專利名稱：真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝，具體涉及一種真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝。
背景技術(shù)：
多晶硅薄膜太陽能電池相對(duì)于銅銦硒薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池、 非晶硅薄膜太陽能電池等相對(duì)具有成本較低、原材料來源較廣、穩(wěn)定性好、光電轉(zhuǎn)化率較高、環(huán)境友好以及無光致衰退現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，因而在光伏產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。多晶硅薄膜的制備主要有兩個(gè)過程硅薄膜的沉積和薄膜的晶化。目前，硅薄膜的沉積方法主要有
(I)等離子增強(qiáng)化學(xué)沉積法(PECVD)。等離子增強(qiáng)化學(xué)沉積法是通過輝光放電產(chǎn)生離子，離子濺射增強(qiáng)膜的沉積。但是沉積速率很低，大約是lA/s，并且在沉積的過程中，使用鹵硅化合物(如SiF4等)作為反應(yīng)氣體所產(chǎn)生的HF對(duì)金屬設(shè)備有著很大的腐蝕性。(2)熱絲化學(xué)氣相沉積法(HWCVD)。熱絲化學(xué)氣相沉積法是將燈絲(由W、Ta、Mo等材料制成)加熱到 Ieoo0C以上，使反應(yīng)氣體接觸燈絲時(shí)受熱分解然后沉積在襯底上成膜。但是在反應(yīng)過程中燈絲會(huì)蒸發(fā)產(chǎn)生游離金屬原子，在薄膜沉積的過程中同樣會(huì)沉積到襯底上，并且燈絲金屬易與原料氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)薄膜造成污染。(3)液相外延(LPE)法。液相外延法是將熔有硅的飽和金屬溶液不斷降低溫度，使硅在降溫過程中不斷的析出，析出的硅直接沉積在與溶液接觸的高溫襯底上。但是此法制備的薄膜光電轉(zhuǎn)化率較低，并且需要耐高溫的材料做襯底。目前硅薄膜的晶化方法主要有(1)固相晶化法(SPC)。固相晶化法是對(duì)固態(tài)的非晶硅薄膜加熱退火，使硅原子激活獲得重組，達(dá)到晶化的效果。晶化溫度一般從550°C 1000°C，退火時(shí)間為IOh 100h，可見其退火溫度很高，時(shí)間過長(zhǎng)，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。(2) 區(qū)熔再結(jié)晶法(ZMR)。區(qū)熔再結(jié)晶法是利用一束很窄的能量源，其在硅薄膜的表面移動(dòng)時(shí)使薄膜熔化而結(jié)晶的方法。此方法缺點(diǎn)是只能晶化比較薄的薄膜，并且可晶化面積較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種新型的真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝，目的是解決現(xiàn)有多晶硅薄膜制備工藝沉積速率低、工藝周期長(zhǎng)、能耗大以及所制得的薄膜純度較低、 晶化率較低、光電轉(zhuǎn)化率較低等問題。本發(fā)明以真空蒸鍍硅粉末的工藝為基礎(chǔ)，在玻璃襯底上通過鋁誘導(dǎo)晶化法得到多晶硅薄膜。薄膜表面形貌好、晶粒大小均勻、晶粒排列整齊，薄膜由表面向襯底依次為多晶硅薄膜層和鋁層組成，薄膜厚度為5Mm-10Mm、晶化率為73. 2% 89. 4%，薄膜理論光電轉(zhuǎn)化率為8. 3 10. 5%ο所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝，是在玻璃襯底上制備多晶硅薄膜，工藝步驟如下
⑴選擇實(shí)驗(yàn)原料、襯底和蒸發(fā)源的材料；
多晶硅粉末(純度>99. 99%)、鋁粉(純度>99. 9%)、丙酮(分析純)、無水乙醇(分析純)、標(biāo)準(zhǔn)鋁腐蝕液；玻璃；石墨(99. 7%)；
⑵襯底除油；
⑶超聲清洗襯底；
⑷水洗襯底去離子水清洗襯底，烘干襯底；
(5)—次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g):0. 2 O. 6、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、襯底溫度(°C) :300 500，基板距離(cm) :5 15 ;
(6)二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g):0. I O. 3、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、襯底溫度(°C) :300 500，基板距離(cm) :5 15 ;
(7)蒸發(fā)鍍鋁膜:鋁粉(g)0. I O. 3、真空度(Pa) 4. 5X10-3 7. 5 X 10'襯底溫度 (C) :400，基板距尚(cm) 5 ；
⑶真空退火:真空度(Pa):3 X Kr2 5 X 10_2、退火溫度(°C ):450 650、退火時(shí)間(h) 2 4 ;
(9)鋁標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液腐蝕；
(10)檢測(cè)試樣性能制備的薄膜表面形貌較好、晶粒大小較均勻、排列較整齊、薄膜厚度為5Mm lOMm，晶化率高達(dá)89%，薄膜理論光電轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)10. 5%。本發(fā)明主要研究了工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、性能的影響規(guī)律，包括基板溫度、基板距離、真空度、鋁誘導(dǎo)晶化溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)，對(duì)薄膜沉積過程、表面形貌、薄膜厚度、晶化率和光電轉(zhuǎn)化率的影響。通過上述研究及采用真空蒸鍍與鋁誘導(dǎo)晶化實(shí)驗(yàn)方法，最終在廉價(jià)基體玻璃表面制備了太陽能電池用的多晶硅薄膜，提出了優(yōu)化的工藝條件體系，該技術(shù)工藝穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、投資少、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和批量生產(chǎn)；改變了現(xiàn)有工藝所制備的薄膜晶化率低的特點(diǎn)，同時(shí)提高了薄膜的純度和光電轉(zhuǎn)換率，縮短了薄膜晶化時(shí)間，降低了晶化溫度。本發(fā)明真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)
①真空蒸鍍-鋁誘導(dǎo)晶化方法工藝簡(jiǎn)單、效率高、能耗低，適合批量生產(chǎn)；
②真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜結(jié)合力好，純度高，晶化率和光電轉(zhuǎn)換率較高。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I是退火前薄膜結(jié)構(gòu)示意圖2是退火后薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。圖標(biāo)說明A1層I、非晶硅薄膜層2、襯底3、多晶硅薄膜層4。
具體實(shí)施例方式以下優(yōu)選4例具體實(shí)施例；實(shí)施中共同執(zhí)行I 4、9工藝步驟及參數(shù)，各自執(zhí)行其它工藝步驟及參數(shù)；真空退火前薄膜結(jié)構(gòu)，如圖I所示由表面Al層I至襯底3，其之間為非晶硅薄膜層2 ;真空退火后薄膜結(jié)構(gòu)，如圖2所示由表面多晶硅薄膜層4至襯底3，其之間為 Al 層 I。⑴選擇實(shí)驗(yàn)原料、襯底和蒸發(fā)源的材料；
多晶硅粉末(純度>99. 99%)、鋁粉(純度>99. 9%)、丙酮(分析純)、無水乙醇(分析純)、標(biāo)準(zhǔn)鋁腐蝕液；玻璃；石墨(99. 7%)；
⑵襯底除油；
⑶超聲清洗襯底；
⑷水洗襯底去離子水清洗襯底，烘干襯底；
(5)鋁標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液腐蝕。實(shí)施例I
一次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) 6. 5X10_3、襯底溫度(°C) :300，基板距離(cm) 15 ；
二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :6. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :300，基板距離(cm) 15 ；
蒸發(fā)鍍鋁膜:鋁粉(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X10_3、襯底溫度(°C) :400，基板距離 (cm) 5 ；
真空退火真空度(Pa) :5X10_2、退火溫度450°C、退火時(shí)間(h) :2。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較小，薄膜厚度5. 6 μ m，晶化率73. 2%，理論光電轉(zhuǎn)換率8. 3%。實(shí)施例2
一次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 6、真空度(Pa) 4. 5X10_3、襯底溫度(°C) :450，基板距離(cm) 10 ；
二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :450，基板距離(cm) 10 ；
蒸發(fā)鍍鋁膜:鋁粉(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X10_3、襯底溫度(°C) :400，基板距離 (cm) 5 ；
真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火溫度550°C、退火時(shí)間(h) :3。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較大，晶粒排列較整齊，薄膜厚度9. 7 μ m，晶化率89. 4%，理論光電轉(zhuǎn)換率10. 5%。實(shí)施例3
一次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 4、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :500，基板距離(cm) 5 ；
二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :500，基板距離(cm) 5 ；
蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. I、真空度(Pa):6. 5 X 10_3、襯底溫度(V ):400，基板距離(cm)
5 ；
真空退火真空度(Pa) :4X10_2、退火溫度650°C、退火時(shí)間(h) :4。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較大，晶粒排列不夠整齊，薄膜厚度8. 9 μ m，晶化率84. 6%，理論光電轉(zhuǎn)換率9. 1%。實(shí)施例4
一次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 3、真空度(Pa) 5. 5X10_3、襯底溫度(°C) :350，基板距離(cm) 10 ；
二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :350，基板距離(cm) 10 ；
蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. 3、真空度(？&):7.5\10_3、襯底溫度(°0:400，基板距離(011):
5 ；
真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火溫度500°C、退火時(shí)間(h) :2. 5。多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌好，晶粒尺寸大，晶粒排列整齊，薄膜厚度
8.2 μ m，晶化率84. 6%，理論光電轉(zhuǎn)換率9. 1%。附表
表I.實(shí)施例工藝參數(shù)表；
表2.實(shí)施例理化性能表。表 I.
權(quán)利要求
1.一種真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝，其特征在于所述制備工藝，是在玻璃襯底上制備多晶硅薄膜，工藝步驟如下⑴選擇實(shí)驗(yàn)原料、襯底和蒸發(fā)源的材料；多晶硅粉末(純度>99. 99%)、鋁粉(純度>99. 9%)、丙酮(分析純)、無水乙醇(分析純)、標(biāo)準(zhǔn)鋁腐蝕液；玻璃；石墨(99. 7%)；⑵襯底除油；⑶超聲清洗襯底；⑷水洗襯底去離子水清洗襯底，烘干襯底；(5)—次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g):0. 2 O. 6、真空度(Pa) :4. 5X 10_3 7. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :300 500，基板距離(cm) :5 15 ;(6)二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g):0. I O. 2、真空度(Pa) :4. 5X10-3 7. 5X10-3、襯底溫度(°C) :300 500，基板距離(cm) :5 15 ;(7)蒸發(fā)鍍鋁膜:鋁粉(g)0. I O. 3、真空度(Pa) 4. 5X10-3 7. 5 X 10'襯底溫度 (C) :400，基板距尚(cm) 5 ；⑶真空退火:真空度(Pa):3 X Kr2 5 X 10_2、退火溫度(°C ):450 650、退火時(shí)間(h) 2 4。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝制備的多晶硅薄膜，其特征在于所述薄膜表面形貌好、晶粒大小均勻、晶粒排列整齊，薄膜由表面向襯底依次由多晶硅薄膜和鋁層組成，薄膜厚度為5Mm-10Mm、晶化率為73. 2% 89. 4%，薄膜理論光電轉(zhuǎn)化率為8. 3 10. 5%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝，其特征在于所述制備工藝的一次蒸發(fā)沉積多晶硅粉末(g):0. 2、真空度(Pa): 6. 5父10_3、襯底溫度(°0: 300,基板距離(cm) 15 ；二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :6. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :300，基板距離(cm) 15 ；蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. 1、真空度(？3):5.5\10_3、襯底溫度(°0:400，基板距離(011):5 ；真空退火真空度(Pa) :5X10_2、退火溫度450°C、退火時(shí)間(h) :2。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝，其特征在于所述制備工藝的一次蒸發(fā)沉積多晶硅粉末(g) :0. 6、真空度(Pa): 4. 5 X 10_3、襯底溫度(°C ): 450,基板距離(cm) :10 ；二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :4. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :450，基板距離(cm) 10 ；蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. 2、真空度(？&):4.5\10_3、襯底溫度(°0:400，基板距離(011):5 ；真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火溫度550°C、退火時(shí)間(h) :3。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝，其特征在于所述制備工藝的一次蒸發(fā)沉積多晶硅粉末(g) :0. 4、真空度(Pa) :7. 5乂10_3、襯底溫度(°0: 500,基板距離(cm) 5 ；二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. 2、真空度(Pa) :7. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :500，基板距離(cm) 5 ；蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. I、真空度(Pa):6. 5 X 10_3、襯底溫度(V ):400，基板距離(cm):· 5 ；真空退火真空度(Pa) :4X10_2、退火溫度650°C、退火時(shí)間(h) :4。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝，其特征在于所述制備工藝的一次蒸發(fā)沉積多晶硅粉末(g) :0. 3、真空度(Pa) :5. 5乂10_3、襯底溫度(°0: 350,基板距離(cm) 10 ；二次蒸發(fā)沉積:多晶硅粉末(g) :0. I、真空度(Pa) :5. 5X 10_3、襯底溫度(°C) :350，基板距離(cm) 10 ；蒸發(fā)鍍鋁膜鋁粉(g):0. 3、真空度(？&):7.5\10_3、襯底溫度(°0:400，基板距離(011):·5 ；真空退火真空度(Pa) :3X10_2、退火溫度500°C、退火時(shí)間(h) :2. 5。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝制備的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較小，薄膜厚度·5.6 μ m，晶化率73. 2%，理論光電轉(zhuǎn)換率8. 3%。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝制備的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較大，晶粒排列較整齊，薄膜厚度9. 7 μ m，晶化率89. 4%，理論光電轉(zhuǎn)換率10. 5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝制備的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較大，晶粒排列不夠整齊，薄膜厚度8. 9 μ m，晶化率84. 6%，理論光電轉(zhuǎn)換率9. 1%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝制備的多晶硅薄膜，其特征在于所述多晶硅薄膜的性能薄膜的表面形貌較好，晶粒尺寸較大，晶粒排列較整齊，薄膜厚度8. 2 μ m，晶化率84. 6%，理論光電轉(zhuǎn)換率9. 1%。
全文摘要
本發(fā)明公開一種真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜及制備工藝，目的是解決現(xiàn)有多晶硅薄膜及制備工藝存在的問題。本發(fā)明在玻璃襯底上通過鋁誘導(dǎo)晶化法得到多晶硅薄膜，薄膜由表面向襯底依次由多晶硅薄膜和鋁層組成，薄膜厚度為5μm-10μm、晶化率達(dá)到73.2%～89.4%，薄膜理論光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到8.3%～10.5%。真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜制備工藝步驟如下1.選擇實(shí)驗(yàn)原料、襯底和蒸發(fā)源的材料；2.襯底除油；3.超聲清洗；4.水洗；5.真空蒸鍍硅薄膜；6.蒸鍍鋁膜；7.真空退火；8.鋁標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液腐蝕9.檢測(cè)試樣性能。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)真空蒸鍍太陽能電池用多晶硅薄膜結(jié)合力好，純度高，晶化率和光電轉(zhuǎn)換率較高；工藝簡(jiǎn)單、效率高、能耗低，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/18GK102605329SQ201210069509
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者付傳起, 何旭, 室谷貴之, 曹健, 李斌, 王宙 申請(qǐng)人:大連大學(xué)