CN108417474B - 晶体硅热氧化工艺、系统及晶体硅太阳能电池热氧化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶体硅热氧化工艺、系统及晶体硅太阳能电池热氧化工艺，晶体硅热氧化工艺包括以下步骤：将硅片放置于紫外臭氧腔室内；向紫外臭氧腔室内通入携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气，紫外臭氧腔室内的氧气在紫外线的促进下转化为臭氧和游离氧；在150‑160℃的温度下，在水蒸气、二氧化氮、臭氧和游离氧的共同促进下，硅片表面生成二氧化硅氧化层。该方法工艺简单、耗时短、成本低、晶体硅钝化效果佳。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳电池技术，尤其涉及一种晶体硅热氧化工艺、系统及晶体硅太阳能电池热氧化工艺。
背景技术
面对这中国越来越严重的雾霾形式，中国越来越迫切的需要提高清洁能源的比例。常见的几种清洁能源中，太阳能资源是地球上分布最广泛的资源，所以加大利用太阳能能源成为我国解决提高清洁能源比例的重要出路。晶体硅太阳电池可以把太阳能直接转换成电能，并且在使用中不会产生任何污染，目前很多国家，包括我国也都在大力扶持太阳电池发电技术为我们人类提供大量的环境友好的能源。
目前常见的高效硅电池的结构中，都用到钝化层工艺，而二氧化硅钝化层技术其提高少子寿命是极其明显，所以得到了广泛使用，而且实现的方式也有很多。常见的有干法氧化、湿氧氧化、水氧化几种方法，其中干法氧化效果最好，但是其生成氧化膜的时间耗费的较长，而且干法氧化的高温过程可能会对电池的扩散结有性能有影响。而湿氧氧化和水氧化形成的氧化层不够致密，对硅片表面的钝化效果不够理想。
因此，发明一种适用于现有生产线的晶体硅太阳能电池的热氧化工艺的一种方法具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前二氧化硅钝化层技术耗时长、钝化效果不理想的问题，提出一种晶体硅热氧化工艺，该方法工艺简单、耗时短、成本低、晶体硅钝化效果佳。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种晶体硅热氧化工艺(晶体硅热氧化生长二氧化硅层的工艺)，包括以下步骤：
将硅片放置于紫外臭氧腔室内；向紫外臭氧腔室内通入携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气，紫外臭氧腔室内的氧气在紫外线的促进下转化为臭氧和游离氧；在150-160℃的温度下，在水蒸气、二氧化氮、臭氧和游离氧的共同促进下，硅片表面生成二氧化硅氧化层。
进一步地，所述携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气中，二氧化氮与氧气的摩尔比为1:4-5，所述二氧化氮与氧气的混合气湿度为70-80％。
进一步地，所述携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气的制备方法如下：将氧气通入到稀硝酸中并加热，所述加热温度为70-80℃；得到携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气。
进一步地，所述稀硝酸由浓硝酸与去离子水配置而成，所述浓硝酸浓度为69.2％wt，浓硝酸与去离子水的质量比＝1:3-5。
进一步地，硅片在紫外臭氧腔室内热氧化时间为10-15分钟。
本发明的另一个目的还公开了一种晶体硅热氧化系统，包括氧气源、加热加湿器、紫外臭氧腔室和真空泵，所述氧气源与加热加湿器进气管连通，所述进气管出口深入加热加湿器内溶液中，所述加热加湿器内设置有加热管；所述加热加湿器气体出口通过管路与紫外臭氧腔室连通，所述紫外臭氧腔室内设置有用于放置硅片的传送带，所述传送带上方和下方设置有紫外灯管，所述紫外臭氧腔室内设置有加热管，所述紫外臭氧腔室出口通过三向导通阀与尾气排气口和真空泵连通，所述加热加湿器与紫外臭氧腔室之间的管路上设置有单向阀(允许加热加湿器向紫外臭氧腔室流动)。
进一步地，所述紫外臭氧腔室内壁为透明石英玻璃。
进一步地，所述传送带的材质为聚四氟乙烯或其他耐热材料。
本发明的另一个目的还公开了一种晶体硅太阳能电池热氧化工艺(P型晶体硅太阳能电池的热氧化工艺)，包括以下步骤：
步骤1)将晶体硅片依次进行清洗、碱制绒、磷扩散、湿法刻蚀；
步骤2)将硅片放置于紫外臭氧腔室内；向紫外臭氧腔室内通入携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气，紫外臭氧腔室内的氧气在紫外线的促进下转化为臭氧和游离氧；在150-160℃的温度下，在水蒸气、二氧化氮、臭氧和游离氧的共同促进下，硅片表面生成二氧化硅氧化层；
步骤3)将硅片放入PECVD设备(等离子体增强化学的气相沉积设备)，在二氧化硅氧化层的表面上继续生长一层氮化硅层，再将硅片印刷背电极、背电场、正电极，然后进行烧结。
进一步地，步骤2)中硅片表面生成的二氧化硅氧化层厚度为5～8nm。
进一步地，步骤3)中硅片表面的氮化硅厚度为65～75nm。
本发明晶体硅热氧化工艺及系统，与现有技术相比较具有以下优点：
1)、在常规的N型或P型电池的工序中，在湿法刻蚀工序之后，PECVD工序之前，添加了一步快速热氧化工艺。在硅片表面生成了一层二氧化硅氧化层，厚度为5～8nm，从而提高硅片表面的少子寿命，提高钝化效果，而且可以有效降低PID；
2)、本专利设计的热氧化设备的结构包括：氧气瓶、氧气加热加湿器、紫外臭氧腔室、真空泵。各自组成的作用如下：
氧气瓶是提供反应需要的氧气。
氧气加热加湿器有加热装置，可以将石英瓶内的浓硝酸分解出二氧化氮气体，并且还会挥发出一定量的水蒸气，从而将氧气内掺入二氧化氮和水蒸气。
紫外臭氧腔室有若干VUV低压紫外汞灯，可以产生紫外线，并且可以将氧气分解为臭氧和游离氧，硅片在水蒸气、二氧化氮、臭氧和游离氧的共同作用下生成二氧化硅。
真空泵是将每次反应残余的臭氧和二氧化氮抽出腔室，排掉。
3)、本发明是在臭氧紫外腔室里，VUV低压紫外汞灯将同时发射两种紫外线，波长分别为254nm和185nm，185nm波长紫外光的光能量能将空气中的氧气(O2)激发生成臭氧(O3)；而254nm波长的紫外光的光能量能将O3分解成O2和活性氧(O)，这个光敏氧化反应过程是同时连续进行的，在这两种短波紫外光的照射下，臭氧会不断的生成和分解，活性氧原子就会不断的生成并逐渐累积，越来越多，活性氧原子(O)有强烈的氧化作用。而通入的氧气中的少量水蒸气以及二氧化氮通过一系列的反应，生成二氧化氮、氧气、臭氧、游离氧、水蒸气，混合气体相互催化，具有较强的氧化性，在150℃和紫外照射下，将硅片表面氧化生成二氧化硅结构。
4)、硅片进入臭氧紫外腔室的方式为将硅片放置在传送带上连续带入进入，另一端由传送带带出，传送带的材质为聚四氟乙烯。通过控制带速来控制硅片在臭氧紫外腔室的时间，从而达到最优的氧化钝化效果。
5)、快速氧化后的硅片可以正常进行PECVD镀氮化硅薄膜，正常烧结和测试，做组件效果正常，而且由于有二氧化硅层，可以明显达到抗PID效果。
6)、可以硅片表面快速生长二氧化硅层，本身就可以达到提高少子寿命的效果，因为本氧化工艺对硅片的PN型没有要求，所以可以引入到其他P型或N型高效电池技术里，在二氧化硅层的基础上配合使用单层或者多层氮化硅，或者其他钝化工艺，就可以达到更好的钝化效果，提高电性能。
7)、本发明与现有工艺兼容，方法简单，成本低廉。
上述说明近视本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例极其附图详细给出。
综上，本发明晶体硅太阳能电池的热氧化工艺的方法可以使用在常规氮化硅镀膜工艺前，可以提升效率1.5％以上。本发明专利在正常的常规硅电池工艺流程中添加了一步热氧化工序，工艺步骤简单，和生产结合性好，成本低廉，适合大规模生产。该方法成本低廉，工艺可靠性强，工艺时间短，能够利用传统的太阳电池生产线简单升级来完成电池制备。
附图说明
图1为晶体硅热氧化系统的结构示意图。
图中标号说明：1、紫外灯管，2、加热管，3、硅片，4、传送带，5、稀硝酸，6、单向阀，7、三向导通阀，8、氧气源，9、真空泵，10、尾气排气口。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种晶体硅热氧化系统，其结构如图1所示，包括氧气源8、加热加湿器、紫外臭氧腔室和真空泵9，所述紫外臭氧腔室内壁为透明石英玻璃。所述氧气源8与加热加湿器进气管连通，所述进气管出口深入加热加湿器内溶液中，即深入稀硝酸5中，所述加热加湿器内设置有加热管2；所述加热加湿器气体出口通过管路与紫外臭氧腔室连通，所述紫外臭氧腔室内设置有用于放置硅片3的传送带4，所述传送带4的材质为聚四氟乙烯或其他耐热材料。所述传送4带上方和下方设置有紫外灯管1，所述紫外臭氧腔室内设置有加热管2，所述紫外臭氧腔室出口通过三向导通阀7与尾气排气口10和真空泵9连通，所述加热加湿器与紫外臭氧腔室之间的管路上设置有单向阀6，单向阀6允许加热加湿器内气体向紫外臭氧腔室流动。
本实施例还公开了一种采用上述晶体硅热氧化系统的晶体硅太阳能电池热氧化工艺：
步骤1)将晶体硅进行清洗、制绒、扩散、湿法刻蚀等常规工艺步骤；
步骤2)将硅片放入上述晶体硅热氧化系统的紫外臭氧腔室内，通入氧气，氧气会携带水蒸气、二氧化氮进入紫外臭氧腔室，腔室内的氧气在紫外光的照射下会生成臭氧，积聚的臭氧和水蒸气，二氧化氮的共同促进下，在150℃的温度下，就可以生成5-8nm厚的二氧化硅氧化层。
步骤3)采用常规的PECVD设备在生成的二氧化硅氧化层上继续生长氮化硅减反射薄膜，膜厚在65-75nm之间，然后再使用常规的印刷背电极、背电场、正电极、烧结等工艺步骤。
本实施例晶体硅太阳能电池热氧化工艺与现有工艺兼容，方法简单，成本低廉。采用本实施例制备得到的P型晶体硅太阳能电池转换效率为21.2％，主要优势是体现在电压同比提高2.4mv，这是由于本发明的氧化层生长速度极快，而且达到了钝化的效果，另一方面较快而且简洁的钝化过程减少了引入杂质的可能性，对电性能也有帮助。
实施例2
本实施例公开了一种使用热氧化工艺的P型晶体硅太阳能电池的制备方法，包括一下步骤：
步骤1)将晶体硅进行清洗、制绒、扩散、湿法刻蚀；
步骤2)将硅片放入实施例1所述晶体硅热氧化系统的紫外臭氧腔室内，通入氧气，氧气会携带水蒸气、二氧化氮进入紫外臭氧腔室，腔室内的氧气会转化为臭氧，在水蒸气，二氧化氮的促进下在硅片表面生成二氧化硅氧化层；加热加湿器的流量设置为2500sccm；紫外臭氧氧化腔室设置温度为150℃紫外臭氧氧化腔带速设置为50mm/min，硅片在紫外臭氧腔室内的时间为10min。
步骤3)采用PECVD设备在生成的二氧化硅氧化层上继续生长氮化硅减反射薄膜，然后再使用正常的印刷背电极、背电场、正电极、烧结。
本实施例制备得到的P型晶体硅太阳能电池转换效率为21.34％，主要优势是体现在电压同比提高2.4mv，这是由于本发明的氧化层生长速度极快，而且达到了钝化的效果，另一方面较快而且简洁的钝化过程减少了引入杂质的可能性，对电性能也有帮助。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种晶体硅热氧化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将硅片放置于紫外臭氧腔室内；向紫外臭氧腔室内通入携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气，紫外臭氧腔室内的氧气在紫外线的促进下转化为臭氧和游离氧；在150-160℃的温度下，在水蒸气、二氧化氮、臭氧和游离氧的共同促进下，硅片表面生成二氧化硅氧化层；
所述携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气中，二氧化氮与氧气的摩尔比为1:4-5，所述二氧化氮与氧气的混合气湿度为70-80％；
所述携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气的制备方法如下：将氧气通入到稀硝酸中并加热，所述加热温度为70-80℃；得到携带有水蒸气的二氧化氮与氧气的混合气；
所述稀硝酸由浓硝酸与去离子水配置而成，所述浓硝酸浓度为69.2％wt，浓硝酸与去离子水的质量比＝1:3-5；
晶体硅热氧化工艺采用的晶体硅热氧化系统，包括氧气源、加热加湿器、紫外臭氧腔室和真空泵，所述氧气源与加热加湿器进气管连通，所述进气管出口深入加热加湿器内溶液中，所述加热加湿器内设置有加热管；所述加热加湿器气体出口通过管路与紫外臭氧腔室连通，所述紫外臭氧腔室内设置有用于放置硅片的传送带，所述传送带上方和下方设置有紫外灯管，所述紫外臭氧腔室内设置有加热管，所述紫外臭氧腔室出口通过三向导通阀与尾气排气口和真空泵连通。
2.根据权利要求1所述晶体硅热氧化工艺，其特征在于，硅片在紫外臭氧腔室内热氧化时间为10-15分钟。
3.根据权利要求1所述晶体硅热氧化工艺，其特征在于，所述紫外臭氧腔室内壁为透明石英玻璃，所述传送带的材质为聚四氟乙烯或其他耐热材料。
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