層轉移太陽能電池的製造方法

2023-06-04 08:32:51

專利名稱：層轉移太陽能電池的製造方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池技術領域，尤其涉及一種太陽能電池的製造方法。
背景技術：
近年來，為降低太陽能發電成本，人們已經認識到，薄膜太陽能電池板可以降低每瓦峰值功率的成本。因為它原材料的使用量少，製造面板的尺寸適應性比晶圓好。某些成本較低的電池板是由CaTe和銅銦鎵硒)和非晶矽(α-Si)製成的。然而，對這種系統的擁有成本實際上是較高的，因為(1)由於屋頂空間的限制，低效率意味著更高的安裝成本和緩慢的投資回報；(2)更短的壽命；C3)尚未證實的效率和不穩定性。因此，在低成本條件下，它們仍然是不成熟的技術，能提高效率和可靠性的問題非常值得懷疑。一個完善的薄膜太陽能電池製作工藝是和高清晰度液晶使用的顯示技術相同的。 典型的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)工藝是用來在玻璃基板上沉積小於1微米厚的非晶矽。然而，由於高密度缺陷和層厚薄問題，非晶矽太陽能電池的效率是很低的。由於 Maebler-Wronski效應，非晶矽太陽能電池板一旦暴露在光線下，導電性能就會顯著衰退。 薄膜電池的另一個主要問題是膜層生長速度緩慢。通常的製造工藝像PECVD，物理氣相沉積 (PVD)，噴塗/濺射技術，其生長率小於lnm/sec，生長1微米厚的膜層需要超過16分鐘，還需要另外五個小時的500°C退火以消除殘餘的氫。因此大規模太陽能電池板的生產，需要高成品率的工藝，但它們成本高又費時。雖然製造薄膜太陽能電池能的矽使用量少，減少了對矽的依賴，從而降低成本，但都有低效率和壽命不確定的問題。過去三十年中已經開發的各種高效率矽太陽能電池，有以下各優勢及特點1、大於10微米的晶片能有效地收集光子2、具有捕光陷阱結構表面絨面處理高反射性的背電極3、表面鈍化降低了表面複合速率4、金屬下的少數載流子的反射結構5、基體複合率低，晶粒尺寸大，矽材料純度高6、高溫吸除雜質工藝(> 900°C )磷擴散鋁接觸太陽能電池行業的發展趨勢是使用更薄更大的晶圓。人們普遍認識到，只有一小部分晶圓應用到光電上，比如發電。製造高效率的矽薄膜太陽能電池板需要更厚的矽薄膜層。一個25微米厚的矽薄膜只能吸收80%的帶間太陽能，而50微米厚的則達到了 90%。 在這些厚度範圍內高效率矽太陽能電池已被證實。製造這樣的薄晶圓是不切實際的，且加工設備難以控制。此外，相較在鑄錠、切割和拋光過程中的損失，矽成本的節省並不顯著。
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常見的一種電池製造方法是矽在襯底上生長，但目前還沒有合適的基板材料可完全滿足這些嚴格的要求成本低，純度高，熱膨脹係數與矽相匹配，晶圓加工過程中機械穩定性高等。另一種製造高效太陽能電池的方法是利用層轉移技術，而最有潛力的技術之一是布倫德爾引入的多孔矽(PSI)製造技術。通過電化學腐蝕在晶體矽表面生成兩層多孔矽。 頂部和底部的孔率約分別為20%和50%。在氫氣氣氛下，頂層的孔在高溫退火過程中被封閉，然後生長外延層作為活性層。太陽能電池就在該活性層上生成並與廉價的襯底結合。最後通過破壞高孔率的多孔層的接合，將矽襯底與活性層分開。襯底的再利用，大大節省了太陽能電池板的成本(通常矽片大約佔了其中的50% )。由於PSI工藝的成品率比較低，通常為30%左右，節省成本的目的並沒有實現，而最主要是因其狹隘的工藝窗口的限制。在電池製造過程中，活性層需要有良好的粘附力，而後又很容易剝離。陽極蝕刻工藝的不均勻性將進一步縮小工藝窗口，反之提高蝕刻的均勻性則能使成品率從33%增加至65%。此外，PSI的工藝過程破壞表面絨面，損耗襯底，產生微裂紋，從而進一步降低產量，在每一個PSI太陽能電池的工藝中，拋光和刻蝕工序都需要相當大的製造成本。

發明內容
本發明旨在提供一種高成品率的太陽能電池的製造方法，解決PSI工藝的缺陷， 顯著改善剝離工藝窗口，簡化太陽能電池的處理步驟。為達到上述目的，本發明通過以下技術方案來實現的一種太陽能電池的製造方法，包括層轉移過程，其層轉移過程包含表面處理、矽沉積、太陽能電池製造、載體接合、剝離工序、基材再利用，犧牲層在可重複使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣襯墊是由犧牲層材料製成。犧牲層具結構特點為中間物質結構薄弱，圍繞在基板邊緣的接合材料牢固。其中剝離過程包括太陽能電池與載體的接合以及支承沉積層在基板上的接合點的剝離。工序流程包括電池工藝後在晶圓上的接合；擇優溼蝕刻接合點；使用機械力和/ 或化學輔助刻蝕進行剝離；清洗和再利用。通過陽極蝕刻在層轉移過程中製造多孔矽層。矽沉積層的厚度為10-150微米。採用等離子噴塗沉積犧牲層。採用本發明的技術方案，可以顯著改善剝離工藝窗口，簡化了太陽能電池的處理步驟，降低太陽能電池的製造成本。


下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。圖1層轉移流程圖；圖2襯底上的薄矽層結構；圖3剝離過程(a)電池工藝後在晶圓上的接合；(b)擇優溼蝕刻接合點；(C)使用機械力和/或化學輔助刻蝕進行剝離；(d)清洗和再利用；圖4改進PSI工藝中對接合層轉移接合點的使用(a)矽基材接合點覆蓋；(b)接合點和陽極蝕刻生成於底部一層緻密多孔矽多孔層的頂部和非常層層；(C)矽層厚度 10-150微米的沉積；(d)太陽能電池的加工，附著在載體上和擇優腐蝕移除接合點；(e)剝離與機械力和/或化學蝕刻；圖5背接觸層轉移技術太陽能電池的過程(a)PN結和數字手指間形成的頂部矽層的沉積；(b)太陽能電池附著在載體；(c)剝離過程；和(d)清洗步驟；圖6等離子噴塗系統示意圖。
具體實施例方式矽晶片與傳統的高溫工藝是兼容的。該層高純度和高結晶度。層轉移過程流程圖如圖1所示。它包括表面前處理，層轉移過程包括表面處理，矽沉積，太陽能電池製造，載體接合，剝離，基材再利用步驟。發明的基礎是基礎層結構如圖2所示。犧牲層在一個可重複使用的基板上沉積。 具有高強度，低雜質含量的高溫金屬材料是理想的襯底。製作一定數量的結合點，結合點下沒有犧牲材料，襯墊是由犧牲層材料製成的。一個矽層厚度為10-50微米的墊和多孔層的沉積。基板必須在達到1400度時具有高度的機械穩定性，且具備高純度以免雜質擴散進入活性層而汙染沉積層。電子級矽片是一種很好的基板，它具有與矽沉積層相同的線性熱膨脹係數。因此，它是一種滿足高效率太陽能電池高溫製造工藝需要的理想候選材料。矽晶片作為機械支持的基板；不必成為太陽能電池的一部分，基板的再利用大大節省了太陽能電池板的成本。犧牲層是由一個結構薄弱的中間物質和圍繞在基板邊緣作為粘合邊的堅固材料構成的。這些物質即使在隨後的高溫(高達1200度)工序下也能保持它們的性能。矽層沉積在犧牲層上並由它支持，襯底和邊緣之間的強接合力使膜層不會被剝離。帶有一層犧牲層與矽沉積層的基板，看起來就像一個普通的矽片，可以採用傳統的太陽能電池工藝製造加工，而吸收之前提及的所有的優點。剝離工序流程如圖3所示。電池製作完成後，基板首先與太陽能電池接合，如圖 3(a)所示，它可以是剛性或柔性的，不透明或透明的，一種低成本材料如常規玻璃，塑料， 鋁，鋼，銅等。接合邊材料會通過HF清洗，擇優腐蝕去除，如圖3所示(b)項。若該接合點是二氧化矽製成的，可利用氫氟酸優先刻蝕。該犧牲層的其餘部分為弱結合，可以方便地通過機械力/超聲波去除，如圖3(c)。HF清洗後，如圖3所示步驟(d)項，接合在載體上的太陽能電池為鈍化層的形成和電極成型做準備。在背接觸電池製造過程中，沒有電極成形的步驟。基板可以重複使用，如圖1所示。得到開發的一種材料是多孔材料，在半導體電子行業中，其介電常數低，但該材料層易破裂，附著力差。1200度下，它們將變緻密甚至燒穿。矽，氧化矽和氮化矽，氧化鋁，碳化矽，通常在這樣高溫下使用，可以做成多孔結構的犧牲層。如前所述，陽極蝕刻通常用於層轉移過程中製造多孔矽層。然而為兼顧犧牲層的堅固性和太陽能電池的工藝需要，PSI工藝的成品率並不盡如人意。在本發明，接合點這一概念的使用將大大提高工藝窗口的結構，滿足太陽能電池的處理步驟，輕鬆地實現剝離。該工藝流程見圖4。
在矽襯底上沉積一定數量的接合點(圖4(a))，然後以基板邊緣為樣板(圖 4(b))。通過陽極蝕刻生成兩個多孔矽層。通過改變電流使頂層的密度比底部的大些，常規 PSI過程中，頂層和底層孔隙度分別為20%和50%。使用鍵合點的再保護下在隨後的剝離過程，新工藝可達到一個相當高的孔隙率(80% )。隨後在800-1200°C下氫氣氣氛中將矽片退火，表面孔會被封畢，保留完好無損的高孔率的多孔層。10至150微米矽沉積層將如圖 4(c)。這可以是一種常規的矽外延沉積方式，比如用常壓化學氣相沉積(APCVD)。在高於 1100°C溫度下，這種沉積是一種化學遷移機制，具有非常高的沉積速率(1至6微米/分)。 PN結也可以用這種沉積方式形成，省略了擴散過程，從而節省了製造成本。晶圓可以跟普通的晶片一樣經受太陽能電池製造過程。剝離過程包括太陽能電池與載體的鍵合以及支承沉積層在基板上的鍵合點的剝離，如圖4(d)。最後，高孔率的多孔層可以用機械力和/或化學蝕刻破壞。且由於高孔隙率的犧牲層的使用，不必擔心矽薄膜分層，剝離過程中可以更輕鬆。直接地轉換得出，每個基板有更高的晶圓成品率。我們可以用一個背接觸太陽能電池的製作過程舉例，如圖5所示。該電極和PN結在矽沉積層上形成。然後如前將載體接合在太陽能電池。然而，太陽能電池僅吸收多孔層尺寸大小的光子，因此載體和粘合劑樹脂不必透明。載體可以是柔性的，比如塑料，只要它提供足夠的支持力。接下來的剝離工序與上述相同，只是鈍化後需要一步剝離過程，太陽能電池可以安裝成普通電池組建進行檢測。透明載體設計用於照明有額外安裝模塊的步驟， 使用背接觸法則不需要，圖3，從而減少太陽能電池組件過程中額外的費用。使用背面光照法，簡單地改變沉積或擴散過程的順序(從P — η到η — P)是可行的。另一種更為普遍的方法是在薄膜上等離子噴塗，生成多孔層。等離子噴塗系統的原理圖如圖6所示。這種系統已被廣泛使用在許多鍍膜系統上。它們非常適合用來沉積犧牲層。人們可以通過控制電源，氣體流量，噴嘴與晶圓距離，粉體的材料和尺寸，基板溫度和冷卻氣體流量等，來改變附著力和機械強度7。製造弱附著力又有一定機械強度的膜層，首要原則是需要降低功率、氣體流量，增加距離，使用小尺寸粉末，冷基板。有許多種物質可作為減反層材料，如矽，二氧化矽，氮化矽，碳化矽層等，多孔矽作為晶體生長的種子具有額外優勢。要生成一個能承受高溫外延生長過程(> 1200°C)的矽層，可以在矽粉末顆粒之間引入矽的氧化物。原生氧化層和孔隙可以保持多孔矽層的緻密化和再結晶。人們已經證實多孔層達到1300°C不會緻密化。因此，該薄膜的附著力和機械強度在隨後的高溫過程中，如矽外延生長，依然很薄弱。此外，較大的矽粉體在噴塗過程中並沒有完全融化。這種鱗片在塗層中仍然保持晶形，而作為在隨後的矽沉積過程中的種子。等離子噴塗法過程中不會導致矽襯底的損耗，從而省略了在PSI流程中的表面處理步驟。為免去每個晶圓必需的毛化處理，最好藉助噴塗工藝。眾所周知，晶體矽倒金字塔結構是一種非常有效的光陷阱。人們可以利用等離子噴塗技術來沉積非常薄的(< 1微米)多孔層。晶圓結構如圖6所示，矽晶片作為基板，矽襯底上蝕刻倒金字塔絨面，薄多孔層則作為犧牲層表面。製作很薄的多孔層是非常困難的，最常見的如玻璃鑽孔多孔層具有非常小的10納米級別的孔隙。如此大的表面積大大改變了材料的性能，其熔點比原板低得多，因此它們在高溫下會緻密化。傳統等離子噴塗法不適用的兩個原因之一(一)粒度非常小的粒子純度很難滿足太陽能電池工藝的需要；(二)亞微米顆粒粉體流動性不能很好地滿足噴塗的要求。
等離子噴塗和膠體二氧化矽溶液的使用將達到在蝕刻薄矽片襯底上生成乾淨、熱穩定的薄多孔層的目的。用霧化器將液態前驅體送入等離子槍中，完成納米粉體材料的合成和沉積。當膠體二氧化矽送入到等離子槍中，就被蒸發飛濺，而液滴中的矽納米顆粒將被燒結形成更大的粒子，膠體矽微粒的尺寸在20nm的級別。通過控制液滴的大小和濃度，可以噴塗粒徑小於100納米的矽微粒，形成一層多孔塗層。該尺寸下的矽粒子在1300°C下是穩定的。此外，膠體二氧化矽含雜質小於Ippm的比太陽能級矽片更好。薄多孔層作為犧牲層的使用，使人們有可能轉移的增長矽層上的結構。在層轉移流程周期後，絨面層不會被破壞，與PSI流程順序相反。矽生長，電池加工和剝離過程與先前的非常相似。
權利要求
1.一種層轉移太陽能電池的製造方法，包括層轉移過程，所述的層轉移過程包含表面處理、矽沉積、太陽能電池製造、載體接合、剝離工序、基材再利用，其特徵在於犧牲層在可重複使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣的襯墊是由犧牲層材料製成。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於犧牲層具結構特點為中間物質結構薄弱，圍繞在基板邊緣的接合材料牢固。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於剝離過程包括太陽能電池與載體的接合以及支承沉積層在基板上的接合襯墊的剝離。
4.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於剝離工序流程包括電池工藝後襯墊在晶圓上的接合；擇優溼蝕刻接合點；使用機械力和/或化學輔助刻蝕進行剝離；清洗和再利用。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於通過陽極蝕刻在層轉移過程中製造多孔矽層。
6.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於矽沉積層的厚度為 10-150 微米。
7.根據權利要求1所述的太陽能電池的製造方法，其特徵在於採用等離子噴塗沉積犧牲層。
全文摘要
本發明公開了一種層轉移太陽能電池的製造方法，包括層轉移過程，其層轉移過程包含表面處理、矽沉積、太陽能電池製造、載體接合、剝離工序、基材再利用，犧牲層在可重複使用的基板上沉積，沿著襯底邊緣襯墊是由犧牲層材料製成；犧牲層是由一個結構薄弱的中間物質和圍繞在基板邊緣的作為粘合邊的牢固材料構成。採用本發明的技術方案，顯著改善剝離工藝窗口，簡化了太陽能電池的處理步驟，降低太陽能電池的製造成本。
文檔編號H01L31/18GK102231408SQ201110184948
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者李成敏 申請人:無錫成敏光伏技術諮詢有限公司