一种等离子射流装置和组件以及一种晶硅电池表面氧化和除污的方法

一种等离子射流装置和组件以及一种晶硅电池表面氧化和除污的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于材料表面深度氧化和表面清洗的大气压等离子体射流装置与方法，尤其是能够对太阳能电池硅片表面、薄膜表面进行深度氧化及材料表面的污染物清洗的等离子体射流技术与方法。
【背景技术】
[0002]低温等离子体包含有电子和离子这两个重要的能量载体，大范围的电子和离子能量分布以及高度活性的激发态粒子使得等离子体具备了超化学能力，从而引发常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。这些特点决定了等离子体在诸多领域具备了如薄膜生长、基片刻蚀、材料表面改性、生物表面修饰、细胞分离、灭菌、空气净化以及等离子体隐身等的广泛应用。
[0003]众所周知，基于太阳能的光伏发电是二十一世纪最重要的新能源利用之一，其中，晶体硅太阳能电池片的光伏发电是当前光伏领域的主流技术。然而，这些晶硅电池组件在经历各种大气环境尤其是在湿热的恶劣环境条件下，经过一段时间后通常会出现所谓的功率输出的电势诱导衰减(PID)的问题。主要原因是由于介于封装玻璃与晶硅片之间的EVA胶出现老化，形成了一些微通道，在电池组件的强电势作用下，封装玻璃种的钠离子会沿着微通道进入到晶硅表面，这些钠离子在晶硅表面的堆积造成了晶硅表面微米级的缺陷位，这些表面缺陷位造成了电池组件中载流子的大量复合，直接导致了电池组件的功率输出降低。
[0004]为克服钠离子进入到晶硅表面，一方面，研宄者们从EVA胶的改进方面着手，提高EVA胶的阻抗特性，延缓钠离子的进入，但成本相对较高，离实际应用还有较长一段距离；另一方面，研宄者们在晶硅表面涂覆一层致密S1x的阻挡层，阻止钠离子的进入，例如，采用等离子体增强化学气相沉积方法利用笑气(N20)和硅烷(SiH4)作为前驱体在晶硅表面生长S1x的阻挡层，但所生长S1x薄膜不够致密，实际的阻挡效果并不理想；也有直接采用臭氧氧化方法在晶硅表面增强生长一层2-3nm的氧化硅，该方法目前在生产中已有一定的应用，但仍面临着厚度较薄、氧化深度不够等不利因素。
[0005]另外，在晶硅电池片加工生产与操作过程中，操作员工经常会不经意的在电池片表面留下指纹等污染物，这些污染物在晶硅片涂覆减反层SiNx薄膜之前很难被觉察，而一旦涂覆减反层之后，指纹痕迹很明显，严重的影响着电池片的外观。有时，晶硅电池片成品表面上也留有一些指纹印。

【发明内容】

[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种能够阻挡封装玻璃中的钠离子从EVA胶的微通道进入硅片表面的装置。
[0007]为解决上述问题，本发明提供了一种等离子射流装置，包括接地的空心杆状金属外管体，其特征在于，还包括:
[0008]-绝缘管，位于所述外管体的内腔中，其轴线与所述外管体的轴线平行；
[0009]-金属阴极体，位于所述玻璃管的内腔中且与射频输出装置的射频输出端相连，所述阴极体为杆状结构且其轴线与所述玻璃体的轴线平行；
[0010]-金属阳极体，为空心杆状结构，所述阳极体其内壁套设在所述玻璃管的外壁上，其外壁夹紧于所述所述外管体内壁中；
[0011]-进气通道，其与所述玻璃管的内腔连通，所述进气通道的出气口设置在所述射流装置的外部。
[0012]作为本发明的进一步改进，还包括相互连接的第一连接装置和第二连接装置，所述阴极体的一端夹紧在所述第一连接装置上，所述外管体的外壁夹紧在所述第二连接装置上。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述第一连接装置和第二连接装置的连接方式为法兰连接，所述阴极体、外管体与所述第一连接装置、第二连接装置的夹紧方式均为定心夹紧。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述阴极体为钨丝。
[0015]一种等离子射流组件，包括:
[0016]如权利要求1-4其中任一所述的射流装置；
[0017]连接在所述射流装置的进气通道上的进气装置；以及
[0018]能够向所述射流装置的阴极体中馈入射频功率的射频电源；
[0019]所述气体发送装置能够向所述进气通道中送入氩气、氧气中的一种或者多种。
[0020]一种晶硅电池表面氧化方法，其特征在于包括以下步骤:
[0021]Al、将射流装置的空心筒状玻璃管中的阴电极调整到所述玻璃管的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管内，所述玻璃管突出于设置在其外壁上的空心筒状阳极体夕卜，调节射频电源，向所述阴极体馈入射频功率；
[0022]B1、通过进气装置向与所述的玻璃管内腔连通的进气通道中通入氩气和氧气混合气体；
[0023]Cl、将射流装置匀速地在用4%氢氟酸溶液中浸泡过的多晶硅片表面进行二维行列扫描。
[0024]进一步的，步骤Al中，射频功率为20MHz。
[0025]进一步的，混合气体中，氧气的含量小于0.5%。
[0026]进一步的，步骤BI中，混合气体流量为10SLM，其中氧气的流量为20SCCM，另外，将所述射频电源调节为701
[0027]一种晶硅电池表面去污方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0028]A2、将射流装置的空心筒状玻璃管中的阴电极调整到所述玻璃管的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管内，所述玻璃管突出于设置在其外壁上的空心筒状阳极体夕卜，调节射频电源，向所述阴极体馈入射频功率为13.56MHz ；
[0029]B2、通过进气装置向与所述的玻璃管内腔连通的进气通道中通入氩气和氧气混合气体8SLM，其中氧气的流量为10SCCM，同时调节射频电源的放电功率射频为100W ；
[0030]C2、将射流装置的射流照射在晶硅电池表面的污点上；
[0031]D2、将射流处理过的晶体硅片放入去离子水中漂洗；
[0032]E2、将漂洗后的晶体硅片放入温度为110度的烘箱中进行烘干处理。
[0033]本发明的有益效果在于，本发明能够阻挡封装玻璃中的钠离子进入硅片表面，从而防止钠离子在晶硅表面的堆积造成了晶硅表面微米级的缺陷位造成电池组件中载流子的大量复合，导致电池组件的功率输出降低，同时，也为了消除电池片表面的指纹等污染物。
【附图说明】
[0034]图1是本发明的结构示意图；
[0035]其中:2_外管体；3_玻璃管；4_金属阴极体；6_金属阳极体；8_进气通道；10_第一连接装置；12-第二连接装置。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的描述。
[0037]如图1所示，本发明包括接地的空心杆状金属外管体2，其特征在于，还包括:
[0038]-绝缘管3，位于所述外管体2的内腔中，其轴线与所述外管体2的轴线平行；
[0039]-金属阴极体4，位于所述玻璃管3的内腔中且与射频输出装置的射频输出端相连，所述金属阴极体4为杆状结构且其轴线与所述玻璃体的轴线平行；
[0040]-金属阳极体6，为空心杆状结构，所述金属阳极体6其内壁套设在所述玻璃管3的外壁上，其外壁夹紧于所述所述外管体2内壁中；
[0041]-进气通道8，其与所述玻璃管3的内腔连通，所述进气通道8的出气口设置在所述射流装置的外部。
[0042]作为本发明的进一步改进，还包括相互连接的第一连接装置10和第二连接装置12，所述金属阴极体4的一端夹紧在所述第一连接装置10上，所述外管体2的外壁夹紧在所述第二连接装置12上。
[0043]作为本发明的进一步改进，所述第一连接装置10和第二连接装置12的连接方式为法兰连接，所述金属阴极体4、外管体2与所述第一连接装置10、第二连接装置12的夹紧方式均为定心夹紧。
[0044]作为本发明的进一步改进，所述金属阴极体4为钨丝。
[0045]作为本发明的进一步改进，所述金属阴极体4的长度l_4mm，其放电端采用锥形结构，其锥角曲率半径为0.5mm-3mm，其锥形尖端缩进接地端口 3mm-10mm，所述玻璃管3的内径为6mm，其突出所述接地端口约3mm-10mm。
[0046]一种等离子射流组件，包括:
[0047]如权利要求1-5其中任一所述的射流装置；
[0048]连接在所述射流装置的进气通道8上的进气装置；以及
[0049]能够向所述射流装置的金属阴极体4中馈入射频功率的射频电源；
[0050]所述气体发送装置能够向所述进气通道8中送入氩气、氧气中的一种或者多种。
[0051]一种晶硅电池表面氧化方法，其特征在于包括以下步骤:
[0052]Al、将射流装置的空心筒状玻璃管3中的阴电极调整到所述玻璃管3的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管3内，所述玻璃管3突出于设置在其外壁上的空心筒状金属阳极体6外，调节射频电源，向所述金属阴极体4馈入射频功率；
[0053]B1、通过进气装置向与所述的玻璃管3内腔连通的进气通道8中通入氩气和氧气混合气体；
[0054]Cl、将射流装置匀速地在用4%氢氟酸溶液中浸泡过的多晶硅片表面进行二维行列扫描。
[0055]进一步的，步骤Al中，射频功率为20Hz。
[0056]进一步的，混合气体中，氧气的含量小于0.5%。
[0057]进一步的，步骤BI中，混合气体流量为10000SLM，其中氧气的流量为20SCCM，另夕卜，将所述射频电源调节为70W。
[005 8]一种晶硅电池表面去污方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0059]A2、将射流装置的空心筒状玻璃管3中的阴电极调整到所述玻璃管3的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管3内，所述玻璃管3突出于设置在其外壁上的空心筒状金属阳极体6外，调节射频电源，向所述金属阴极体4馈入射频功率为13.56MHz ；
[0060]B2、通过进气装置向与所述的玻璃管3内腔连通的进气通道8中通入氩气和氧气混合气体8SLM，其中氧气的流量为10SCCM，同时调节射频电源的放电功率射频为100W ；
[0061]C2、将射流装置的射流照射在晶硅电池表面的污点上；
[0062]D2、将射流处理过的晶体硅片放入去离子水中漂洗；
[0063]E2、将漂洗后的晶体硅片放入温度为110度的烘箱中进行烘干处理。
[0064]本发明的具体原理如下:向绝缘管3内通入氩气和氧气的混合气体，启动射频输出装置并向金属阴极体4馈入一定的射频功率，玻璃管3内的金属阴极体4附近发生介质阻挡放电，在等离子体激发区域内形成等离子体，等离子体羽辉随着气流从绝缘管3内部喷出，形成了包含有电子、离子、氧原子自由基、臭氧和紫外线等活性物质的等离子体射流，与射频功率、气流及电极材料相关，羽辉长度最长可达到40_。
[0065]将多晶硅片置于所产生的等离子体射流下方，或者手持装置将等离子体射流作用到多晶硅区域，多晶硅表面与等离子体中的活性氧原子以及臭氧分子相互作用后即被深度氧化。若将等离子体射流作用带多晶硅片表面的指纹区，等离子体体中的活性基团以及紫外线与指纹区的污染物发生化学反应，一些有机物的长链或弱键被有效的打断或氧化分解，残留的一些无机杂质可以使用弱酸或弱碱液快速漂洗掉。
[0066]本发明能够阻挡封装玻璃中的钠离子进入硅片表面，从而防止钠离子在晶硅表面的堆积造成了晶硅表面微米级的缺陷位造成电池组件中载流子的大量复合，导致电池组件的功率输出降低，同时，也为了消除电池片表面的指纹等污染物。
[0067]这里的绝缘管3选择石英玻璃管，用于介质阻挡放电作用。
[0068]本发明可以选择多种不同的射频电源频率，频率范围可在1.2MHz-13.56MHz之间进行选择。射频电源放电功率介于10W-200W之间。
[0069]阴级体电极采用粗细为l_4mm的钨丝，电极的放电端采用锥形方式，锥角曲率半径为0.5mm-3mm，锥形尖端缩进接地端口约3mm-10mm，内径粗细为6mm的玻璃管3介质突出接地端口约3mm-10mm，等离子体射流装置可以采用手持或固定喷口朝下方式。
[0070]在上述方案中所采用的激发气体可以是氦气或氩气和氧气的混合气体，气体流量依据实验情况从ISLM变化到20SLM甚至更多，氧气的流量小于总气体流量的0.5%。
[0071]氧气是电负性气体，在等离子体中很容易通过与高能的电子碰撞发生离解，产生一定浓度的氧负离子，因此，掺入过高含量的氧气，需要更高的射频输入才能激发产生等离子体，从本实施例来看，在维持较低功率的条件下，通入氧气的流量不宜过高。
[0072]另外，由于氦气的着火电压较低，可先通入氦气进行(预)点火放电，再逐步加入氩气和氧气，关闭氦气，等离子体射流就过渡到氩气和氧气的放电模式。
[0073]下面结合实施例对本发明做进一步向下说明。
[0074]在本发明第一实施例中，作为金属阴极体4的金属钨丝被调整到玻璃管3的轴中心位置，针尖缩进金属阳极体6末端5_的地方，绝缘管3突出金属阳极体65_的地方，射频电源的放电频率为2.0MHz，通入氩气体流量为10SLM，其中掺杂20SCCM流量的氧气，放电功率设定在70W。以手持方式，将等离子体射流匀速地在用4%氢氟酸溶液中浸泡过的156mm*156mm多晶娃片表面进行二维行列扫描，射流末端距离多晶娃表面3mm远，处理时间共计约I分钟。多晶硅表面经接触角测试呈现亲水的特性，接触角从处理前的约70度的接触角变化到只有10度左右。处理前后的浸润性变化表明多晶硅表面实现了深度氧化。取5片156mm*156mm的多晶硅片样品，在等离子体处理前，对多晶硅片进行了简单的化学清洗处理。结果表明，相比于处理前，多晶硅片的载流子寿命有了 2-3倍的提高。高分辨的透射电镜的测试结果也表明多晶硅表面的氧化深度在8nm左右。
[0075]在本发明的另一个实施例中，作为金属阴极体4的金属钨丝被调整到玻璃管3的轴中心位置，钨针尖、金属阳极体6和玻璃管3的几何关系如上例所述。射频电源的放电频率为13.56MHz，通入氩气流量为8SLM，其中掺杂10SCCM流量的氧气，放电功率射频为100W。以手持方式将等离子体射流照射多晶硅电池片样品表面的指纹区域，处理时间约5-8秒。将处理过的电池片样品放入去离子水中漂洗约10秒。取出后，放入温度为110度的烘箱中进行5分钟的烘干处理。从金相显微镜的观察结果表明，指纹清除率达到了 80%以上，处理后的残余指纹痕迹用去离子水漂洗即可。指纹处理后的太阳能电池片的光电转换效率未见下降。
[0076]以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种等离子射流装置，包括接地的空心杆状金属外管体(2)，其特征在于，还包括: -绝缘管(3)，位于所述外管体(2)的内腔中，其轴线与所述外管体(2)的轴线平行； -金属阴极体(4)，位于所述玻璃管(3)的内腔中且与射频输出装置的射频输出端相连，所述阴极体(4)为杆状结构且其轴线与所述玻璃体(3)的轴线平行； -金属阳极体￠)，为空心杆状结构，所述阳极体(6)其内壁套设在所述玻璃管(3)的外壁上，其外壁夹紧于所述所述外管体(2)内壁中； -进气通道(8)，其与所述玻璃管(3)的内腔连通，所述进气通道(8)的出气口设置在所述射流装置的外部。2.根据权利要求1所述的一种等离子射流装置，其特征在于，还包括相互连接的第一连接装置(10)和第二连接装置(12)，所述阴极体(4)的一端夹紧在所述第一连接装置(10)上，所述外管体(2)的外壁夹紧在所述第二连接装置(12)上。3.根据权利要求2所述的一种等离子射流装置，其特征在于，所述第一连接装置(10)和第二连接装置(12)的连接方式为法兰连接，所述阴极体(4)、外管体(2)与所述第一连接装置(10)、第二连接装置(12)的夹紧方式均为定心夹紧。4.根据权利要求3所述的一种等离子射流装置，其特征在于，所述阴极体(4)为钨丝。5.一种等离子射流组件，包括: 如权利要求1-4其中任一所述的射流装置； 连接在所述射流装置的进气通道(8)上的进气装置；以及 能够向所述射流装置的阴极体(4)中馈入射频功率的射频电源； 所述气体发送装置能够向所述进气通道(8)中送入氩气、氧气中的一种或者多种。6.一种晶硅电池表面氧化方法，其特征在于包括以下步骤: Al、将射流装置的空心筒状玻璃管中的阴电极调整到所述玻璃管的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管内，所述玻璃管突出于设置在其外壁上的空心筒状阳极体外，调节射频电源，向所述阴极体馈入射频功率； B1、通过进气装置向与所述的玻璃管内腔连通的进气通道中通入氩气和氧气混合气体； Cl、将射流装置匀速地在用4%氢氟酸溶液中浸泡过的多晶硅片表面进行二维行列扫描。7.根据权利要求6所述的一种晶硅电池片表面氧化方法，其特征在于，步骤Al中，射频功率为20MHz。8.根据权利要求7所述的一种晶硅电池片表面氧化方法，其特征在于，所述混合气体中，氧气的含量小于0.5%。9.根据权利要求8所述的一种晶硅电池片表面氧化方法，其特征在于，步骤BI中，混合气体流量为10000SCCM，其中氧气的流量为20SCCM。10.一种晶硅电池表面去污方法，其特征在于，包括以下步骤: A2、将射流装置的空心筒状玻璃管中的阴电极调整到所述玻璃管的轴中心位置，所述阴电极缩进在所述玻璃管内，所述玻璃管突出于设置在其外壁上的空心筒状阳极体外，调节射频电源，向所述阴极体馈入射频功率为13.56MHz ； B2、通过进气装置向与所述的玻璃管内腔连通的进气通道中通入氩气和氧气混合气体，其中氧气的含量小于0.5%，同时调节射频电源的放电功率射频为10W ； C2、将射流装置的射流照射在晶硅电池表面的污点上； D2、将射流处理过的晶体硅片放入去离子水中漂洗； E2、将漂洗后的晶体硅片放入温度为110度的烘箱中进行烘干处理。
【专利摘要】本发明公开了一种等离子射流装置和组件以及一种晶硅电池表面氧化和除污的方法，其包括接地的空心杆状金属外管体(2)，其特征在于，还包括：绝缘管(3)、金属阴极体(4)、金属阳极体(6)、进气通道(8)。本发明能够阻挡封装玻璃中的钠离子进入硅片表面，从而防止钠离子在晶硅表面的堆积造成了晶硅表面微米级的缺陷位造成电池组件中载流子的大量复合，导致电池组件的功率输出降低，同时，也为了消除电池片表面的指纹等污染物。
【IPC分类】H01L31/18, H05H1/26
【公开号】CN104883806
【申请号】CN201510100653
【发明人】辛煜, 沈铭, 唐成双, 王哲, 李 昊, 虞一青
【申请人】苏州大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月6日