太陽能電池的n型晶體硅襯底的清洗處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，該方法的步驟如下：用去離子水沖洗經(jīng)過制絨處理后的N型晶體硅襯底，然后將其浸漬在濃硫酸和過氧化氫的混合溶液，完成后再用去離子水沖洗襯底；接著將襯底浸泡于含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈；接著將襯底浸漬在配比為1：1：6、溫度為60℃~80℃的氯化氫：過氧化氫：水的混合液中洗滌10~15min，之后再用去離子水沖洗，然后將襯底表面烘干待用；接著將干燥的襯底進行刻蝕處理，然后再用去離子水沖洗；本發(fā)明方法能夠提高襯底表面的潔凈度，使其平整光滑，從而改善制備的太陽能電池的開路電壓、短路電流和填充因子，提升電池光電轉換性能。
【專利說明】太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，特別適用于薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結太陽電池與全背電極太陽電池等的器件制造中。
【背景技術】
[0002]目前，一種典型的晶硅太陽電池的制備常包含有很多個步驟。一般來說，對晶硅襯底進行高質(zhì)量的絨面制備及后清洗處理則是整個器件能否取得高效的關鍵第一步，尤其是需正確無誤地對制絨后表面形貌與所可能包含的污染物實施完善處理。
[0003]對于傳統(tǒng)的一般高溫擴散結太陽電池來說，其制絨后表面清洗工作僅包括反應中和與表面氧化膜去除兩步，具體是使用經(jīng)稀釋的鹽酸(HCL)溶液中和脫去制絨后表面殘留的堿金屬與其它可能粘附的金屬粒子，去離子水洗后再用低濃度的氫氟酸(HF)短時間浸泡以脫去表面氧化膜，去離子水沖洗吹干后即可開展下一步的電池制備工藝。
[0004]但是，在高效薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結太陽電池與全背電極太陽電池等的應用領域，尤其是在使用低成本直拉法(CZ)及快速鑄錠所制備的N型晶體硅襯底上，上述簡單的清洗制絨手段已基本失去可行性。這是因為，對于此些高效率太陽電池，載流子在襯底表面與界面的復合快慢則成了其能否取得高效的關鍵，而載流子表面與界面復合的降低則離不開后續(xù)使用化學氣相沉積方法在硅表面沉積高質(zhì)量的納米級(rim)范疇的介質(zhì)膜以達到出色的表面鈍化效果。但在電池制備實踐中，能否取得完全潔凈無污染的制絨結構則是這一關鍵步驟成敗的前提。
[0005]對于硅片的清洗，采用比較多的是美國無線電公司發(fā)明的標準RCA清洗工藝，主要包括名為RCA-1與RCA-2的兩大步驟。在5(T80°C加熱條件下，采納配比為5:1:1的去RCA-1溶液，即離子水(DI) +氨水(NH4OH) +過氧化氫(H2O2)，經(jīng)8?10分鐘的洗滌可有效去除硅片表面的有機粒子污染，另外，使用比為6:1:1的去RCA-2溶液，即離子水(DI) +鹽酸(HCL)+過氧化氫(H2O2),經(jīng)8?10分鐘的洗滌可有效去除硅片表面的金屬離子污染。
[0006]雖然經(jīng)典的RCA清洗方法在一般半導體實踐中可有效消除襯底表面污染，但在異質(zhì)結電池等的制作方面，還是有晶硅絨面形貌結構等的其它問題限制其直接應用于器件制備。具體在于，經(jīng)堿制絨工藝制備出的絨面金字塔，其在構造上通常是呈現(xiàn)出一種尖銳的金字塔頂與凹凸不平的金字塔谷底夾雜分布狀況，因而，在上述絨面形貌結構未加以針對性處理前提下，很難使用等離子體沉積技術在襯底表面制備良好鈍化能力的納米級非晶硅薄膜。并且，高質(zhì)量的表面與界面鈍化性能，還要求鈍化介質(zhì)膜必須均勻一致的在晶硅絨面結構表面生長沉積，包括在金字塔尖端、谷底與各組成晶面等區(qū)域的有效沉積。總之，如果直接在僅經(jīng)RCA清洗過的絨面表面生長非晶硅薄膜，會因薄膜在不同金字塔結構處的厚度不均及穿透等問題引起表面鈍化急劇變差，進而導致載流子表面復合速率很高，使得器件的開路電壓與短路電流明顯偏低。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，它能夠提高襯底表面的潔凈度，使其平整光滑，從而改善制備的太陽能電池的開路電壓、短路電流和填充因子，提升電池光電轉換性能。
[0008]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，該方法的步驟如下:
(1)用去離子水沖洗經(jīng)過制絨處理后的N型晶體硅襯底，然后將其浸潰在濃硫酸和過氧化氫的混合溶液中5~15min，并保證溫度80-?00?，完成后再用去離子水沖洗襯底；其中，濃硫酸和過氧化氫的配比為I 1:4 ;
(2)接著將襯底浸泡于含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(3)接著將襯底浸潰在配比為1:1:6、溫度為60°C~80°C的氯化氫:過氧化氫:水的混合液中洗滌l(Tl5min，之后再用去離子水沖洗，然后將襯底表面烘干待用；
(4)接著將干燥的襯底進行刻蝕處理，然后再用去離子水沖洗；
(5)接著將襯底浸泡在含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(6)接著在60°C~80°C條件下，使用配比為1:1:4的一水合氨:過氧化氫:水的混合液對襯底預清洗處理；
(7)接著將襯底浸泡在含有48%氟化銨和1%氫氟酸的混合溶液中f3min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(8)接著在50°C條件下，使用配比為1:5的過氧化氫:水的溶液中對襯底進行原子級粗糙度調(diào)整，時間為0.5~2min,并且過`氧化氫:水的溶液中含有2%的氫氟酸；
(9)接著在60°C~80°C條件下，將襯底浸泡在配比為1:1:5的一水合氨:過氧化氫:水混合液中l(wèi)(Tl5min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(10)接著將襯底浸泡在含有2%~5%氫氟酸的溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干
凈;
(11)接著將襯底轉移至循環(huán)熱水中，并保證水浴溫度為80-100?，時間為2~3小時，完成后吹干即可。
[0009]進一步，步驟(1)中的制絨處理工藝采用含有制絨輔助劑的氫氧化鉀溶液。
[0010]進一步，所述的步驟(4)中的刻蝕工藝為:將經(jīng)過步驟(3)后的襯底置于氫氟酸和硝酸的混合溶液中進行刻蝕Hmin ;其中，氫氟酸和硝酸的配比為1:18~1:35。
[0011]進一步，所述的步驟(3)中的烘干和步驟(11)中的吹干均采用熱氮氣。
[0012]采用了上述技術方案后，本發(fā)明主要是通過打破傳統(tǒng)的RCA標準清洗步驟，同時穿插引入新的處理手段以全面克服因金字塔絨面所引起的電池制備棘手問題，具體分為幾個方面，首先是將酸液清洗步驟與堿液清洗步驟倒置使用以減少襯底表面斑點殘留及更加合理的降低因堿制絨多帶來的不利影響；其次，在制絨后引入了刻蝕對金字塔構造進行平滑處理，譬如，采用hf/hno3混酸，即可以通過此溶液對硅表面各向同性腐蝕機理，對叢生夾雜的小金子塔及金字塔銳利的尖端、凹凸不平的底部與坡面等進行有效腐蝕，從而使得表面變得光滑平坦，提高所沉積非晶硅、納晶硅及微晶硅等硅薄膜的質(zhì)量；再者，穿插引入短時間的NH4F與HF緩沖溶液及HF與H2O2混合液對絨面微結構進行微刻蝕，可以達成原子層級的平滑效果，降低缺陷態(tài)密度，也即進一步降低絨面表面微粗糙度；最后，對完整清洗處理好的絨面襯底實施一定時間的高溫循環(huán)水浴處理，不僅可在襯底表面形成幾納米的氧化緩沖層，還可明顯延長絨面硅片在空氣氛中的保存?zhèn)溆脮r間；總之，通過本發(fā)明整合工藝步驟的正確實施，可以明顯改善基于N型絨面襯底的太陽電池的開路電壓Voc、短路電流Isc與填充因子FF，即所制備的電池光電轉換性能得以明顯提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0015]如圖1所示，一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，該方法的步驟如下:
(1)N型硅片制絨+H2S04/H202預清洗:用去離子水沖洗經(jīng)過制絨處理后的N型晶體硅襯底，然后將其浸潰在濃硫酸和過氧化氫的混合溶液中5~15min，并保證溫度8(TlO(TC，完成后再用去離子水沖洗襯底，大致時間為2.5min ;其中，濃硫酸和過氧化氫的配比為1:1~1:4 ；
(2)HF/HCL浸潰:接著將襯底浸泡于含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(3)RCA-2清洗+烘干:接著將襯底浸潰在配比為1:1:6、溫度為60°C~80°C的氯化氫:過氧化氫:水的混合液中洗滌l(Tl5min，完全中和消除堿金屬離子等的影響，之后再用去離子水沖洗大約2min，然后將襯底表面烘干待用；
(4)酸液刻蝕:接著將干燥的襯底進行刻蝕處理，然后再用去離子水沖洗3~5min；
(5)HF/HCL浸潰:接著將襯底浸泡在含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈；
(6)APM清洗:接著在60°C~80°C條件下，使用配比為1:1:4的一水合氨(NH3.Η20):過氧化氫:水的混合液對襯底預清洗處理，時間大致為lOmin，以徹底脫除所殘留的小分子有機污染與刻蝕黃斑；
(7)HF/NH4F浸潰:接著將襯底浸泡在含有48%氟化銨和1%氫氟酸的混合溶液中3πι?η,以進一步平滑金字塔絨面，之后再用去離子水沖洗干凈；
(8)RCA-1清洗:接著在50°C條件下，使用配比為1:5的過氧化氫:水的溶液中對襯底進行原子級粗糙度調(diào)整，時間為0.5~2min,并且過氧化氫:水的溶液中含有2%的氫氟酸；
(9)HF浸潰:接著在60°C~80°C條件下，將襯底浸泡在配比為1:1:5的一水合氨:過氧化氫:水的混合液中l(wèi)(Tl5min，之后再用去離子水沖洗干凈，沖洗時間大致為2min ；
(10)去離子水水浴處理:接著將襯底浸泡在含有2%~5%氫氟酸的溶液中2~3min，以完全除去表面氧化膜及粘附的金屬離子，之后再用去離子水沖洗干凈；
(11)吹干轉移至PECVD:接著將襯底轉移至循環(huán)熱水中，并保證水浴溫度為8(Tl00°C，時間為2~3小時， 完成后吹干即可，吹干后的襯底轉移至相關等離子體氣相沉積設備腔室進行鈍化介質(zhì)膜的高質(zhì)量沉積。
[0016]步驟(I)中的制絨處理工藝采用含有制絨輔助劑的氫氧化鉀溶液，并且制絨后的襯底表面會有金屬離子及有機粒子污染物殘留在上面。
[0017]所述的步驟(4)中的刻蝕工藝為:將經(jīng)過步驟(3)后的襯底置于氫氟酸和硝酸的混合溶液中進行刻蝕Hmin ;其中，氫氟酸和硝酸的配比為1:1fl: 35。
[0018]所述的步驟(3)中的烘干和步驟(11)中的吹干均采用熱氮氣。
[0019]本發(fā)明的工作原理如下:
采用低成本N型晶體硅襯底制備高效率的異質(zhì)結太陽電池還有全背電極太陽電池等，其轉換效率高低很大程度上取決于所制備的初始表面絨面形貌及其表面構造所引起的電性能的優(yōu)劣，具體包括絨面金字塔大小、表面微觀粗糙度與表面帶電缺陷態(tài)密度等，這些因素直接決定用CVD等方法所生長在器件表面的介質(zhì)膜的鈍化性能。如果簡單的使用傳統(tǒng)的RCA洗滌方式對所制備的N型襯底絨面結構做處理，清洗后雖然一些常見的無機堿金屬離子與有機污染物粒子會大幅消除，但對于通常需避免高溫工藝而在襯底上采用低溫方法制備高質(zhì)量的鈍化介質(zhì)膜的高效率電池，其表面潔凈度還是遠遠達不到要求，況且，此時在襯底表面還存在有大量的因金字塔絨面所導致的不平整與尖銳區(qū)域，這些形貌特點會大大降低納米級薄膜在襯底表面沉積的質(zhì)量。
[0020]本發(fā)明主要是通過打破傳統(tǒng)的RCA標準清洗步驟，同時穿插引入新的處理手段以全面克服因金字塔絨面所引起的電池制備棘手問題，具體分為幾個方面，首先是將酸液清洗步驟與堿液清洗步驟倒置使用以減少襯底表面斑點殘留及更加合理的降低因堿制絨多帶來的不利影響；其次，在制絨后引入了刻蝕對金字塔構造進行平滑處理，譬如，采用HF/HNO3混酸，即可以通過此溶液對硅表面各向同性腐蝕機理，對叢生夾雜的小金子塔及金字塔銳利的尖端、凹凸不平的底部與坡面等進行有效腐蝕，從而使得表面變得光滑平坦，提高所沉積非晶硅、納晶硅及微晶硅等硅薄膜的質(zhì)量；再者，穿插引入短時間的NH4F與HF緩沖溶液及HF與H2O2混合液對絨面微結構進行微刻蝕，可以達成原子層級的平滑效果，降低缺陷態(tài)密度，也即進一步降低絨面表面微粗糙度；最后，對完整清洗處理好的絨面襯底實施一定時間的高溫循環(huán)水浴處理，不僅可在襯底表面形成幾納米的氧化緩沖層，還可明顯延長絨面硅片在空氣氛中的保存?zhèn)溆脮r間；總之，通過本發(fā)明整合工藝步驟的正確實施，可以明顯改善基于N型絨面襯底的太陽電池的開路電壓Voc、短路電流Isc與填充因子FF，即所制備的電池光電轉換性能得以明顯提升。
[0021]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，其特征在于該方法的步驟如下: (1)用去離子水沖洗經(jīng)過制絨處理后的N型晶體硅襯底，然后將其浸潰在濃硫酸和過氧化氫的混合溶液中5~15min，并保證溫度80-?00?，完成后再用去離子水沖洗襯底；其中，濃硫酸和過氧化氫的配比為I 1:4 ; (2)接著將襯底浸泡于含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈； (3)接著將襯底浸潰在配比為1:1:6、溫度為60°C~80°C的氯化氫:過氧化氫:水的混合液中洗滌l(Tl5min，之后再用去離子水沖洗，然后將襯底表面烘干待用； (4)接著將干燥的襯底進行刻蝕處理，然后再用去離子水沖洗； (5)接著將襯底浸泡在含有2%氯化氫和3%氫氟酸的混合溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈； (6)接著在60°C~80°C條件下，使用配比為1:1:4的一水合氨:過氧化氫:水的混合液對襯底預清洗處理； (7)接著將襯底浸泡在含有48%氟化銨和1%氫氟酸的混合溶液中f3min，之后再用去離子水沖洗干凈； (8)接著在50°C條件下，使用配比為1:5的過氧化氫:水的溶液中對襯底進行原子級粗糙度調(diào)整，時間為0.5~2min,并且過氧化氫:水的溶液中含有2%的氫氟酸； (9)接著在60°C~80°C條件下，將襯底浸泡在配比為1:1:5的一水合氨:過氧化氫:水混合液中l(wèi)(Tl5min，之后再用去離子水沖洗干凈； (10)接著將襯底浸泡在含有2%~5%氫氟酸的溶液中2~3min，之后再用去離子水沖洗干凈; (11)接著將襯底轉移至循環(huán)熱水中，并保證水浴溫度為80-100?，時間為2~3小時，完成后吹干即可。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，其特征在于:步驟(1)中的制絨處理工藝采用含有制絨輔助劑的氫氧化鉀溶液。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，其特征在于:所述的步驟(4)中的刻蝕工藝為:將經(jīng)過步驟(3)后的襯底置于氫氟酸和硝酸的混合溶液中進行刻蝕Hmin ;其中，氫氟酸和硝酸的配比為1:18~1:35。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的太陽能電池的N型晶體硅襯底的清洗處理方法，其特征在于:所述的步驟(3)中的烘干和步驟(11)中的吹干均采用熱氮氣。
【文檔編號】H01L31/18GK103700733SQ201410019509
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權日:2014年1月16日
【發(fā)明者】王棟良, 包健, 郭萬武, 陸中丹, 羅彬
申請人:常州天合光能有限公司