CN102254960A - 一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层及其制备方法 - Google Patents

一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的新型钝化层材料及其大面积快速制备方法，该钝化层材料为AlN薄膜，采用磁控溅射或者PECVD技术制备该AlN薄膜钝化层。与现有p型硅表面的钝化层材料相比，该钝化层材料可以在界面处形成Al-Si-O结构，造成有效的场效应钝化效果；作为晶体硅太阳能电池前表面钝化层时，能够同时满足钝化层及减反射层的双重要求；作为背场钝化层时，能够同时满足钝化层及背反射镜的双重要求。另外，AlN钝化层的制备工艺简单，成本低廉，可以极大地降低电池片的处理成本，降低电池生产成本，易于实现大规模产业化应用，因此具有的潜在应用前景。

Description

一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层及其制备方法
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池技术领域，具体涉及一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层及其制备方法。
背景技术
太阳能电池作为太阳能应用的重要方式之一，已经引起了世界各国的广泛关注。经过多年发展，已经开发出了多种材料制成的太阳能电池，主要有硅基太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机聚合物太阳能电池和纳米晶染料敏化太阳能电池(DSSC)等。其中，晶体硅太阳能电池技术相对成熟，其累计市场份额已占85％左右。然而，太阳能电池的综合成本还远远高于传统能源，其推广应用还存在严重瓶颈。特别是太阳能光伏产业受政策因素影响很大，产业有待于进一步技术更新。另外，在未来3～5年内，光伏行业的发展面临光伏组件价格下降30～50％的压力。在这一背景下，降低太阳能电池生产成本、提高电池光电转化效率显得尤为重要。
晶体硅太阳能电池的光电转化效率一方面与硅材料有关，另一方面与晶体硅太阳能电池前表面、背表面的光生载流子复合速率有关。从电池低成本角度考虑，需要减少硅材料的使用量，也就是需要减小硅片厚度。但是，随着硅片厚度的减小，硅片表面的状态对电池性能的影响变得更加重要。首先，由于晶格结构在表面中断，硅片表面将出现大量的悬键和表面态。另外，硅片在切割过程中会在表面留下切割损伤，造成大量的缺陷和晶格畸变，从而在硅表面引入大量的复合中心。为此，我们需要通过适当的手段，对硅片表面进行适当的钝化处理，以降低硅片表面的光生载流子复合速率，从而提高电池的光电转化效率。
第一种钝化手段是通过对硅片表面的不饱和键进行适当修饰，从而减小硅片表面的缺陷密度。由于硅片表面光生载流子复合的产生不仅与表面缺陷密度有关，而且与缺陷附近的少数载流子浓度有关，所以第二种钝化手段是通过在硅片表面引入一个电场，从而极大地降低硅片表面的电子(或空穴)浓度，进而达到减小表面光生载流子复合速率的目的。
目前，工业上通常采用硅基钝化层用于晶体硅太阳能电池表面的钝化处理。第一类是通过硅的高温热氧化方法得到SiO2作为钝化层，该SiO2钝化层对晶体硅太阳能电池的n型硅表面(包括n-Si表面和n+-Si表面)和p型硅表面(包括p-Si表面和p+-Si表面)均有较好的钝化效果，但是存在的不足为：该钝化层往往需要大于900℃的高温才能生长得到足够的SiO2薄膜厚度和高质量的SiO2薄膜，从而有可能破坏硅衬底的体寿命，所以只适用于低掺杂浓度的FZ-Si衬底。第二类是采用α-SiNx:H薄膜作为钝化层，该薄膜中的H元素可以对硅片表面的不饱和键进行修饰，但是与SiO2钝化层相比，α-SiNx:H中含有较高浓度的正束缚电荷，从而影响它对p型硅表面的钝化效果。第三类是采用α-Si:H薄膜或α-SiCx薄膜作为钝化层，但是这类钝化层在电池的后续高温烧结过程中不够稳定。
从上面的分析可以看出，目前的硅基钝化层材料在晶体硅太阳能电池的n型硅表面表现出较好的钝化效果，并且已为产业界广泛采用，但是对于p型硅表面的钝化效果非常有限。而在背场钝化方面，目前国内基本上采用Al浆烧结的手段在电池背表面制作Al背表面场(BSF)，以降低背表面的光生载流子复合速率。但是，随着硅片厚度的减小，烧结工艺将导致硅片的弯曲变形，影响电池的成品率。其次，Al背场的钝化效果也非常有限，其扩散长度比较短(约为600nm)，背表面的复合速率也比较高(一般500～5000cm/s)。另外，由于Al背场的内反射率比较低，一般小于80％，所以会影响电池的红光响应。目前，通过采用Al背场钝化，电池的转化效率一般在17％左右。
因此，寻求用于晶体硅太阳能电池p型硅表面的新型钝化层材料是高效、高稳定晶体硅太阳能电池技术领域中的一个重要研究方向和研究热点。最近，埃因霍温科技大大学、比利时微电子研究中心(IMEC)、汉诺威大学太阳能研究所(ISFH)、弗劳恩霍夫太阳能系统研究院(Fraunhofer ISE)等研究机构采用Al2O3在p型硅表面实现了优异的钝化效果。埃因霍温科技大学采用Al2O3作为钝化绝缘层沉积在电池正面发射极，从而使电池转换效率达到20.6％。Fraunhofer ISE采用这种Al2O3表面钝化技术实现了高效电池的制作，效率高达23.9％。但是，值得注意的是，上述钝化处理方法中均采用ALD(原子层沉积)制备技术沉积Al2O3薄膜，存在制备技术产率比较低、薄膜沉积速度慢、工艺成本较高，以及与目前的产业化工艺兼容性较差等问题。
鉴于此，寻求一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的新型钝化层材料，以及探索该钝化层的低成本、高产量的制备技术，对降低晶体硅太阳能电池生产成本、提高电池光电转化效率具有重要意义。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足，提供一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的新型钝化层。
本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层，包括p型硅片的背场钝化层与n型硅片的p型前发射极表面钝化层，其特征是：所述的钝化层为AlN薄膜。
上述钝化层的厚度优选为20nm～60nm。
本发明还提供了上述钝化层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照晶体硅太阳能电池的制备工艺在p型硅片或n型硅片上扩散制备PN结；
步骤2：采用磁控溅射技术，以Al靶作为靶材，NH3作为反应气源，Ar气作为等离子体增强气体，在步骤1得到的p型硅表面上沉积AlN薄膜钝化层；
或采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术，以三甲基铝(TMA)作为Al源，NH3作为氮化源，氮气或者氩气作为Al源的载气，在步骤1得到的p型硅表面上沉积AlN薄膜钝化层；
步骤3：将步骤2处理后的p型硅片或n型硅片进行热处理，以激活钝化层的钝化效果。
所述的步骤2中，沉积的AlN薄膜的厚度优选为20nm～60nm。
所述的步骤3中，热处理氛围优选为N2或O2，热处理温度优选为400～500℃，热处理时间优选为15min～30min。
与现有技术相比，本发明提供的晶体硅太阳能电池p型硅表面的AlN薄膜钝化层具有如下优点：
(1)由于Al元素的存在，在AlN薄膜层与晶体硅衬底的p型硅表面的界面处形成Al-Si-O结构，从而形成一定浓度的负束缚电荷，使得AlN薄膜层能够对p型硅表面造成有效的场效应钝化效果，从而作为p型硅衬底的背场钝化层或n型硅衬底的p型前发射极表面钝化层；
(2)在n型硅衬底的p型前发射极表面钝化方面：由于AlN薄膜层的突出特点是其透射率高，同时AlN薄膜层的折射率随制备条件的改变在1.9到2.1之间变化，因此将AlN薄膜作为晶体硅太阳能电池前表面钝化层时，能够同时满足钝化层及减反射层的双重要求，在n型硅衬底的p型前发射极表面的钝化方面具有潜在的应用前景；
(3)在p型硅衬底的背场钝化方面：由于在背表面采用Si/介质/金属型结构，从而在p型硅衬底的背表面引入一个有效的背反射镜，背反射率达到90％以上，同时由于AlN的钝化特性，能够对p型硅表面进行有效的钝化处理，从而可以将AlN钝化层替代传统使用的丝网印刷Al背场(Al-BSF)，极大地改善电池的开路电压和转化效率；
因此，本发明提供的AlN薄膜作为新型的晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层，在晶体硅太阳能电池的表面钝化方面具有潜在的应用前景。本发明提出采用磁控溅射技术或者PECVD技术制备AlN薄膜作为钝化层，在AlN薄膜层制备过程中所使用的NH3中的H元素也能够对p型硅表面的不饱和悬键进行饱和处理，从而达到很好的表面化学钝化的效果；另外，该制备工艺简单，成本低廉，可以极大地降低电池片的处理成本，降低电池生产成本，易于实现大规模产业化应用。
具体实施方式
以下结合具体实施实例对本发明作进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
步骤1：按照现有的单晶硅太阳能电池的制备工艺在p型单晶硅衬底扩散制备PN结，例如，依次包括单晶硅衬底清洗与绒面制作、扩散制PN结、二次清洗去除表面污染层以及等离子刻蚀去边等工艺。本实施例采用的具体步骤如下。
用常规清洗方法清洗p型单晶硅片，然后在浓度为20％的KOH碱性溶液中，在溶液温度为90℃的条件下，去除硅表面损伤层2分钟，腐蚀去损伤层约20μm；将p型单晶硅片置于浓度为1％的KOH稀溶液中制备绒面硅，腐蚀温度为80℃，时间为10min；把p型单晶硅片放在扩散炉内，在850℃高温下使用三氯氧磷进行扩散得到PN结；采用氢氟酸溶液去除表面磷硅玻璃；采用等离子刻蚀技术去除电池边缘的PN结；采用PECVD技术在该p型单晶硅片的n型发射极表面制备SiNx减反射层。
步骤2：在磁控溅射设备上，采用Ar气作为等离子体增强气对高纯(纯度为99.99％)金属Al靶进行溅射轰击，采用NH3作为反应气体，通过反应溅射技术在p型单晶硅片的p型硅背表面溅射沉积得到AlN薄膜层，以实现背场钝化。
上述溅射反应的温度为300℃，Ar气流量为10sccm，NH3流量为40sccm，反应气压为2Pa左右。首先可以通过多靶位同靶材直流反应溅射制备AlN薄膜，各靶的溅射功率为80W左右。靶位的多少可以调节溅射速率。同样可以采用射频电源或中频电源加载于靶材，功率为80W左右，根据需要可以采用单靶或多靶进行反应溅射。溅射沉积得到的钝化层厚度为40nm。
步骤3：将步骤2处理后得到的沉积有AlN薄膜钝化层的p型单晶硅片进行热处理，以激活AlN薄膜钝化层的钝化效果，热处理温度为450℃，热处理氛围为N2或O2，处理时间为20min。
实施例2：
步骤1：按照现有的单晶硅太阳能电池的制备工艺在p型单晶硅衬底扩散制备PN结，例如，依次包括单晶硅衬底清洗与绒面制作、扩散制PN结、二次清洗去除表面污染层以及等离子刻蚀去边等工艺。本实施例采用的具体步骤如下。
用常规清洗方法清洗p型单晶硅片，然后在浓度为20％的KOH碱性溶液中，在溶液温度为90℃的条件下，去除硅表面损伤层2分钟，腐蚀去损伤层约20μm；将硅片置于浓度为1％的KOH稀溶液中制备绒面硅，腐蚀温度为80℃，时间为10min；把p型硅片放在扩散炉内，在850℃高温下使用三氯氧磷进行扩散得到PN结；采用氢氟酸溶液去除表面磷硅玻璃；采用等离子刻蚀技术去除电池边缘的PN结；采用PECVD技术在该p型单晶硅片的n型发射极表面制备SiNx减反射层。
步骤2：采用PECVD技术，以三甲基铝(TMA)作为Al源，NH3作为氮化气体，氩气作为Al源的载气，在p型单晶硅片的p型硅背表面上进行反应沉积生成AlN薄膜层，以实现背场钝化。
上述Al源温度保持在20℃，从而使得TMA有合适的饱和蒸汽压，氩气作为Al源的载气，将TMA分子带入PECVD反应腔体，Ar气流速为10sccm，同时采用NH3作为氮化气体，流速为40sccm，进入反应腔体反应生成AlN，反应温度为300℃，反应气压为5Pa，沉积得到的AlN薄膜钝化层厚度为40nm；
步骤3：将步骤2处理后得到的沉积有AlN薄膜钝化层的p型单晶硅片进行热处理，以激活AlN薄膜钝化层的钝化效果，热处理温度为450℃，热处理氛围为N2或O2，处理时间为20min。
实施例3：
步骤1：按照现有的单晶硅太阳能电池的制备工艺在n型单晶硅衬底扩散制备PN结，例如，依次包括单晶硅衬底清洗与绒面制作、扩散制PN结、二次清洗去除表面污染层以及等离子刻蚀去边等工艺。本实施例采用的具体步骤如下。
用常规清洗方法清洗n型单晶硅片，然后在浓度为20％的KOH碱性溶液中，在溶液温度为90℃的条件下，去除硅表面损伤层2分钟，腐蚀去损伤层约20μm；将n型单晶硅片置于浓度为1％的KOH稀溶液中制备绒面硅，腐蚀温度为80℃，时间为10min；把n型单晶硅片放在扩散炉内，进行高温硼元素扩散得到PN结，去除表面污染层；采用等离子刻蚀技术去除电池边缘的PN结；在n型单晶硅片的n型硅背表面制备SiNx钝化层，以实现背场钝化。
步骤2：采用PECVD技术，以三甲基铝(TMA)作为Al源，NH3作为氮化气体，氩气作为Al源的载气，在n型单晶硅片的p型硅发射极表面上进行反应沉积生成AlN薄膜钝化层。
上述Al源温度保持在20℃，从而使得TMA有合适的饱和蒸汽压，氩气作为Al源的载气，将TMA分子带入PECVD反应腔体，Ar气流速为10sccm，同时采用NH3作为氮化气体，流速为40sccm，进入反应腔体反应生成AlN，反应温度为300℃，反应气压为5Pa，沉积得到的AlN薄膜钝化层厚度为40nm；
步骤3：将步骤2处理后得到的沉积有AlN薄膜钝化层的n型单晶硅片进行热处理，以激活AlN薄膜钝化层的钝化效果，热处理温度为450℃，热处理氛围为N2或O2，处理时间为20min。
实施例4：
步骤1：按照现有的单晶硅太阳能电池的制备工艺在n型单晶硅衬底扩散制备PN结，例如，依次包括单晶硅衬底清洗与绒面制作、扩散制PN结、二次清洗去除表面污染层以及等离子刻蚀去边等工艺。本实施例采用的具体步骤如下。
用常规清洗方法清洗n型单晶硅片，然后在浓度为20％的KOH碱性溶液中，在溶液温度为90℃的条件下，去除硅表面损伤层2分钟，腐蚀去损伤层约20μm；将n型单晶硅片置于浓度为1％的KOH稀溶液中制备绒面硅，腐蚀温度为80℃，时间为10min；把n型单晶硅片放在扩散炉内，进行高温硼元素扩散得到PN结，去除表面污染层；采用等离子刻蚀技术去除电池边缘的PN结；在n型单晶硅片的n型硅背表面制备SiNx钝化层，以实现背场钝化。
步骤2：在磁控溅射设备上，采用Ar气作为等离子体增强气对高纯(纯度为99.99％)金属Al靶进行溅射轰击，采用NH3作为反应气体，通过反应溅射技术在n型单晶硅片的p型硅发射极表面溅射沉积得到AlN薄膜钝化层。
上述溅射反应的温度为300℃，Ar气流量为10sccm，NH3流量为40sccm，反应气压为2Pa左右。首先可以通过多靶位同靶材直流反应溅射制备AlN薄膜，各靶的溅射功率为80W左右。靶位的多少可以调节溅射速率。同样可以采用射频电源或中频电源加载于靶材，功率为80W左右，根据需要可以采用单靶或多靶进行反应溅射。溅射沉积得到的钝化层厚度为40nm。
步骤3：将步骤2处理后得到的沉积有AlN薄膜钝化层的n型单晶硅片进行热处理，以激活AlN薄膜钝化层的钝化效果，热处理温度为450℃，热处理氛围为N2或O2，处理时间为20min。

Claims (5)

1.一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层，包括p型硅片的背场钝化层与n型硅片的p型前发射极表面钝化层，其特征是：所述的钝化层是AlN薄膜。
2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层，其特征是：所述的钝化层的厚度为20nm～60nm。
3.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池p型硅表面钝化层的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：按照晶体硅太阳能电池的工艺在p型硅片或n型硅片扩散制备PN结；
步骤2：采用磁控溅射技术，以Al作为靶材，NH3作为反应气源，Ar气作为等离子体增强气，在经步骤1处理的晶体硅衬底的p型硅表面沉积AlN薄膜作为钝化层；或者
采用等离子增强化学气相沉积技术，以三甲基铝作为Al源，NH3作为氮化源，氮气或者氩气作为Al源的载气，在步骤1得到的p型硅表面沉积AlN薄膜钝化层；
步骤3：将步骤2处理后的p型硅片或n型硅片进行热处理，以激活钝化层的钝化效果。
4.根据权利要求3所述的晶体硅太阳能电池p型硅表面钝化层的制备方法，其特征是：所述的步骤2中，沉积的AlN薄膜的厚度为20nm～60nm。
5.根据权利要求3所述的晶体硅太阳能电池p型硅表面钝化层的制备方法，其特征是：所述的步骤3中，热处理温度为400℃～500℃，热处理时间为10min～30min。
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