《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》是蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司於2014年4月3日申請的專利，該專利的公布號為CN103872184A，公布日為2014年6月18日，發明人是萬松博、王栩生、章靈軍。
《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》所述製作方法是通過臭氧氧化的工藝，在矽基底與氮化矽之間製作一層氧化矽層。由於臭氧的氧化能力極強，能夠在矽基底表面迅速的生成一層緻密氧化矽層。該氧化矽層，能夠在非常薄的情況下，滿足抗PID的需求，因而避免了2014年4月之前的技術中，由於氧化矽層過厚帶來造成的減反效果降低的問題，使得該發明的太陽能電池產品完美的解決了抗PID和光利用率的矛盾問題。該薄膜具有出色的表面鈍化效果，相比單一的氮化矽薄膜，其製作的電池可以獲得額外的2～3毫伏開壓的提升。該發明所涉及的製作方案工藝簡單、成膜速度快，且自動控制膜厚，提高了整個工藝的實用性，為大規模工業化生產提供了有效的途徑。
2017年12月11日，《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法
- 申請人：蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司
- 申請日：2014年4月3日
- 公布號：CN103872184A
- 申請號：2014101344374
- 公布日：2014年6月18日
- 發明人：萬松博、王栩生、章靈軍
- 地址：江蘇省蘇州市高新區鹿山路199號
- 分類號：H01L31/18(2006.01)I
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 代理人：唐靈、常亮
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
PID（Potential Induced Degradation）效應稱為高壓誘導衰減效應，是2014年之前光伏領域出現的較新的衰減效應。隨著光伏併網系統的逐漸推廣套用，系統電壓越來越高，常用的有600伏和1000伏。組件內部電池片相對於大地的壓力越來越高，有的甚至達到600-1000伏。一般組件的鋁框線都要求接地，這樣在電池片和鋁框線之間就形成了600-1000伏的高壓。一般來說，組件封裝的層壓過程中，結構為5層。電池片在EVA中間，玻璃和背板在最外層，層壓過程中EVA形成了透明、電絕緣的物質。然而，任何塑膠材料都不可能100%的絕緣，都有一定程度的導電性，特別是在濕度較大的環境中。會有漏電流通過電池片、在封裝材料、玻璃、背板、鋁框線流過，如果在內部電路和鋁框線之間形成高電壓，漏電流將會達到微安或毫安級別，這就是太陽能電池的高壓誘導效應，PID效應使得電池表面鈍化效果惡化和形成漏電迴路，導致填充因子、開路電壓、短路電流降低，使組件性能低於設計標準。PID效應可以使組件功率下降30%以上。
如在中國專利CN201310239191中，公開了一種具有抗PID效應的晶體矽太陽能電池。其做法是在矽襯底和氮化矽層之間，通過PECVD或熱氧化的方法製作一層氧化矽薄膜。然而經過該專利發明人的研究發現，上述發明專利中仍然存在如下的問題：
第一、利用PECVD製作的氧化矽層，具有較高的界面態密度，容易影響薄膜的鈍化效果，造成太陽能電池效率降低。
第二、PECVD和熱氧化法製作氧化矽薄膜時，需要製作較厚的氧化矽薄膜（大於10納米）。然而較厚的氧化矽薄膜帶來的問題是：首先影響了工藝的效率，無論是PECVD還是熱氧化法，在製作大厚度的氧化矽薄膜時，都將需要消耗較長的工藝時間。其次由於氧化矽薄膜的折射率小於矽和氮化矽，在氧化矽薄膜的厚度過厚時，減少氮化矽和氧化矽雙層膜的減反效果，使得太陽能電池的光線利用率降低，影響太陽能電池的效率。
因此，如何製作該層二氧化矽，使其能夠適用抗PID太陽能電池的要求，成了業界關注的一個難題。
發明內容
專利目的
該發明的目的在於提出了一種新的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，不僅可以解決二氧化矽厚度和抗PID效果的矛盾，而且還能增加鈍化效果，減少工藝所需的時間，提高工藝的效率。
技術方案
《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》該抗PID晶體矽太陽能電池在矽基片和氮化矽之間製作一層氧化矽，以獲得抗PID的效果，所述氧化矽使用臭氧氧化工藝製備而成。
優選的，所述臭氧氧化工藝包括步驟：
1）提供一經過擴散處理後的矽基片；
2）對所述矽基片進行清洗；
3）將所述矽基片至於臭氧氛圍中，使矽基片的擴散面在臭氧中氧化，直至該氧化動作自然停止，得到所需氧化矽層。
優選的，所述步驟2）中的清洗包括：使用HF溶液清洗去除所述矽基片表面的磷矽玻璃層，所述HF溶液的體積濃度為2～8%，清洗溫度為10～30℃，清洗時間為10～200秒。優選的，所述臭氧由臭氧發生器提供，該臭氧的濃度為5～100ppm。
優選的，所述氧化動作所需的處理時間為3秒～60分鐘，溫度為15～25℃，得到的所述氧化矽層的厚度為0.6～2納米。優選的，所述步驟2）和步驟3）之間的間隔時間小於30分鐘。優選的，所述臭氧氧化工藝之後，還包括步驟4）：在氧化矽層表面沉積氮化矽層。
優選的，所述氮化矽層的厚度在80～90納米之間。優選的，所述步驟3）和步驟4）之間的間隔時間小於30分鐘，或者當所述步驟3）和步驟4）之間的間隔時間超過30分鐘時，對所述矽基片實施一清洗動作，以去除表面的自然氧化層。
改善效果
與2014年4月之前的技術相比，《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》的技術效果在於：
第一、生成的氧化矽厚度不超過2納米，在此厚度下，氧化矽層基本不會對減反效果產生影響；
第二、採用臭氧氧化的工藝得到的氧化矽膜層，具有較低的表面態密度，提高了氧化矽的鈍化效果，從而提高了太陽能電池片的光電轉換效率。
第三、該發明所涉及的製作方案工藝簡單、成膜速度快，幾乎在幾秒鐘的時間內氧化矽膜就完成成膜，該氧化層生長到一定厚度之後便不再繼續生長，不需要特殊的手段控制成膜的厚度，提高了整個工藝的實用性，為大規模工業化生產提供了有效的途徑。
附圖說明
圖1是該發明的抗PID晶體矽太陽能電池製作方法的流程框圖。
附圖說明
權利要求
1.《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》該抗PID晶體矽太陽能電池在矽基片和氮化矽之間製作一層氧化矽，以獲得抗PID的效果，其特徵在於：所述氧化矽使用臭氧氧化工藝製備而成。
2.如權利要求1所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述臭氧氧化工藝包括步驟：
1）提供一經過擴散處理後的矽基片;
2）對所述矽基片進行清洗；
3）將所述矽基片至於臭氧氛圍中，使矽基片的擴散面在臭氧中氧化，直至該氧化動作自然停止，得到所需氧化矽層。
3.如權利要求2所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述步驟2）中的清洗包括：使用HF溶液清洗去除所述矽基片表面的磷矽玻璃層，所述HF溶液的體積濃度為2～8%，清洗溫度為10～30℃，清洗時間為10～200秒。
4.如權利要求2所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述臭氧由臭氧發生器提供，該臭氧的濃度為5～100ppm。
5.如權利要求4所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述氧化動作所需的處理時間為3秒～60分鐘，溫度為15～25℃，得到的所述氧化矽層的厚度為0.6～2納米。
6.如權利要求2所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述步驟2）和步驟3）之間的間隔時間小於30分鐘。
7.如權利要求2所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述臭氧氧化工藝之後，還包括步驟4）：在氧化矽層表面沉積氮化矽層。
8.如權利要求7所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述氮化矽層的厚度在80～90納米之間，折射率為2.00～2.15。
9.如權利要求7所述的抗PID晶體矽太陽能電池的製作方法，其特徵在於：所述步驟3）和步驟4）之間的間隔時間小於30分鐘，或者當所述步驟3）和步驟4）之間的間隔時間超過30分鐘時，對所述矽基片實施一清洗動作，以去除表面的自然氧化層，之後再將矽基片進行步驟3）。
實施方式
操作內容
參見圖1，圖1是該發明的抗PID晶體矽太陽能電池製作方法的流程框圖。如圖所示，該發明的製作方法主要包括三個階段：
S1：矽基底的預先處理階段。
S2：臭氧氧化工藝製備氧化矽層階段。
S3：氮化矽的製備階段。
其中第一階段的處理中，主要是對矽基底在臭氧氧化工藝之前，進行一些諸如制絨、擴散、去邊的處理。以P型單晶矽為例，在得到晶圓端的矽基底之後，往往需要先將矽基底進行去損傷並制絨，然後進行清洗，之後通過擴散或離子注入等工藝在矽基底中摻雜正5價元素，如通過高溫擴散磷工藝形成PN結。擴散之後，對矽基底進行濕法刻邊，並去除背面的PN結。
第二階段是該發明的發明重點，該階段主要是在第一階段過後的矽基底上製作氧化矽層。一些研究已經表明，在溫濕條件下，組件EVA水解產生醋酸，醋酸腐蝕玻璃析出鈉離子，在電池片同玻璃間具有較強的負偏壓條件下，鈉離子從玻璃遷移到電池片表面從而造成電池片性能衰減是PID產生的主要原因，因此阻止鈉離子的遷移是抗PID的主要途徑之一。氧化矽層的引入，就如同在矽基底前設定了一堵牆，有效的阻止了鈉離子侵入到矽基底中，因此對於抗PID的太陽能電池來說，該層氧化矽層決定了抗PID的能力。
該發明在該第二階段中，設計的利用臭氧氧化的工藝製備的氧化矽層，完美的解決了抗PID能力同減反射效果的矛盾，能夠在極薄的厚度下形成極緻密的氧化矽層，不僅保證了抗PID的性能，而且不會對氮化矽層的減反效果帶來影響。
再參見圖1，該臭氧氧化工藝製備氧化矽的方法具備包括步驟：
S21：提供經過第一階段理後的矽基片；
S22：對矽基片進行清洗；
S23：將矽基片至於臭氧氛圍中，使矽基片的擴散面在臭氧中氧化，直至該氧化動作自然停止，得到所需氧化矽層。
其中步驟S22的清洗處理，主要是指對經過預處理的矽基底進行酸洗，以去除其表面可能存在的磷矽玻璃層。具體地，該清洗處理採用HF溶液作為清洗液清洗去除磷矽玻璃層，HF的體積濃度為2～8%，清洗溫度為10～30℃，清洗時間為10～200秒。
在步驟S23中，臭氧由臭氧發生器提供，該臭氧的濃度對反應速度具有一定影響，濃度較大時，臭氧的氧化能力越強，與矽層的結合速度越快。具體地，該臭氧的濃度可以為5～100ppm，處理時間為3秒～60分鐘，溫度為15～25℃，生成臭氧氧化膜厚度為0.6～2納米。需要注意的是，由於臭氧環境中的氧化矽層在幾秒的時間內就已經無法再生長，因此實際操作過程中，可以適當的延長反應的時間，為臭氧和矽提供過反應的時間，確保氧化完成率。另外，臭氧氧化工藝，在室溫環境下即可完成氧化，因此其對矽基底，尤其是擴散層的損壞幾乎可以忽略，提高了襯底的可靠性。
需要指出的是，第一階段和第二階段之間的時間間隔最好控制在半個小時之內，因為經過第一階段的處理之後，矽基底表面或多或少會與空氣中的氧氣進行反應，生產一層自然氧化層，該層自然氧化層如果過厚，會導致第二階段中臭氧氧化工藝的品質變差。如果第一階段和第二階段之間相隔半個小時以上，最好在進行第二階段之間，對矽基底進行一次針對表面氧化層的清洗步驟。第二階段之後，在製作得到的氧化矽層上進行第三階段的工藝，即製作一層氮化矽層。該氮化矽層可以用PECVD等沉積工藝進行製作，氮化矽的厚度為80～90納米，折射率為2.00～2.15。
同樣，該第二階段和第三階段之間的時間間隔，最好也不要超過半個小時，否則對所述矽基片實施一清洗動作，以去除表面的自然氧化層。當然，作為一個完整的太陽能電池產品，在氮化矽工藝之後，可能還包括一些電極製作、層壓、封裝等常規工藝，在此就不在贅述。
通過對該發明的方法製備得到的太陽能電池片組件，在85℃，85%RH，-1000伏條件下進行96小時的PID測試後，其功率衰減幅度在3%以內，遠遠好於2014年4月之前的工藝製備電池片製作組件衰減超過50%的情況。對該發明的太陽能電池進行開路電壓測試，發現開路電壓提高2毫伏左右，光電轉換效率提高0.05%～0.1%。說明該發明的抗PID薄膜相對於2014年4月之前的氮化矽薄膜，具有更好的鈍化效果。
實施案例
實施例一
一種使用臭氧製備抗PID薄膜的方法，其步驟包括：
（1）將擴散後的矽片進行刻蝕去邊，清洗去除磷矽玻璃層；其中，清洗使用的是HF，HF溶液的體積濃度為4%，溶液溫度為20℃，清洗時間為200秒；
（2）10分鐘後，將矽片擴散面置於臭氧的環境中生長臭氧氧化膜，環境溫度為20℃，臭氧的濃度為20ppm，處理時間為10分鐘，生成臭氧氧化層的厚度為1.5納米；
（3）10分鐘後，將待處理的矽片沉積氮化矽薄膜；其中，氮化矽的厚度為84納米，折射率為2.06。
實施例二
一種使用臭氧製備抗PID薄膜的方法，其步驟包括：
（1）將擴散後的矽片進行刻蝕去邊，清洗去除磷矽玻璃層；其中，清洗使用的是HF，HF溶液的體積濃度為5%，溶液溫度為21℃，清洗時間為55秒；
（2）5秒後，將矽片擴散面置於臭氧的環境中生長臭氧氧化膜，環境溫度為21℃，臭氧的濃度為40ppm，處理時間為7秒，生成臭氧氧化層的厚度為1.2納米；
（3）15分鐘後，將待處理的矽片沉積氮化矽薄膜；其中，氮化矽的厚度為85納米，折射率為2.09。
對比例一
一種減反射膜的製備方法，具體步驟包括：
（1）將擴散後的矽片進行刻蝕去邊，清洗去除磷矽玻璃層；其中，清洗使用的是HF，HF溶液的體積濃度為4%，溶液溫度為20℃，清洗時間為200秒；
（2）10分鐘後，將待處理的矽片沉積氮化矽薄膜；其中，氮化矽的厚度為88納米，折射率為2.07。
在AM1.5、光強1000瓦、溫度25℃的條件下，測得實施例一、實施例二和對比例一製得的太陽能電池片的電性能參數，以及在85℃，85%RH，-1000伏條件下進行96小時的PID測試後，組件功率衰減比例，如下表所示：
Uoc （V） | Isc （A） | FF % | EFF % | PID後功率衰減 % | |
實施例一 | 0.627 | 8.55 | 79.98 | 17.63 | 2.1 |
實施例二 | 0.629 | 8.55 | 79.97 | 17.68 | 1.4 |
對比例一 | 0.626 | 8.54 | 79.96 | 17.58 | 55 |
其中，Voc為開路電壓，Isc為短路電流，FF為填充因子，EFF為光電轉換效率，PID後功率衰減為組件在-1000伏偏壓下進行96小時的PID後測試的功率衰減數據。從測試所得的電性能參數可見，相對於對比例一，實施例一和實施例二所製備的電池片開壓高1～2毫伏，轉換效率高0.05%～0.1%；PID衰減幅度從對比例一的超過50%降低至實施例一和實施例二的3%以下。
綜上所述，該發明提出了一種抗PID太陽能電池的製作方法，該製作方法是通過臭氧氧化的工藝，在矽基底與氮化矽之間製作一層氧化矽層。由於臭氧的氧化能力極強，該發明在利用臭氧對矽基底進行氧化時，矽基底表面能夠迅速的生成一層氧化矽層，當該層氧化矽層的生長至2納米左右時便不再生長。生長的的氧化矽層，能夠在非常薄的情況下，滿足抗PID的需求，因為避免了2014年4月之前的技術中，由於氧化矽層過厚帶來造成的氮化矽減反效果降低的問題，使得該發明的太陽能電池產品完美的解決了抗PID和光利用率的矛盾問題。該發明所涉及的製作方案工藝簡單、成膜速度快，幾乎在幾秒鐘的時間內氧化矽膜就完成成膜，不需要特殊的手段控制成膜的厚度，提高了整個工藝的實用性，為大規模工業化生產提供了有效的途徑。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種抗PID晶體矽太陽能電池製作方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
