CN107731935A - 一种背钝化晶硅太阳能电池及其背钝化膜层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2‑AlOX‑SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层；同时公开了这种背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX‑SiNX叠层膜，并在AlOX‑SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。本发明的优点是：晶硅太阳能电池的SiO2‑AlOX‑SiNX∶H叠层膜结构的背钝化膜层，将少子寿命提高5～50μs，硅片背面的钝化效果得到提高，减少了表面复合中心，提高了电池的开路电压，电池的转换效率提高了0.05％～0.2％；制备方法对于板式或管式PECVD都适用，生产工序少，工艺时间短，易于实现，适用于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及晶硅太阳能电池的制造，特别是一种背钝化晶硅太阳能电池及其背钝化膜层的制备方法。
背景技术
随着光伏产业的发展，在电池片生产中，光电转换效率的提升和电池制造成本的降低已成为整个光伏产业发展的根本。为了降低晶硅成本，适应竞争激烈的光伏产业，晶硅电池厚度越来越薄，基于此特点，目前主要的研究方向有HIT电池、N型双面电池、WMT电池、背钝化电池等，其中背钝化电池因其工艺相对成熟，量产难度低而备受关注，目前中国台湾、中国大陆、欧洲都如雨后春笋般纷纷在市场上推出背钝化电池，转换效率提升1％左右。
背钝化电池较常规电池主要优势是既可以降低电池片背面界面态，提高钝化效果，又可以延长光线路程，提高晶硅电池的长波响应，提高短路电流，从而使背钝化电池较常规电池转换效率提高了0.8％～1.2％。目前，各企业规模生产中常用的背钝化膜层多为AlOX+SiNX结构，具有相对较高的长波响应和较好的钝化效果，但背面AlOX+SiNX膜中Si-H和-NH键的存在易造成膜不致密，具有大量的针孔，在经过高温退火之后，氢从Si-H键中脱离留下未饱和的Si+，这些过剩的Si+之间发生键合，最终形成硅的聚集体，也称为硅岛，影响钝化效果，因此限制了背钝化电池的效率提升，降低了高效电池生产的经济效益。
一种晶体硅太阳能电池SiOX-SiNX叠层膜的制备方法(国别：中国，公开号：102931284A，公开日期：2013-02-13)公开了对经过清洗和制绒、磷扩散、等离子刻蚀、去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅玻璃镀减反射膜，利用等离子体增强化学气相沉积方法在硅片的两表面沉积SiOX-SiNX叠层膜，用SiOX-SiNX叠层膜作为太阳能电池发射极的减反钝化膜。该专利公开的SiOX-SiNX叠层膜作为太阳能电池发射极的减反钝化膜，此方法工艺时间长、产量低，相当于增加了工艺成本，降低了电池的工艺效果。
采用PECVD制备太阳能背钝化电池背钝化膜层的方法(国别：中国，公开号：104576833A，公开日期：2015-04-29)公开了背钝化膜层采用PECVD设备底层为SiOX层，SiOX层折射率为1.48-1.8，厚度为20-90nm；背钝化膜层顶层为SiNX层，SiNX层可以是单层SiN，也可以是不同折射率的多层SiN，折射率范围是1.9-2.25，厚度为50-200nm；背钝化膜层的总膜厚为100-290um，折射率1.8-2.2。该专利公开的SiOX-SiNX叠层膜作为太阳能电池背面钝化膜，此方法氧化硅的制备过程是一个高温过程，加大了生产成本，同时高温过程会促使有害杂质的扩散，造成对材料本身的污染。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种背钝化晶硅太阳能电池，另一目的是提供这种背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，提高硅片表面的钝化效果，提高电池的转换效率。
技术方案：一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层。
进一步的，所述SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为90～180nm，折射率为1.9～2.3。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。
上述制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为400～1150sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，时间为8～10s；
步骤二：以TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为300～450℃；
步骤三：以SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为300～450℃；
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为200～700sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。
进一步的，步骤二中，AlOX膜层的膜厚为10～40nm，折射率1.60～1.67。
进一步的，步骤二中，混合气体中TMA与N2O的流量比为1∶1～2.7。
进一步的，步骤三中，SiNX膜层的膜厚为80～140nm，折射率2.00～2.25。
进一步的，步骤三中，混合气体中SiH4与NH3的流量比为1∶1.5～4。
进一步的，步骤三中，SiNX膜层为单层或多层。
进一步的，制备过程采用管式或板式PECVD设备。
目前AlOX+SiNX膜已成为规模生产的背钝化电池的背钝化膜层，在硅基和氧化铝之间增加一层SiO2层，可以降低硅片表面界面态密度，增加钝化效果；同时背面AlOX+SiNX膜中的Si-H和-NH键的存在易造成膜不致密，具有大量的针孔，在经过高温退火之后，氢从Si-H键中脱离留下未饱和的Si+，这些过剩的Si+之间发生键合，最终形成硅的聚集体，也称为硅岛，影响钝化效果。经过研究后发现，将AlOX+SiNX膜后增加一步NH3钝化，使未饱和的Si+键与NH3气激发分解形成的-N(-NH2，-NH，-N)发生键合形成Si-N键，导致薄膜中形成更多的Si-N键，减少薄膜中的过剩的硅成分。通过本发明制备方法，少子寿命对比于单纯的AlOX+SiNX膜提升了5～50μs，且制备方法步骤简单、易于实现，可以在常规板式或管式PECVD中实现，在不增加设备成本的基础上，增加SiNX层中的H+离子，进一步提高对硅片背面的钝化效果，减少表面复合中心，提高电池的开路电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：晶硅太阳能电池的SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构的背钝化膜层，将少子寿命提高5～50μs，硅片背面的钝化效果得到提高，减少了表面复合中心，提高了电池的开路电压，电池的转换效率提高了0.05％～0.2％；制备方法对于板式或管式PECVD都适用，生产工序少，工艺时间短，易于实现，适用于规模化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层，AlOX层、SiNX∶H层依次远离。SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为135nm，折射率为2.05。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，在管式或板式PECVD设备中，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为800sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，反应时间为10s，反应温度为350℃；该SiO2层为前钝化层。
步骤二：以流量比为1∶1.05的TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为350℃；该AlOX膜层的膜厚为15nm，折射率1.67。
步骤三：以流量比为1∶3.4的SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为400℃；该SiNX膜层的膜厚为120nm，折射率2.10，形成的SiNX膜层可以是单层或多层。
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为680sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，反应温度为400℃，该SiNX∶H膜层为后钝化层，从而得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。SiO2-AlOX-SiNX∶H层的相加总膜厚为135nm，折射率为2.05。
将具有实施例1背钝化膜层的背钝化晶硅太阳能电池，与常规AlOX+SiNX叠层膜的背钝化晶硅太阳能电池相比，实施例1的电池性能提升值列为表1：
表1
| 少子寿命 | Uoc | Isc | FF | Eta | |
| 提升值 | 41.5μs | 0.0012V | 0.0054A | 0.30％ | 0.15％ |
实施例2
一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层，AlOX层、SiNX∶H层依次远离。SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为170nm，折射率为2.0。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，在管式或板式PECVD设备中，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为1150sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，反应时间为9s，反应温度为300℃；该SiO2层为前钝化层。
步骤二：以流量比为1∶2的TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为300℃；该AlOX膜层的膜厚为30nm，折射率1.60。
步骤三：以流量比为1∶4的SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为450℃；该SiNX膜层的膜厚为140nm，折射率2.10，形成的SiNX膜层可以是单层或多层。
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为400sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，反应温度为450℃，该SiNX∶H膜层为后钝化层，从而得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。SiO2-AlOX-SiNX∶H层的相加总膜厚为170nm，折射率为2.0。
将具有实施例2背钝化膜层的背钝化晶硅太阳能电池，与常规AlOX+SiNX叠层膜的背钝化晶硅太阳能电池相比，实施例2的电池性能提升值列为表2：
表2
| 少子寿命 | Uoc | Isc | FF | Eta | |
| 提升值 | 28μs | 0.0008V | 0.0032A | 0.19％ | 0.08％ |
实施例3
一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层，AlOX层、SiNX∶H层依次远离。SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为100nm，折射率为2.1。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，在管式或板式PECVD设备中，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为550sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，反应时间为8s，反应温度为400℃；该SiO2层为前钝化层。
步骤二：以流量比为1∶2.7的TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为400℃；该AlOX膜层的膜厚为10nm，折射率1.64。
步骤三：以流量比为1∶2的SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为320℃；该SiNX膜层的膜厚为90nm，折射率2.11，形成的SiNX膜层可以是单层或多层。
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为700sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，反应温度为320℃，该SiNX∶H膜层为后钝化层，从而得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。SiO2-AlOX-SiNX∶H层的相加总膜厚为100nm，折射率为2.1。
将具有实施例3背钝化膜层的背钝化晶硅太阳能电池，与常规AlOX+SiNX叠层膜的背钝化晶硅太阳能电池相比，实施例3的电池性能提升值列为表3：
表3
| 少子寿命 | Uoc | Isc | FF | Eta | |
| 提升值 | 17μs | 0.0005V | 0.0028A | 0.12％ | 0.05％ |
实施例4
一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层，AlOX层、SiNX∶H层依次远离。SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为160nm，折射率为2.3。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，在管式或板式PECVD设备中，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为550sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，反应时间为8s，反应温度为350℃；该SiO2层为前钝化层。
步骤二：以流量比为1∶1.5的TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为350℃；该AlOX膜层的膜厚为20nm，折射率1.67。
步骤三：以流量比为1∶1.5的SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为300℃；该SiNX膜层的膜厚为140nm，折射率2.16，形成的SiNX膜层可以是单层或多层。
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为400sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，反应温度为300℃，该SiNX∶H膜层为后钝化层，从而得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。SiO2-AlOX-SiNX∶H层的相加总膜厚为160nm，折射率为2.3。
将具有实施例4背钝化膜层的背钝化晶硅太阳能电池，与常规AlOX+SiNX叠层膜的背钝化晶硅太阳能电池相比，实施例4的电池性能提升值列为表4：
表4
| 少子寿命 | Uoc | Isc | FF | Eta | |
| 提升值 | 39.3μs | 0.0011V | 0.0042A | 0.21％ | 0.12％ |
实施例5
一种背钝化晶硅太阳能电池，其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层，AlOX层、SiNX∶H层依次远离。SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为120nm，折射率为2.1。
一种上述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，在管式或板式PECVD设备中，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为400sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，反应时间为8s，反应温度为400℃；该SiO2层为前钝化层。
步骤二：以流量比为1∶1的TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为400℃；该AlOX膜层的膜厚为40nm，折射率1.62。
步骤三：以流量比为1∶3的SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为420℃；该SiNX膜层的膜厚为80nm，折射率2.25，形成的SiNX膜层可以是单层或多层。
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为200sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，反应温度为420℃，该SiNX∶H膜层为后钝化层，从而得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。SiO2-AlOX-SiNX∶H层的相加总膜厚为120nm，折射率为2.1。
将具有实施例5背钝化膜层的背钝化晶硅太阳能电池，与常规AlOX+SiNX叠层膜的背钝化晶硅太阳能电池相比，实施例5的电池性能提升值列为表5：
表5
Claims (10)
1.一种背钝化晶硅太阳能电池，其特征在于：其背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构，在晶硅太阳能电池背面的硅基表面的是SiO2层。
2.根据权利要求1所述的一种背钝化晶硅太阳能电池，其特征在于：所述SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜的总膜厚为90～180nm，折射率为1.9～2.3。
3.一种权利要求1或2所述的背钝化晶硅太阳能电池的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：将经过制绒、磷扩散、湿法刻蚀后的晶硅太阳能电池背面，以等离子体增强化学气相沉积法沉积一层AlOX-SiNX叠层膜，并在AlOX-SiNX叠层膜前后均增加一层钝化层。
4.根据权利要求3所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤一：以N2O作为钝化气体，流量为400～1150sccm，对晶硅太阳能电池背面的硅基表面进行氧化，形成一层SiO2层，时间为8～10s；
步骤二：以TMA和N2O的混合气体作为气源，在SiO2层上沉积一层AlOX膜层，沉积温度为300～450℃；
步骤三：以SiH4和NH3的混合气体作为气源，在SiO2-AlOX的AlOX膜层上沉积一层SiNX膜层，沉积温度为300～450℃；
步骤四：以NH3作为钝化气体，流量为200～700sccm，对SiO2-AlOX-SiNX的SiNX膜层缺陷进行氢钝化，形成SiNX∶H膜层，得到的背钝化膜层为SiO2-AlOX-SiNX∶H叠层膜结构。
5.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：步骤二中，AlOX膜层的膜厚为10～40nm，折射率1.60～1.67。
6.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：步骤二中，混合气体中TMA与N2O的流量比为1∶1～2.7。
7.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：步骤三中，SiNX膜层的膜厚为80～140nm，折射率2.00～2.25。
8.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：步骤三中，混合气体中SiH4与NH3的流量比为1∶1.5～4。
9.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：步骤三中，SiNX膜层为单层或多层。
10.根据权利要求4所述的背钝化膜层的制备方法，其特征在于：制备过程采用管式或板式PECVD设备。
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