CN102969367A - 一种晶体硅太阳能电池p型硅背面钝化膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜及其制备方法，所述钝化膜由上下两层SiOxNy薄膜组成，所述第一层SiOxNy薄膜为富氧型SiOxNy薄膜，第二层SiOxNy薄膜为富氮型SiOxNy薄膜。这种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜克服了高温氧化对硅片少子寿命的损伤，也避免了SiNx膜中正电荷对背表面钝化的影响，极大的改善电池的开路电压和转换效率，且制备工艺简单，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。

Description

一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳能电池技术领域，尤其涉及一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜及其制备方法。
背景技术
降低太阳能电池的生产成本，提高太阳能电池的效率始终是太阳能电池业界追求的目标。从降低成本的角度考虑，需要减少硅材料的使用量，也就是降低硅片的厚度。但是，随着硅片厚度的减小，硅片表面状态对电池性能的影响变得更加重要。首先，由于硅片表面存在大量的悬挂键和表面态。需要对硅片表面进行钝化处理，以降低硅片表面的光生载流子的复合速率，从而提高电池的转换效率。
对于P型单晶硅来说，表面钝化技术可以分为两种：一是引入杂质阻止载流子到表面的传输；二是沉积或者生长一层介质膜以减小表面态密度。
第一种:引入杂质。目前普遍采用的是通过丝网印刷方法印刷Al浆然后烧结形成背表面场。对于P型硅太阳能电池背表面钝化技术，根据原理来讲， 在烧结温度为750-900oC范围内，Al掺杂的背表面场具有峰值浓度为1-3x1018cm-3。虽然在2-3ohm·cm Si材料上实现了200cm/s的复合速率。然而该复合速率值在实际中是很难重复的，也不足以实现20%的效率值，而内表面反射率也处于65-80%之间，并且Al-Si合金形成过程中Al和Si材料在热膨胀系数上的差异造成了太阳能电池的翘曲。这些缺点在越来越薄的硅片上显得问题更加突出。
第二种:沉积介质层。对于实验室高小晶体硅太阳能电池，可以通过热氧化SiO2生长工艺来抑制少数载流子在表面的复合，特别是在轻掺杂的背表面，可以达到非常低的表面复合速率。背表面处，热氧化生长的SiO2层结合蒸镀的Al膜，在经过约400oC左右的退后处理之后，可以在低电阻率的P型硅片上，将表面复合速率降低至20cm/S以下。除此之外，电池背表面的SiO2/Al叠层结构还可以作为近代隙光子的极佳反射器，可显著提升(背表面的)限光特性并提高太阳能电池的短路电流，但是由于硅材料的体少子寿命对高温工艺的敏感性，尤其是对于多晶硅，900oC以上的高温氧化工艺通常会导致少子寿命的明显衰退。因此对于未来高效的工业化硅太阳能电池技术而言，需要一种新的工艺来实现背表面的钝化。
有研究者曾经研究过使用PECVD方法在400oC左右的温度下制备SiNx膜来代替热氧化法制备SiO2。同样，此法可以在低电阻率的P型硅片上得到与热氧化法制备的SiO2相媲美的较低的表面复合速率。但是，将这一技术用于P型的PERC(发射极及背表面钝化电池)电池时，电池短路电流相较于采用SiO2钝化电池背表面时有大幅度的下降。出现这一现象的原因是由于在SiNx膜层内，固定的正电荷密度较大，导致SiNx下方的P型硅电性能出现反转，而这一反转层与基底中金属接触区的耦合导致了短路电流密度和填充因子都明显受损，这种负面效应即人们所知的寄生电容效应。
最近，比利时微电子研究中心(IMEC)，汉诺威大学太阳能研究所(ISFH)，弗朗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。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%。然而该钝化膜采用原子层沉积制备技术沉积，存在制备技术产能低,沉积速度慢，工艺成本高等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种制作钝化膜成本低、产量高的晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜，其特征是，由上下两层SiOxNy薄膜组成，所述第一层SiOxNy薄膜为富氧型SiOxNy薄膜，第二层SiOxNy薄膜为富氮型SiOxNy薄膜。
进一步地，所述一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜的制备方法，包括以下步骤：a、按照晶体硅太阳能电池的工艺在p型硅片扩散制备PN结；b、采用等离子体增强化学气相沉积,以SiH4,NH3,N2O或者O2作为反应气体源,再经步骤a处理后的晶体硅衬底表面沉积SiOxNy薄膜作为钝化层,并且在制备过程中调节N2O或O2的比例，控制薄膜的成分。
再进一步地，所述步骤b为采用磁控溅射的方法，以Si作为靶材，NH3或者N2,O2作为反应气源，Ar气作为等离子体增强气体，再经步骤a处理的晶体硅衬底表面沉积SiOxNy作为钝化层,并且在制备过程中调节NH3或者N2和O2的比例，控制薄膜的成分。
更进一步地，所述的步骤b中SiOxNy薄膜的厚度为20-100nm。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：这种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜克服了高温氧化对硅片少子寿命的损伤，也避免了SiNx膜中正电荷对背表面钝化的影响，极大的改善电池的开路电压和转换效率，且制备工艺简单，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：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1：
首先采用常规方法清洗硅片、制绒；将p型硅片放在扩散炉内，在850oC下使用三氯氧磷进行扩散得到PN结；采用HF去除磷硅玻璃，去除背面和边缘的PN结，同时对背表面进行抛光处理；采用PECVD技术在P型硅片的N型发射极表面制备SiNx减反射层。
在磁控溅射设备上，采用Ar气作等离子增强气体对高纯(纯度为99.99%)的Si靶进行溅射轰击，采用NH3，O2作为反应气体，通过反应溅射技术，在P型硅背表面溅射沉积得到SiOxNy，以实现背场钝化。
上述溅射反应的温度为300oC，Ar气流量为10sccm，反应气压为2.7Pa，N2分压为0.9Pa，靶功率为600W。膜中氮与氧成分通过控制NH3，O2气体分压来控制。溅射沉积中，初始氧气分压为2.0Pa，待膜厚至20nm时，增加NH3的分压至1.5Pa，至膜厚为100nm止。
实施例2：
首先采用常规方法清洗硅片、制绒；将p型硅片放在扩散炉内，在850oC下使用三氯氧磷进行扩散得到PN结；采用HF去除磷硅玻璃，去除背面和边缘的PN结，同时对背表面进行抛光处理；采用PECVD技术在P型硅片的N型发射极表面制备SiNx减反射层。
采用PECVD技术，以SiH3，NH3，N2O作为反应气体，在P型硅背表面反应沉积得到SiOxNy薄膜以实现背场钝化。
上述沉积反应中反应压力为200Pa，气体总流量为2000sccm，基板温度300℃，频率为40KHZ，沉积过程中，初始流量比为1:10:4，待膜厚至20nm时，增加NH3的含量流量比为1:20:10，至膜厚为100nm止。
这种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜克服了高温氧化对硅片少子寿命的损伤，也避免了SiNx膜中正电荷对背表面钝化的影响；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地反射镜，背反射率达到90%以上，同时由于SiOxNy的钝化特性，能够对P型硅表面进行有效地钝化处理，从而替代传统的丝网印刷Al背场，极大的改善电池的开路电压和转换效率。
并且本发明钝化层中含有H元素，可以对P型硅表面的不饱和悬挂键进行饱和处理；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。
需要强调的是：以上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，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (4)

1.一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜，其特征是，由上下两层SiOxNy薄膜组成，所述第一层SiOxNy薄膜为富氧型SiOxNy薄膜，第二层SiOxNy薄膜为富氮型SiOxNy薄膜。
2.一种晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
a、 按照晶体硅太阳能电池的工艺在p型硅片扩散制备PN结；
b、 采用等离子体增强化学气相沉积,以SiH4,NH3,N2O或者O2作为反应气体源,再经步骤a处理后的晶体硅衬底表面沉积SiOxNy薄膜作为钝化层,并且在制备过程中调节N2O或O2的比例，控制薄膜的成分。
3.根据权利要求2所述的晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜的制备方法,其特征是，所述步骤b为采用磁控溅射的方法，以Si作为靶材，NH3或者N2,O2作为反应气源，Ar气作为等离子体增强气体，再经步骤a处理的晶体硅衬底表面沉积SiOxNy作为钝化层,并且在制备过程中调节NH3或者N2和O2的比例，控制薄膜的成分。
4.根据权利要求2或3所述的晶体硅太阳能电池P型硅背面钝化膜的制备方法,其特征是，所述的步骤b中SiOxNy薄膜的厚度为20-100nm。
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