CN104037244A - 一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及制备方法 - Google Patents

一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及制备方法，通过原子沉积在硅片表面进行Al2O3沉积以形成厚度为1nm～10nm的Al2O3层；然后继续在Al2O3层上进行n1次的ZnO沉积，然后进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；按照上述Al2O3掺杂ZnO沉积的方式重复沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，以形成厚度为30nm~100nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；沉积结束后，取出硅片，进行退火，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。优点是：薄膜设计合理，制备过程容易操作，对晶硅太阳能电池具有优良的钝化效果，电池光电转化效率高。

Description

一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及其制备方法。
背景技术
晶硅太阳能电池以其成熟的工艺较高的光电转化效率而成为目前应用最为广泛的太阳能电池。然而在晶硅电池的制备过程中，硅片切割、陷光结构制备等过程会在硅片表面造成损伤，表面损伤与制备表面陷光结构的过程使电池表面缺陷态大幅度提高，增加了电子-空穴对的复合率，从而降低了电极对电荷的收集，降低了晶硅太阳电池效率。Al2O3薄膜具有化学钝化与场钝化的双重钝化效果，是目前最为优良的晶硅太阳能电池钝化材料，其已应用于PERC与PERL电池使其光电转化效率达到20%以上。但是，具有一定厚度的 Al2O3薄膜（>10nm）必须引入激光开槽工艺使Al背场与-p-Si相接触以制造良好的欧姆接触；而厚度较小的薄膜（<10nm）又不能达到很好的钝化效果，这使Al2O3钝化薄膜迟迟不能大规模的投入实用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜及制备方法，该薄膜设计合理，制备过程容易操作，对晶硅太阳能电池具有优良的钝化效果，电池光电转化效率高。
本发明的技术解决方案是：
一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜，其特殊之处在于：
在硅片上有一层厚度为1 nm～10 nm的Al2O3薄膜层，在Al2O3薄膜层有浓度梯度掺杂ZnO薄膜层，所述Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层由Al元素、Zn元素、O元素组成，其中Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层中Al2O3所占比例由下至上依次减小，其电阻率依次降低，Al元素的含量为0.1%～10%，厚度为30nm～100nm，电阻率为10Ω·cm～1 ∙10-5Ω·cm。
一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其具体步骤如下：
（1）、将硅片放置在原子沉积设备的沉积腔室内，将沉积腔室抽真空，向沉积腔室中通入Al(CH3)3前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在硅片表面形成一次Al2O3沉积层，继续按上述Al2O3沉积方式循环进行10次～100次的Al2O3沉积以形成厚度为1nm～10nm的Al2O3层；
（2）、向沉积腔室中通入Zn(C2H5)2前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在Al2O3层表面形成一次ZnO沉积层，继续按上述ZnO沉积方式重复进行n1次的ZnO沉积，然后按照步骤（1）中Al2O3沉积方式进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；
（3）按照步骤（2）中Al2O3掺杂ZnO沉积的方式循环进行Al2O3掺杂ZnO沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，以形成厚度为30nm~100 nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；
（4）沉积结束后，取出硅片，进行退火，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。
步骤（2）所述的继续进行n1次ZnO沉积的重复沉积次数n1=1～10。
Al2O3层、Al2O3浓度梯度掺杂ZnO层沉积时，温度为室温～400℃，压强为10-3torr～10torr，气体流量为0sccm～1000sccm。
步骤（1）和步骤（2）中所述Al(CH3)3前驱体、Zn(C2H5)2前驱体和水蒸气单次沉积吹扫时间为8ms～104ms，所述高纯氮气的吹扫时间为2s～100s。
退火处理时，退火温度300℃～500℃，退火时间10min～60min，退火气氛为空气、氮气、氨气、真空中的一种。
Al2O3层、Al2O3浓度梯度掺杂ZnO层沉积时，沉积温度为150℃～200℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm～400sccm。
步骤(1)中Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为20ms～40ms，H2O前驱体的通入时间为15ms，两次高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间均为25s。
步骤(2)中完成单次Al2O3掺杂ZnO沉积，包括先进行9次ZnO沉积，再进行1次Al2O3沉积；Zn(C2H5)2前驱体的吹扫时间为20ms，H2O前驱体的通入时间为15ms， Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为20ms～40ms，高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间为25s。
退火处理时，退火温度400℃～450℃，退火时间10min。
采用Al(CH3)3、Zn(C2H5)2与H2O作为前驱体进行ZnO、Al2O3沉积，发生如下反应：
ZnO沉积：
Al2O3沉积：
本发明的有益效果：
1、该薄膜在硅片上沉积厚度为1nm～10nm的Al2O3层后，Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜在Al2O3层之上，这种复合钝化结构具有很强的化学钝化与场钝化效应，可以大幅度的提高少子寿命进而提升电池效率。
2、在晶硅表面沉积的Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜具有较低的电阻率，可以有效收集并传导通过隧穿效应通过厚度较小的Al2O3层的载流子，不会增加电池内阻，并可以与Al背场形成良好的欧姆接触减少电池内耗。
3、制备工艺简单，操作容易，对晶硅太阳能电池具有优良的钝化效果，电池光电转化效率高，与现有的晶硅太阳能电池工艺兼容性好，避免了昂贵的激光开槽工序。
具体实施方式
实施例1
在硅片上有一层厚度为1 nm的Al2O3薄膜层，在Al2O3薄膜层有浓度梯度掺杂ZnO薄膜层，所述Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层由Al元素、Zn元素、O元素组成，其中Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层中Al2O3所占比例由下至上依次减小，其电阻率依次降低，Al元素的含量为0.1%～10%，厚度为100nm，电阻率为10Ω·cm～1 ∙10-5Ω·cm。
具体步骤如下：
（1）、将硅片放置在原子沉积设备的沉积腔室内，将沉积腔室抽真空，沉积温度为150℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，向沉积腔室中通入Al(CH3)3前驱体吹扫20ms，用高纯氮气吹均25s清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入15ms水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气吹均25s清洗沉积腔室，形成一次Al2O3沉积，继续按上述Al2O3沉积方式循环进行10次的Al2O3沉积以形成厚度为1nm的Al2O3层；
（2）、向沉积腔室中通入Zn(C2H5)2前驱体吹扫20ms，用高纯氮气吹均25s清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入15ms水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气吹均25s清洗沉积腔室，在Al2O3层表面形成一次ZnO沉积层，沉积时，沉积温度为150℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，继续按上述ZnO沉积方式循环进行9次的ZnO沉积，然后按照步骤（1）中Al2O3沉积方式进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；
（3）按照步骤（2）中Al2O3掺杂ZnO沉积的方式循环进行n次的Al2O3掺杂ZnO沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，即第二次Al2O3掺杂ZnO中ZnO沉积的次数为2、第三次Al2O3掺杂ZnO中ZnO沉积的次数为3、第四次Al2O3掺杂ZnO中ZnO沉积的次数为4、…第N次Al2O3掺杂ZnO中ZnO沉积的次数为n，以形成厚度为100 nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；
（4）沉积结束后，取出硅片，进行退火，退火温度400℃，退火时间10min，退火气氛为空气，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。经检测，裸硅（步骤（1）中的硅片）的少子寿命为6.6525μs，沉积态（步骤（3）处理后得到的硅片）的少子寿命为7.6568μs，步骤（4）退火处理后的硅片为的少子寿命19.272μs。
实施例2
在硅片上有一层厚度为10 nm的Al2O3薄膜层，在Al2O3薄膜层有浓度梯度掺杂ZnO薄膜层，所述Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层由Al元素、Zn元素、O元素组成，其中Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层中Al2O3所占比例由下至上依次减小，其电阻率依次降低，Al元素的含量为0.1%～10%，厚度为30nm，电阻率为10Ω·cm～1 ∙10-5Ω·cm。
其具体步骤如下：
（1）、将硅片放置在原子沉积设备的沉积腔室内，将沉积腔室抽真空，向沉积腔室中通入Al(CH3)3前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在硅片表面形成一次Al2O3沉积层，沉积时，沉积温度为150℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为30ms，H2O前驱体的通入时间为15ms，两次高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间均为25s，继续按上述Al2O3沉积方式循环进行100次的Al2O3沉积以形成厚度为10nm的Al2O3层；
（2）、向沉积腔室中通入Zn(C2H5)2前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在Al2O3层表面形成一次ZnO沉积层，沉积时，沉积温度为150℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，Zn(C2H5)2前驱体的吹扫时间为20ms，H2O前驱体的通入时间为15ms，两次高纯氮气吹扫时间均为25s，继续按上述ZnO沉积方式循环进行9次的ZnO沉积，然后按照步骤（1）中Al2O3沉积方式进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；
（3）按照步骤（2）中Al2O3掺杂ZnO沉积的方式循环进行n次的Al2O3掺杂ZnO沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，即第二次、第三次、第四次、…第N次Al2O3掺杂ZnO中ZnO沉积的次数依次为2、3、4、…n，以形成厚度为30nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；
（4）沉积结束后，取出硅片，进行退火，退火温度400℃，退火时间10min，退火气氛为空气，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。经检测，裸硅的少子寿命为6.6525μs，沉积态的少子寿命为7.4836μs，退火处理后的少子寿命为40.7767μs。
实施例3
在硅片上有一层厚度为5 nm的Al2O3薄膜层，在Al2O3薄膜层有浓度梯度掺杂ZnO薄膜层，所述Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层由Al元素、Zn元素、O元素组成，其中Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层中Al2O3所占比例由下至上依次减小，其电阻率依次降低，Al元素的含量为0.1%～10%，厚度为50nm，电阻率为10Ω·cm～1 ∙10-5Ω·cm。
其具体步骤如下：
（1）、将硅片放置在原子沉积设备的沉积腔室内，将沉积腔室抽真空，向沉积腔室中通入Al(CH3)3前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在硅片表面形成一次Al2O3沉积层，沉积时，沉积温度为200℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为40ms，H2O前驱体的通入时间为15ms，两次高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间为25s，继续按上述Al2O3沉积方式循环进行50次的Al2O3沉积以形成厚度为5nm的Al2O3层；
（2）、向沉积腔室中通入Zn(C2H5)2前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在Al2O3层表面形成一次ZnO沉积层，沉积时，沉积温度为150℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm，Zn(C2H5)2前驱体的吹扫时间为20ms，H2O前驱体的通入时间为15ms两次高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间均为25s，继续按上述ZnO沉积方式循环进行9次的ZnO沉积，然后按照步骤（1）中Al2O3沉积方式进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；
（3）按照步骤（2）中Al2O3掺杂ZnO沉积的方式循环进行n次的Al2O3掺杂ZnO沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，即第二次、第三次、第四次、…第N次Al2O3掺杂ZnO沉积中ZnO沉积的次数依次为2、3、4、…n，以形成厚度为50nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；
（4）沉积结束后，取出硅片，进行退火，退火温度450℃，退火时间10min，退火气氛为氮气，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。经检测，裸硅的少子寿命为6.6525μs，沉积态为8.434μs，退火处理后为45.3785μs。

Claims (10)

1.一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜，其特征是：
在硅片上有一层厚度为1 nm～10 nm的Al2O3薄膜层，在Al2O3薄膜层有浓度梯度掺杂ZnO薄膜层，所述Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层由Al元素、Zn元素、O元素组成，其中Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜层中Al2O3所占比例由下至上依次减小，其电阻率依次降低，Al元素的含量为0.1%～10%，厚度为30nm～100nm，电阻率为10Ω·cm～1 ∙10-5Ω·cm。
2.一种晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：具体步骤如下：
（1）、将硅片放置在原子沉积设备的沉积腔室内，将沉积腔室抽真空，向沉积腔室中通入Al(CH3)3前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在硅片表面形成一次Al2O3沉积层，继续按上述Al2O3沉积方式循环进行10次～100次的Al2O3沉积以形成厚度为1nm~10nm的Al2O3层；
（2）、向沉积腔室中通入Zn(C2H5)2前驱体，用高纯氮气清洗沉积腔室并向沉积腔室内通入水蒸气作为氧源，然后用高纯氮气清洗沉积腔室，在Al2O3层表面形成一次ZnO沉积层，继续按上述ZnO沉积方式重复进行n1次的ZnO沉积，然后按照步骤（1）中Al2O3沉积方式进行1次Al2O3沉积，完成一次Al2O3掺杂ZnO沉积；
（3）按照步骤（2）中Al2O3掺杂ZnO沉积的方式循环进行Al2O3掺杂ZnO沉积，其中当次ZnO沉积的次数比前一次ZnO沉积多沉积一次，以形成厚度为30nm~100 nmAl2O3浓度梯度掺杂ZnO层；
（4）沉积结束后，取出硅片，进行退火，得到晶硅太阳能电池钝化薄膜。
3.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：步骤（2）所述的继续进行n1次ZnO沉积的重复沉积次数n1=1～10。
4.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：Al2O3层、Al2O3浓度梯度掺杂ZnO层沉积时，温度为室温～400℃，压强为10-3torr～10torr，气体流量为0sccm～1000sccm。
5.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：步骤（1）和步骤（2）中所述Al(CH3)3前驱体、Zn(C2H5)2前驱体和水蒸气单次沉积吹扫时间为8ms～104ms，所述高纯氮气的吹扫时间为2s～100s。
6.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：退火处理时，退火温度300℃～500℃，退火时间10min～60min，退火气氛为空气、氮气、氨气、真空中的一种。
7.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：Al2O3层、Al2O3浓度梯度掺杂ZnO层沉积时，沉积温度为150℃～200℃，压强为0.15torr，气体流量为40sccm～400sccm。
8.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：步骤(1)中Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为20ms～40ms，H2O前驱体的通入时间为15ms，两次高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间均为25s。
9.根据权利要求2所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：步骤(2)中完成单次Al2O3掺杂ZnO沉积，包括先进行9次ZnO沉积，再进行1次Al2O3沉积；Zn(C2H5)2前驱体的吹扫时间为20ms，H2O前驱体的通入时间为15ms， Al(CH3)3前驱体的吹扫时间为20ms～40ms，高纯氮气清洗沉积腔室的吹扫时间为25s。
10.根据权利要求2或5所述的晶硅太阳能电池钝化材料Al2O3浓度梯度掺杂ZnO薄膜的制备方法，其特征是：退火处理时，退火温度400℃～450℃，退火时间10min。
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