CN101752458A - 一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法 - Google Patents

一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法 Download PDF

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周志文
曾祥斌
宋佩珂
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Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，将保护处理后的单晶硅片浸入稀氢氟酸处理后，进行清洗和干燥，然后放入等离子增强化学气相淀积系统的真空室中，并加热单晶硅片到室温～300℃，通入能产生原子氢的气体到真空室，并对真空室施加射频电压，至完成单晶硅片的钝化。通过对钝化过程的控制，可以去除单晶硅表面的污染物，饱和硅片表面的悬挂键，同时避免硅片由于过腐蚀或等离子轰击形成新的缺陷，降低了异质结的界面态密度，实现了非晶硅/单晶硅异质结界面的有效钝化。

Description

一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法。
背景技术
HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer)太阳能电池，即带有本征薄层的异质结太阳能电池，其异质结结构是通过在单晶硅衬底上用化学气相淀积法制备非晶硅薄膜而形成的。由于掺杂非晶硅具有高缺陷态密度，单晶硅具有高表面态密度，当二者直接接触时，隧道效应引起的背电流使得转换效率低下。为降低界面、表面复合，研究人员在掺杂非晶硅层和单晶硅衬底之间插入一层极薄的低缺陷密度本征a-Si层作为“缓冲层”，从而使高缺陷态密度的掺杂非晶硅层与异质结界面分离，降低了异质结的界面态密度，构成了所谓的“HIT”结构。
但是，HIT太阳能电池本征非晶硅/单晶硅异质结界面仍然存在相当数量的缺陷态密度。这些缺陷态一方面来自于非晶硅/单晶硅界面的能带不连续以及晶格失配所引起的悬挂键；另一方面，在异质结的制备过程中，非晶硅/单晶硅界面的污染物，尤其是单晶硅片表面氧化物和杂质的存在也是界面高缺陷态密度的重要来源。异质结界面缺陷态的存在使得载流子在界面附近复合而损失，影响了太阳能电池的性能。
发明内容
鉴于HIT太阳能电池非晶硅/单晶硅异质结界面所存在的高缺陷态密度，本发明提供了一种单晶硅片的界面钝化方法，该方法降低了异质结界面的缺陷态密度。
本发明提供的异质结太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，其步骤包括：
(1)用负型光刻胶涂敷单晶硅片背面，经甩胶、前烘后，光刻胶与单晶硅片背面形成紧密接触；
(2)将单晶硅片浸入体积浓度为1％～10％的稀释氢氟酸，处理30～90秒后取出，去除单晶硅片背面的负型光刻胶，单晶硅片清洗后干燥；
(3)将干燥后单晶硅片放入等离子增强化学气相淀积系统的真空室中，抽真空到10-6Torr或以上，加热单晶硅衬底到室温～300℃；
(4)通入能产生原子氢的气体到真空室，气体流量为10～80毫升/分钟，使真空室的压力为1×10-2～1×10Torr；
(5)对真空室加放电功率为50W～150W的射频电压，时间为10min～120min；
(6)关闭反应气体，抽真空到背景真空度，得到界面钝化后的单晶硅片。
具体而言，本发明方法具有以下技术特点：
(1)本发明通过在制备非晶硅薄膜之前，用氢氟酸处理单晶硅表面，去除单晶硅片的表面氧化层，减少单晶硅衬底的表面污染物，同时通过控制氢氟酸的浓度和处理时间，避免氢氟酸对硅片表面的过腐蚀，以降低非晶硅/单晶硅异质结界面的缺陷态密度，达到对异质结界面的最佳钝化效果。
(2)为了降低晶格失配以及氢氟酸处理引起的悬挂键密度，本发明还采用低能原子氢预处理单晶硅表面。原子氢是补偿硅表面悬挂键常用的元素，它与悬挂键结合后能有效降低界面态数量，起到钝化异质结界面的作用。然而，原子氢能量过高时会轰击单晶硅表面，造成硅表面的损伤，反而会增加表面的缺陷态密度。本发明通过控制等离子放电功率，降低原子氢的能量，在不带来表面损伤的前提下实现原子氢的表面吸附，降低悬挂键密度，从而达到钝化异质结界面的目的。另一方面，衬底温度过高时，氢原子容易从单晶硅表面溢出，不利于原子氢对界面悬挂键的补偿。因此，本发明对原子氢预处理时的衬底温度进行了有效的控制，以实现最理想的界面钝化效果。
(3)本发明方法可以去除单晶硅表面的污染物，饱和硅片表面的悬挂键，同时避免硅片由于过腐蚀或等离子轰击形成新的缺陷，降低了异质结的界面态密度，实现了非晶硅/单晶硅异质结界面的有效钝化。
附图说明
图1为本发明实施例1中经稀释氢氟酸处理后的单晶硅片表面的XPS能谱图
具体实施方式
采用以下步骤对单晶硅的界面进行钝化：
(1)在单晶硅片上制备非晶硅层之前，用稀释氢氟酸对单晶硅片需生长非晶硅的表面进行预处理。
(1.1)由于氢氟酸会腐蚀硅片反面的铝背电极，处理前先对硅片背面进行保护处理：用负型光刻胶涂敷硅片背面，经甩胶、前烘后，光刻胶与硅片背面形成紧密接触，防止氢氟酸的浸入和腐蚀。
(1.2)将背面保护良好的硅片浸入体积百分比浓度为1％的稀释氢氟酸，处理60秒后取出。
(1.3)去除硅片背面的负型光刻胶，清洗硅片，并将硅片在酒精中煮沸，取出吹干。
(1.4)迅速将处理好的单晶硅片放入PECVD系统真空室。
(2)硅片放入PECVD系统后，在单晶硅衬底上生长非晶硅薄膜之前，对单晶硅表面进行原子氢预处理。
(2.1)对PECVD系统抽真空，背景真空度达到10-6Torr；
(2.2)加热单晶硅衬底，衬底温度为240℃；
(2.3)通入能产生原子氢的气体(氢气)，气体流量为40毫升/分钟；
(2.4)调整节流阀，使反应室气压为1Torr；
(2.5)加射频电压，设置放电功率为100W；
(2.6)气体辉光后开始计时，处理时间为60min；
(2.7)关闭反应气体，抽真空到背景真空度。
通过以上步骤即可完成对单晶硅片界面的钝化，通入硅烷等反应气体后，就可以开始非晶硅薄膜的制备了。
经过步骤(1)以后，单晶硅片表面的XPS能谱图如图1所示。由能谱图可知，硅片表面不含氧元素，即氢氟酸预处理有效去除了硅片表面的氧化物；同时，氟元素的缺失也表明氢氟酸没有对单晶硅表面造成新的污染。
由氢氟酸处理前后硅片表面的SEM分析可知，通过对氢氟酸的浓度和处理时间进行的有效控制，使得氢氟酸的处理未对硅片的表面形貌造成明显影响，避免了氢氟酸对硅片的过腐蚀。
通过本发明对非晶硅/单晶硅异质结界面的有效钝化，在其它参数均相同的情况下，HIT太阳能电池的开路电压可提高160mV，短路电流也有明显的改善。
在以上实施例中，给出了运用本发明的方法在一定处理条件下对单晶硅片界面钝化的过程。在实际操作中，可根据实际情况改变各处理条件，如：对单晶硅片进行处理的氢氟酸可以改用10％浓度的氢氟酸，处理时间减少为30s；通入真空室的能产生原子氢的气体改用氨气，气体流量为60毫升/分钟；对真空室施加40分钟功率为120W的射频电压等。这类改动是本领域的普通技术人员结合本发明内容并根据实际需要及所拥有的试验设备条件较容易做出的修改，均应包涵在本发明的权利要求保护范围之内。
通过以上实施例可以看出，本发明通过去除单晶硅表面的污染物，饱和硅片表面的悬挂键，同时避免硅片由于过腐蚀或等离子轰击形成新的缺陷，降低了异质结的界面态密度，实现了非晶硅/单晶硅异质结界面的有效钝化。

Claims (5)

1.一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，通过对单晶硅实施以下步骤得以实现：
(1)对单晶硅片背面进行保护处理；
(2)将保护处理后的单晶硅片浸入稀氢氟酸处理后，进行清洗和干燥；
(3)将干燥后单晶硅片放入等离子增强化学气相淀积系统的真空室中，并加热单晶硅片到室温～300℃；
(4)通入能产生原子氢的气体到真空室，并对真空室施加射频电压；
(5)关闭反应气体，抽真空到背景真空度，得到界面钝化后的单晶硅片。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，其特征在于，所述对保护处理后的单晶硅片处理的稀释氢氟酸的体积浓度为1％～10％，处理时间为30～90秒。
3.如权利要求1所述的一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，其特征在于，所述步骤(3)中的真空室的真空度为10-6Torr或以上。
4.如权利要求1所述的一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，其特征在于，所述步骤(4)中通入真空室的能产生原子氢的气体流量是为10～80毫升/分钟，并维持真空室的压力在1×10-2～1×10Torr。
5.如权利要求1所述的一种太阳能电池单晶硅片的界面钝化方法，其特征在于，所述对真空室施加的射频电压功率为50W～150W，施加的时间为10min～120min。
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