合损失，从而提升钝化效果，提高电池的转换效率与稳定性。
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定都是本申请实施例所必须的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种太阳能电池退火方法，其特征在于，所述方法包括：
在第一工艺时间内向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳；
在通入超临界二氧化碳后，在第二工艺时间内对所述基底进行光注入；
所述向处于氢气气氛中的基底通入超临界二氧化碳，包括：
在50℃-150℃的温度下，将基底置于氢气气氛中；
以1100psi-2100psi的压强向基底通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间，所述第一工艺时间为5min-35min；
所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入，包括：
在200℃-300℃的温度下，采用光源对所述基底进行辐照第二工艺时间，所述光源包括卤素灯、红外灯管中的至少一种，所述第二工艺时间为5min-10min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，还包括：
对所述基底进行丝网印刷制备电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，还包括：
在第三工艺时间内冷却所述基底。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第三工艺时间为10min-35min。
5.一种退火设备，其特征在于，所述退火设备包括第一反应室和第二反应室，所述退火设备用于实现如权利要求1-4任一所述的太阳能电池退火方法，所述方法包括：
将基底置于所述第一反应室中，对所述第一反应室抽真空处理通入氢气，使所述基底处于氢气气氛中；
向所述第一反应室中通入超临界二氧化碳，反应第一工艺时间；
将基底从所述第一反应室传输到第二反应室，在第二工艺时间内对所述基底进行光注入。
6.根据权利要求5所述的退火设备，其特征在于，所述退火设备还包括第三反应室，所述将基底从所述第一反应室传输到第二反应室，在所述第二反应室中在第二工艺时间内对所述基底进行光注入之后，所述方法还包括：
将所述基底传输到所述第三反应室，在所述第三反应室中对所述基底冷却第三工艺时间。
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