CN104701390A - 太阳能电池背面钝化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池背面钝化方法，对太阳能电池的背面采用Al2O3/SiO2/高硅含量SiNx/低硅含量SiNx的四层叠层钝化膜进行钝化，通过增加SiO2层的沉积，可以有效消除高硅含量SiNx固定正电荷的影响，降低Al2O3的最小厚度，高硅含量的SiNx可以继续保证对硅表面的氢钝化效果，而利用低硅含量的SiNx可以防止铝烧结过程中对内层膜的侵蚀，可实现钝化膜总厚度的明显降低，进一步提高产能，节约工艺总成本，并符合规模化生产的要求。

Description

太阳能电池背面钝化方法
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池领域，更具体地，涉及一种太阳能电池的背面钝化方法。
背景技术
高效太阳能电池发展的重要方向是采用双面钝化结构，例如P型基片PERC(passivated emitter and rear side cell)电池和N型基片PERT(passivated emitter and rear total diffused)电池等。由于硅片表面态的存在，使得表面的复合速率比较高，影响了少数载流子(少子)寿命。而钝化层通过化学钝化和场效应钝化作用，可以降低硅片表面的复合速率。其中，化学钝化可通过饱和硅片表面的悬挂键，降低各种缺陷态密度，减少表面复合中心来降低复合速率；场效应钝化可通过钝化膜中固定电荷在界面处形成静电场作用，减少表面受电场排斥的载流子浓度，从而降低复合速率。
目前，在太阳能生产中应用比较广泛的钝化膜有SiO2、SiNx和Al2O3。其中，SiO2的表面固定正电荷浓度为1010cm-2，主要依靠化学钝化作用进行表面钝化，适合钝化P型和N型层硅表面；SiNx的表面固定正电荷浓度为1011～1012cm-2，依靠化学钝化和场效应钝化作用进行表面钝化，适合钝化N型层硅表面，目前已广泛应用于P型传统单晶硅电池的正表面(N+层)钝化；Al2O3的表面固定负电荷浓度为1012～1013cm-2，也是依靠化学钝化和场效应钝化作用进行表面钝化，适合钝化P型层硅表面。
对于PERC或PERT电池，N型层表面一般采用SiNx或SiO2/SiNx叠层膜钝化，目前工艺已经很成熟。而对于P型层表面的钝化，是提高电池性能的重要方向。当前主要是采用Al2O3/SiNx叠层钝化膜对P型层表面进行钝化，其工艺流程一般是：
1)背面ALD(atomic layer deposition，原子层沉积)沉积Al2O3,厚度为10～20nm；
2)背面PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)沉积SiNx,厚度为80～200nm。
Al2O3通过化学钝化和场效应钝化作用，可以很好地钝化P型表面，但Al2O3的热稳定性较差，在背面铝烧结的过程中容易被铝侵蚀，因而需要在Al2O3的表面再沉积一层SiNx对其进行保护，同时利用SiNx沉积过程的氢钝化作用，进一步饱和硅片表面的悬挂键，降低表面复合速率。然而，SiNx带有较高密度的固定正电荷，会与带固定负电荷的Al2O3形成相反的电场作用，因此需要通过增加Al2O3的厚度，来消除SiNx固定正电荷的影响。
目前，采用ALD原子层沉积技术沉积氧化铝(Al2O3)钝化膜时的最高沉积速度只有1.1nm/min，厚度一般为10～20nm，因此需要的工艺时间较长。而采用PECVD沉积SiNx或SiO2时的最高沉积速度大于20nm/min,故Al2O3较低的沉积速度对电池的规模化生产是一个很大的制约。
此外，沉积SiNx时采用的反应气体通常为SiH4和NH3。其中，SiH4的比例越高，SiNx中的硅含量越高，形成的空位密度越高，氢的扩散系数越大，氢钝化性能越好。所以，目前Al2O3/SiNx叠层膜钝化膜都倾向于采用高硅含量的SiNx(x＜1.33)。不过，虽然SiNx的硅含量提高可以提高钝化性能，但在背面铝烧结过程中被铝浆侵蚀的可能性也越大，因此背面高硅含量的SiNx的厚度一般需要大于80nm，这也制约了产能的提高，并使得成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新的太阳能电池背面钝化方法，通过优化现有的钝化工艺流程，在保证钝化效果的条件下，可以降低钝化膜的厚度，实现产能的提高及成本的降低。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
太阳能电池背面钝化方法，包括：
步骤S01：提供一太阳能电池硅衬底，在所述衬底的背面沉积Al2O3薄膜；
步骤S02：在所述Al2O3薄膜上沉积SiO2薄膜；
步骤S03：在所述SiO2薄膜上沉积高硅含量的第一SiNx薄膜，其中，第一SiNx中的x＜1.33；
步骤S04：在所述第一SiNx薄膜上沉积低硅含量的第二SiNx薄膜，其中，第二SiNx中的x≥1.33。
优选地，步骤S01中，采用ALD法沉积所述Al2O3薄膜。
优选地，步骤S01中，所述Al2O3薄膜的沉积厚度为5～10nm。
优选地，步骤S02中，采用PECVD法沉积所述SiO2薄膜。
优选地，步骤S02中，所述SiO2薄膜的沉积厚度为5～10nm。
优选地，步骤S03中，采用PECVD法沉积所述第一SiNx薄膜。
优选地，步骤S03中，所述第一SiNx薄膜的沉积厚度为10～80nm。
优选地，步骤S04中，采用PECVD法沉积所述第二SiNx薄膜。
优选地，步骤S04中，所述第二SiNx薄膜的沉积厚度为10～80nm。
优选地，所述衬底为P型或N型硅衬底。
从上述技术方案可以看出，本发明通过对现有太阳能电池背面钝化工艺进行优化，采用Al2O3/SiO2/高硅含量SiNx/低硅含量SiNx的四层叠层钝化膜代替传统的Al2O3/SiNx二层叠层钝化膜，通过增加SiO2层的沉积，可以有效消除高硅含量SiNx固定正电荷的影响，在保证钝化效果的条件下，可将Al2O3的最小厚度从现有的10nm降至5nm，从而可将ALD工序的产能提高一倍，相当于降低了ALD工序一半的成本；并且，在硅含量高低不同的二层SiNx叠层中，高硅含量的SiNx可以保证对硅表面的氢钝化效果，而低硅含量的SiNx可以防止铝烧结过程中对内层膜的侵蚀。因此，相比传统的Al2O3/SiNx二层叠层膜，本发明可实现对Al2O3/SiO2/高硅含量SiNx/低硅含量SiNx四层叠层膜总厚度的明显降低；SiO2、SiNx层的沉积可在同一台PECVD设备中通过调整反应气体种类及流量依次实现，不需要增加额外的装卸片过程，从而进一步提高了产能，节约了工艺总成本，并符合规模化生产的要求。
附图说明
图1是本发明太阳能电池背面钝化方法的流程图；
图2是本发明一实施例中根据图1的钝化方法所形成的电池背面钝化膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明太阳能电池背面钝化方法的流程图；同时，请参阅图2，图2是本发明一实施例中根据图1的钝化方法所形成的电池背面钝化膜结构示意图。如图1所示，本发明的太阳能电池背面钝化方法，包括以下步骤：
如框001所示，步骤S01：提供一太阳能电池硅衬底，在所述衬底的背面沉积Al2O3薄膜。
请参阅图2，本发明的太阳能电池背面钝化方法，可适用于对P型或N型硅衬底的背面进行钝化。在本实施例中，以P型硅衬底为例，在所述P型硅衬底2的正面(即图示的上表面)，通过进行磷扩散形成N+层1。然后，作为本发明一可选实施例，在所述P型硅衬底2的背面，可采用ALD法沉积一层Al2O3薄膜3。进一步优选地，可将所述Al2O3薄膜3的沉积厚度控制在5～10nm。如果是选用N型硅衬底，则还需要先在N型硅衬底的背面通过进行硼扩散形成P+层，然后，再在P+层上沉积Al2O3薄膜。
在现有的采用Al2O3/SiNx叠层钝化膜对电池背面进行钝化的工艺中，Al2O3薄膜的厚度通常在10～20nm的较厚范围。这是由于SiNx带有较高密度的固定正电荷，会与带固定负电荷的Al2O3形成相反的电场作用，因此需要通过增加Al2O3的厚度，来消除SiNx固定正电荷的影响。而且，采用ALD原子层沉积技术沉积Al2O3时的最高沉积速度只有1.1nm/min，因此需要的工艺时间较长，其较低的沉积速度对电池的规模化生产将形成很大的制约。利用本发明的后续工艺步骤，可以有效消除上述现有技术存在的问题，实现明显减小Al2O3的厚度，以使生产效率得到提高。
如框002所示，步骤S02：在所述Al2O3薄膜上沉积SiO2薄膜。
请继续参阅图2。作为本发明一可选实施例，在已沉积的所述Al2O3薄膜3上，采用PECVD法继续沉积一层SiO2薄膜4。进一步优选地，可将所述SiO2薄膜4的沉积厚度控制在5～10nm。SiO2的固定正电荷密度相对较低，可以忽略其固定正电荷的影响。因而可通过增加SiO2层的沉积，有效消除直接沉积高硅含量SiNx时其固定正电荷的影响。因此，只需5nm厚的Al2O3就可保证其负电荷场钝化的效果，从而在保证钝化效果的条件下，将Al2O3的最小厚度从现有的10nm降至5nm，ALD工序的产能将可比现有工艺提高一倍，这相当于降低了ALD工序一半的成本。
如框003所示，步骤S03：在所述SiO2薄膜上沉积高硅含量的第一SiNx薄膜，其中，第一SiNx中的x＜1.33。
请继续参阅图2。作为本发明一可选实施例，在已沉积的所述SiO2薄膜4上，采用PECVD法继续沉积一层高硅含量的第一SiNx薄膜5。可以将SiNx中的x以1.33为界限，作为区分其硅含量高低的标准。其中，x＜1.33时的SiNx为高硅含量，x≥1.33时的SiNx为低硅含量。因此，在本工艺步骤中，采用沉积x＜1.33的高硅含量第一SiNx薄膜5。沉积第一SiNx薄膜5时采用的反应气体可以为SiH4和NH3,工艺温度控制在400～450℃。其中，SiH4的比例越高，SiNx中的硅含量越高，形成的空位密度越高，氢的扩散系数越大，氢钝化性能越好。因此，通过提高SiNx的硅含量，可以提高钝化性能。进一步优选地，可将所述第一SiNx薄膜5的沉积厚度控制在10～80nm。相比现有工艺，本发明将高硅含量的第一SiNx薄膜5的沉积厚度明显减小了。
如框004所示，步骤S04：在所述第一SiNx薄膜上沉积低硅含量的第二SiNx薄膜，其中，第二SiNx中的x≥1.33。
请继续参阅图2。作为本发明一可选实施例，在已沉积的所述第一SiNx薄膜5上，采用PECVD法继续沉积一层低硅含量的第二SiNx薄膜6，第二SiNx中的x≥1.33。沉积第二SiNx薄膜6时的反应气体同样采用SiH4和NH3,工艺温度控制在400～450℃。进一步优选地，可将所述第二SiNx薄膜6的沉积厚度控制在10～80nm。
在现有技术中，传统的Al2O3/SiNx二层叠层钝化膜中，采用了高硅含量的SiNx薄膜。SiNx硅含量的提高虽然可以提高钝化性能，但在背面铝烧结过程中被铝浆侵蚀的可能性也越大，因此背面高硅含量的SiNx的厚度一般需要大于80nm。本发明针对该问题采取的优化方法是，先沉积一层高硅含量的第一SiNx薄膜5，并将其厚度减薄为10～80nm；然后，再在高硅含量的第一SiNx薄膜5之上继续沉积一层厚度仅为10～80nm的低硅含量的第二SiNx薄膜6。利用高硅含量的SiNx来保证对硅表面的氢钝化效果，并利用低硅含量的SiNx所具有的较好耐铝侵蚀性能，可以防止铝烧结过程中对内层膜的侵蚀。从而在保证钝化效果及耐铝侵蚀的条件下，可将背面高硅含量的第一SiNx/低硅含量的第二SiNx层的整体厚度降到低于80nm的程度。SiO2、高硅含量SiNx/低硅含量SiNx可在同一台PECVD设备中通过调整反应气体种类及流量依次实现，不需要增加额外的装卸片过程，符合规模化生产的要求。
综上所述，本发明通过对现有太阳能电池背面钝化工艺进行优化，采用Al2O3/SiO2/高硅含量SiNx/低硅含量SiNx的四层叠层钝化膜代替传统的Al2O3/SiNx二层叠层钝化膜，通过增加SiO2层的沉积，可以有效消除高硅含量SiNx固定正电荷的影响，在保证钝化效果的条件下，可将Al2O3的最小厚度从现有的10nm降至5nm，从而可将ALD工序的产能提高一倍，相当于降低了ALD工序一半的成本；并且，在硅含量高低不同的二层SiNx叠层中，高硅含量的SiNx可以保证对硅表面的氢钝化效果，而低硅含量的SiNx可以防止铝烧结过程中对内层膜的侵蚀。因此，相比传统的Al2O3/SiNx二层叠层膜，本发明可实现对Al2O3/SiO2/高硅含量SiNx/低硅含量SiNx四层叠层膜总厚度的明显降低；SiO2、SiNx层的沉积可在同一台PECVD设备中通过调整反应气体种类及流量依次实现，不需要增加额外的装卸片过程，从而进一步提高了产能，节约了工艺总成本，并符合规模化生产的要求。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，包括：
步骤S01：提供一太阳能电池硅衬底，在所述衬底的背面沉积Al2O3薄膜；
步骤S02：在所述Al2O3薄膜上沉积SiO2薄膜；
步骤S03：在所述SiO2薄膜上沉积高硅含量的第一SiNx薄膜，其中，第一SiNx中的x＜1.33；
步骤S04：在所述第一SiNx薄膜上沉积低硅含量的第二SiNx薄膜，其中，第二SiNx中的x≥1.33。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S01中，采用ALD法沉积所述Al2O3薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S01中，所述Al2O3薄膜的沉积厚度为5～10nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S02中，采用PECVD法沉积所述SiO2薄膜。
5.根据权利要求1或4所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S02中，所述SiO2薄膜的沉积厚度为5～10nm。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S03中，采用PECVD法沉积所述第一SiNx薄膜。
7.根据权利要求1或6所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S03中，所述第一SiNx薄膜的沉积厚度为10～80nm。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S04中，采用PECVD法沉积所述第二SiNx薄膜。
9.根据权利要求1或8所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，步骤S04中，所述第二SiNx薄膜的沉积厚度为10～80nm。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池背面钝化方法，其特征在于，所述衬底为P型或N型硅衬底。
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