CN102751383A - 一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法 - Google Patents

一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法，利用热丝化学气相沉积技术（HWCVD），在N型(100)晶向FZ单晶硅片衬底上实现外延生长的本征硅薄膜(I)和P型硼掺杂硅薄膜(P)，本发明的有益效果是：将这种实现外延生长的薄膜硅材料用于硅基异质结太阳能电池的发射极，可以实现对异质结电池界面的能带失配控制得尽量小，使得导带带阶和价带带阶减小，即光生载流子的势垒高度变小，使得对光生载流子的收集更加有效的进行，同时外延生长的薄膜掺杂效率大大提高，从而使得电导率明显提高，更有利于对载流子的收集，进而可提高电池的短路电流密度和光电转换效率。

Description

一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及硅基异质结太阳能电池领域，特别涉及一种硅基异质结太阳能电池用硅薄膜的低温外延生长工艺。
背景技术
硅基异质结太阳能电池属于综合了第一代晶体硅电池与第二代薄膜电池优点的一种电池，外延生长工艺是一种在单晶衬底表面上沿着衬底的某个晶面(如单晶硅(100)晶面)生长一层与衬底具有相同晶格排列的单晶薄膜的方法，在现代集成电路制造中应用十分广泛。IC制造中一般采用的外延工艺主要包括三种：气相外延(VPE)、分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法。VPE技术是采用气态源，在加热衬底上热分解产生成膜基元，从而进行外延生长，其工艺简单，成膜均匀性好，是IC中最常用的工艺，但衬底温度一般比较高，在800～1150℃范围，因此也称为高温CVD。MBE技术的衬底温度比高温CVD低，可进行超薄层生长和精确掺杂，但生长速率低，对真空要求高（10-8-10-10Torr），设备价格昂贵，而且衬底温度也比较高，大约为400-800℃范围；高温条件下的外延生长会伴随着较严重的固-固扩散和自掺杂，并产生热应力，导致硅片翘曲变形和畸变，使这两种技术的应用范围受到限制，满足不了大规模集成电路的要求。因此，降低外延生长的温度，对于获得高质量的器件和薄膜非常重要。金属有机化学气相沉积（MOCVD）是以金属的烷基或芳基衍生物作为源，在比较低的温度下即可在衬底上分解，进行半导体化合物的外延生长，因此，具有低温的特点，但是许多有机金属化合物蒸汽有毒、易燃，这对沉积系统的气密性和废气处理有比较高的要求，而且有时反应在气相中就发生，不易控制，且难以进行原位监测生长过程。
发明内容
本发明提供一种低温条件下在单晶硅衬底上外延生长硅薄膜的制备方法，该方法制备的外延硅薄膜应用于硅基异质结太阳能电池，显著提高电池的短路电流密度JSC。
一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法，采用热丝化学气相沉积法在单晶硅表面外延生长硅薄膜，具体步骤如下：
A、将单面抛光N型(100)晶向FZ单晶硅片浸入浓度为2～3%的氢氟酸水溶液中保持5～20秒，去除单晶硅片表面的氧化物，然后放入反应室抽真空，真空度为2×10-4Pa～9×10-5Pa；衬底加热，使硅片达到表面温度260～400℃；
B、向反应室通入氢气，氢气流量为200～300sccm，通过调节热丝两端的电压使热丝温度达到1700～1900℃，压强控制在180～220Pa，维持时间为40～60秒，降低硅片表面缺陷态密度，以便促进薄膜的外延生长；
C、保持热丝温度1700～1900℃，向反应室通入氢气与硅烷，氢气与硅烷的流量比为49：1，压强控制在1～3Pa，在单晶硅片表面沉积制备厚度为1～8纳米外延生长的本征硅薄膜，即硅基异质结太阳能电池的界面缓冲层；
D、保持热丝温度1700～1900℃，向反应室通入氢气、硅烷与三甲基硼烷，氢气、硅烷与三甲基硼烷的流量比为9：1：0.002，压强控制在1～3Pa，在本征外延硅薄膜表面沉积制备厚度为15～20纳米外延生长的P型硼掺杂硅薄膜，即硅基异质结太阳能电池的发射极。
所述热丝距离单晶硅片表面的距离为4～6cm。
上述方法制备的P型硼掺杂硅薄膜的能带宽度为1.16～1.25eV，电导率为0.008～0.05 S/cm，电导激活能为0.08～0.2eV。
本发明方法制备的外延硅薄膜应用在硅异质结太阳能电池上，短路电流密度JSC大于40mA/cm2；
本发明的有益效果是：本发明提出一种采用热丝化学气相沉积方法（HWCVD）实现低温(250～400℃)情况下外延生长硅薄膜的工艺，通过有效控制沉积过程的沉积参数在单晶硅表面外延生长硅薄膜，达到掺杂层的高效掺杂、高电导率，同时能带宽度与单晶硅接近。反应气体在高温热丝的热催化作用下分解，分解效率高，因此，与 MBE或者高温CVD比较，衬底温度可大大降低，而且，HWCVD过程可产生高密度的原子H，原子H可以打断弱的Si-Si键，弱的Si-Si键消除，有利于使晶格向着平衡、稳定的状态过渡，对晶格有弛豫作用即由非平衡态向平衡态转变，在氢气含量95％以上的高氢稀释条件下，基元（硅原子团）在氢覆盖的表面上具有比较高的迁移率，有利于扩散，有利于薄膜的晶化。这种外延生长的硅薄膜作为硅异质结电池的发射极，形成P型外延硅/I型外延硅/N型单晶硅结构的异质结太阳能电池，可以使异质结电池界面的能带失配尽量小，使得导带带阶减小，即光生载流子的势垒高度变小，使对光生载流子的收集更加有效的进行，进而可提高电池的短路电流密度和光电转换效率。
附图说明
图1为N型单晶硅衬底上本征硅薄膜I与P型掺杂硅薄膜的外延生长图（HRTEM）。
具体实施方式
本发明采用热丝化学气相沉积技术（HWCVD），通过有效控制沉积参数的范围，实现在单晶硅片上生长的硅薄膜为外延方式生长，从而可实现较高的气体掺杂效率和较高的掺杂层电导率，并同时获得与单晶硅层接近的能带宽度。外延生长的薄膜硅材料用于薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池的发射极，可有效降低异质结界面处的能带失配，减小光生载流子的势垒高度，实现对光生载流子子的有效收集，进而提高电池的短路电流密度和光电转换效率。
本发明是针对薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池，提出短路电流密度JSC大的外延生长P型掺杂硅薄膜的其制备方法。
下面提供本发明的优选实施例：
将单面抛光N型(100)晶向FZ单晶硅片浸入浓度为2%的氢氟酸水溶液中保持8秒钟以有效去除硅片表面氧化物，同时不会对硅片表面造成过度刻蚀，其中硅片厚度为0.250mm，面积为2×2 cm2，电阻率为1S/cm。然后迅速将表面处理好的硅片放入腔室中抽真空，真空度为＜1×10-4Pa，并将衬底硅片加热，硅片表面温度为350℃，开始以下工艺：
a、先向反应室内通入反应气体氢气，氢气流量为250sccm（每分钟标准立方厘米），通过调节钽丝两端的电压，以使流过钽丝的电流为12.5A，此时钽丝温度为1750℃（红外测温仪测得），并保持钽丝距离衬底硅片的距离为5cm，其中钽丝的真径为0.6mm，长10cm。通入氢气的目的是在高温热丝的作用下，热丝分解的高原子密度的H原子有利于打段弱的Si-Si键，原子氢与硅片表面的悬挂键结合以使表面悬键有效减小，从而有效地降低硅片表面缺陷态密度，对薄膜晶化的作用很大，能有效促进薄膜的外延生长，这一过程的压强控制为200Pa，维持的时间为50秒；
b、通入反应气体氢气与硅烷，调节钽丝两端电压以使流过其中的电流为13A，此时钽丝温度为1800℃左右，然后调节氢气与硅烷的流量比为49：1，沉积压强控制为3Pa，用以沉积制备本征外延硅薄膜，即异质结电池的界面缓冲层，该层的厚度控制为4纳米；
c、向反应腔室内通入氢气、硅烷与三甲基硼烷（TMB），调节钽丝两端电压以使流过其中的电流为13A，此时热丝温度为1800℃左右，然后调节氢气、硅烷与三甲基硼烷的流量比为9：1：0.002，沉积压强控制为3Pa，用以沉积制备硼掺杂的P型硅薄膜，即异质结电池的发射极，该层的厚度控制在16纳米。
图1所示为沉积压强3Pa，热丝温度1800℃，氢气与硅烷的流量比49：1（I层），氢气、硅烷与三甲基硼烷的流量比为9：1：0.002（P层），硅片表面温度为350℃时，在N型单晶硅片上沉积本征硅薄膜与P型掺杂的硅薄膜的外延生长的HRTEM图，图中显示了在异质结界面附近的薄膜外延生长情况，薄膜层与单晶硅界面处比较平滑，在厚度为20nm的范围内，即本征硅薄膜+P型硅薄膜，没有层错、孪晶和晶粒间界等缺陷出现，表现为优质的外延生长模式。
由此制备得到的P型外延硅薄膜，其主要电学性能为：能隙宽度1.2eV，电导率为0.02 S/cm，电导激活能为0.1 eV。以此外延生长的P型硅薄膜作为异质结电池的发射极时，相应的电池性能参数为：短路电流密度JSC 41.05mA/ cm2，开路电压VOC 551mV，填充因FF 0.643，转换效率Effi 14.54%，体现出了大电流的特征。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法，其特征在于，采用热丝化学气相沉积法在单晶硅表面外延生长硅薄膜，具体步骤如下：
A、将单面抛光N型(100)晶向FZ单晶硅片浸入浓度为2～3%的氢氟酸水溶液中保持5～20秒，去除单晶硅片表面的氧化物，然后放入反应室抽真空，真空度为2×10-4Pa～9×10-5Pa；衬底加热，使硅片达到表面温度260～400℃；
B、向反应室通入氢气，氢气流量为200～300sccm，通过调节热丝两端的电压使热丝温度达到1700～1900℃，压强控制在180～220Pa，维持时间为40～60秒，降低硅片表面缺陷态密度，以便促进薄膜的外延生长；
C、保持热丝温度1700～1900℃，向反应室通入氢气与硅烷，氢气与硅烷的流量比为49：1，压强控制在1～3Pa，在单晶硅片表面沉积制备厚度为1～8纳米外延生长的本征硅薄膜，即硅基异质结太阳能电池的界面缓冲层；
D、保持热丝温度1700～1900℃，向反应室通入氢气、硅烷与三甲基硼烷，氢气、硅烷与三甲基硼烷的流量比为9：1：0.002，压强控制在1～3Pa，在本征外延硅薄膜表面沉积制备厚度为15～20纳米外延生长的P型硼掺杂硅薄膜，即硅基异质结太阳能电池的发射极。
2.根据权利要求1所述的一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法，其特征在于，热丝距离单晶硅片表面的距离为4～6cm。
3.根据权利要求1所述的一种硅基异质结太阳能电池用外延硅薄膜的制备方法，其特征在于，所制备P型硼掺杂硅薄膜的能带宽度为1.16～1.25eV，电导率为0.008～0.05 S/cm，电导激活能为0.08～0.2eV。
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