CN108447918A - 一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，包括硅片，所述硅片的表面上设有超薄介质层，所述超薄介质层上设有多晶硅薄膜层，所述多晶硅薄膜层中设有较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区，所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区上未设有金属接触电极，所述较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设有金属接触电极。本发明还公开了上述钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构及其制备方法。
背景技术
要想获得高效率的太阳能电池，其表面必须具有良好的钝化，较低的表面复合速率，进而可以获得较高的开压、电流和效率。目前，表面钝化的主要是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等单层或多层介质膜结构。但是在做好表面钝化之后，需要做金属化，此时在印刷金属下方的钝化膜不可以避免地被破坏，造成金属接触区域的复合比较大，进而降低电池的开路电压等性能。而采用点接触电极或类似方法只能在一定程度上缓解但无法根除这一问题。
而近几年，钝化接触在晶体硅太阳电池领域备受关注，各研究机构也开发出了更为高效的钝化接触太阳电池，其主要是采用超薄的氧化层，并在氧化层上生长的一层掺杂的多晶硅薄膜。而该多晶硅层的掺杂都为同一浓度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，该掺杂结构采用选择性不同浓度的掺杂，有效解决了金属接触区域和非金属掺杂区域需要不同掺杂浓度来实现最佳性能的难题，能更能够发挥好其光学和电学性能。
本发明的目的还在于提供上述钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法。
本发明的上述第一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，包括硅片，所述硅片的表面上设有超薄介质层，所述超薄介质层上设有多晶硅薄膜层，所述多晶硅薄膜层中设有较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区，所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区上未设有金属接触电极，所述较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设有金属接触电极。
本发明多晶硅薄膜层上主要包括两个区域，一个是无金属接触区域，二个是金属接触区域，分别对应掺杂浓度一区和掺杂浓度二区，且掺杂浓度一区中掺杂元素的浓度小于掺杂浓度二区中掺杂元素的浓度，即无金属接触区域元素掺杂浓度小于金属接触区域元素掺杂浓度。
由于金属接触区域需要较高掺杂浓度来降低金属接触电阻和提高填充因子，而非金属掺杂区域需要降低掺杂浓度来实现低光的吸收，降低表面复合，有利于钝化，从而进一步提高短路电流和开路电压。
因此，本发明中的技术方案有效解决了金属接触区域和非金属掺杂区域需要不同掺杂浓度来实现最佳性能，可以实现低接触电阻、低光的吸收，降低表面复合，有利于钝化，从而进一步提高填充因子、短路电流和开路电压。
作为本发明一种较为优选的实施方式，所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区相互交替平行分布。
优选的，本发明所述的超薄介质层可以是氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2和氮氧化硅SiOxN1-x等中的一种单层膜或者几种的叠层膜，其厚度为0.5nm～2.5nm。
优选的，本发明所述的多晶硅薄膜层(Poly-Si)的厚度为5nm～200nm。
作为本发明的一种优选的实施方式，本发明所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区中掺杂元素的掺杂浓度为1.0E19atoms/cm3～1.0E21atoms/cm3；所述的较高掺杂浓度的掺杂浓度二区中的掺杂元素的掺杂浓度为1.0E19atoms/cm3～2.0E21atoms/cm3；所述掺杂元素为磷或硼。
作为本发明的一种改进，本发明所述多晶硅薄膜层上还设有氮化硅层。其可以进一步钝化多晶硅，提高整个钝化接触的性能；并且，采用氮化硅替代氢气退火设备处理，可以达到一样的多晶硅钝化效果，不需要再添置新的氢气退火设备，节约了资本投入。
本发明的上述第二个目的是通过以下技术方案来实现的：上述钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取硅片，清洗，在清洗后硅片的表面上制备超薄介质层；
(2)在超薄介质层的表面上沉积多晶硅薄膜层；
(3)在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂，然后退火，获得较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区；
(4)去除退火后在多晶硅薄膜层表面生长的氧化层；
(5)在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设置金属接触电极。
进一步的，作为本发明的一种改进：上述钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取硅片，清洗，在清洗后硅片的表面上制备超薄介质层；
(2)在超薄介质层的表面上沉积多晶硅薄膜层；
(3)在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂，然后退火，在多晶硅薄膜层中获得较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区；
(4)去除退火后在多晶硅薄膜层表面生长的氧化层；
(4’)在多晶硅薄膜层表面沉积氮化硅层；
(5)在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设置金属接触电极。
在上述高性能钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法中：
优选的，步骤(1)采用低温炉管氧化工艺、硝酸氧化工艺、臭氧氧化工艺、ALD、CVD(如PECVD、LPCVD)或PVD(如溅射、蒸发)在清洗后硅片的表面上制备超薄介质层。
步骤(2)中在超薄介质层的表面上优选采用低压化学气相沉积法(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)沉积多晶硅薄膜层。
步骤(3)中优选采用离子注入法在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂。
采用离子注入法在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂时，可以利用离子注入机本身自带的掩膜板(mask)一次进行注入，实现两种区域的两种掺杂浓度。
采用离子注入法在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂时，也可以是无掩膜的正常注入加上带有掩膜(mask)两次注入来实现不同区域的选择性掺杂。
采用离子注入法在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂时，还可以是在非金属区域制备局部的掩膜(mask)如氧化硅等，进行一次注入，再将掩膜去除。
步骤(4)中优选采用HF等化学溶液将退火后在多晶硅薄膜层表面生长的氧化层除去。
步骤(4’)中优选采用管式或板式等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在多晶硅薄膜层表面沉积氮化硅层。
步骤(5)中优选采用丝网印刷方式在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设置金属接触电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明多晶硅薄膜层选择性掺杂能够有效解决金属接触区域需要较高掺杂浓度来降低金属接触电阻和提高填充因子，而非金属掺杂区域需要降低掺杂浓度来实现低光的吸收，降低表面复合，有利于钝化，从而进一步提高短路电流和开路电压；
(2)本发明中的钝化接触结构本身就能够提供优越的场钝化及表面钝化，而且载流子可以被选择性地隧穿过氧化层达到金属电极，因而具有较高的开路电压和转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例1-4中的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构示意图；
图2是本发明实施例5中的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构示意图；
图3是本发明实施例1-4中的钝化接触多晶硅薄膜制备流程图；
图4是实施例1和实施例3中带有掩膜的离子注入示意图；
图5是实施例1中高低浓区域的磷掺杂ECV曲线；
图6是实施例3中高低浓区域的硼掺杂ECV曲线。
具体实施方式
以下结合附图列举具体实施例对本发明进行说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，包括硅片1，硅片1的表面上设有超薄介质层2，超薄介质层2上设有多晶硅薄膜层3，多晶硅薄膜层中设有较低掺杂浓度的掺杂浓度一区4和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区5，较低掺杂浓度的掺杂浓度一区4上未设有金属接触电极，所较高掺杂浓度的掺杂浓度二区5上设有金属接触电极6。
其中较低掺杂浓度的掺杂浓度一区4和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区5相互交替平行分布。
超薄介质层为超薄二氧化硅层，其厚度为1.5nmnm。
多晶硅薄膜层的厚度为100nm。
较低掺杂浓度的掺杂浓度一区中掺杂元素的掺杂浓度为2.0E19atoms/cm3～1.0E21atoms/cm3。
较高掺杂浓度的掺杂浓度二区中的掺杂元素的掺杂浓度为1.0E19atoms/cm3～2.0E21atoms/cm3。
掺杂元素为磷。
多晶硅薄膜层上还设有氮化硅层7。
本实施例说明了一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，该方法是基于低压化学沉积(LPCVD)制备一层超薄介质层(SiO2)，在其上面的多晶硅薄膜层进行一次注入实现选择性掺杂磷(P)。
如图3所示，该钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
A、对硅片进行清洗；
B、低压化学沉积(LPCVD)介质层：采用低压化学沉积(LPCVD)设备中原位生长1.5nm的介质层(SiO2)；
C、制备多晶硅薄膜：在低压化学沉积(LPCVD)生长介质层之后，在同一设备中，在温度为620℃生长一层100nm多晶硅薄膜；
D、如图4所示，区域选择性掺杂：利用离子注入机本身自带的掩膜板(mask)一次性进行注入，实现金属区域和非金属区域的磷(P)掺杂剂量分别为4E15atoms/cm2和2E15atoms/cm2；
E、退火：利用850℃温度对掺杂磷(P)进行激活，高低浓区域的磷掺杂ECV曲线如图5所示，同时次高温也实现了对LPCVD生长的多晶硅薄膜进行了晶化热处理，进一步提升该薄膜的性能；
F、氧化层去除：通过HF化学溶液将退火后在多晶硅表面生长的氧化除去；
G、制备氮化硅：通过板式等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在多晶硅薄膜上再生长一层80nm氮化硅层；
H、制备电极：采用丝网印刷的方式实现金属接触，金属都被印刷在较高掺杂浓度的金属接触区域内。
采用本实施例制备的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构制成的电池与其它电池的性能参数对照，如下表1和下表2所示：
表1普通钝化接触和本实施例中选择性掺杂的钝化接触制成电池的性能参数
| 电池结构 | 开路电压Voc(mV) | 短路电流Isc(A) | 填充因子FF(％) | 转换效率Eff.(％) |
| 普通钝化接触 | 0.00 | 0.000 | 0.00 | 0.00 |
| 选择性掺杂的钝化接触 | 1.80 | 0.047 | 0.21 | 0.22 |
表2非钝化接触和本实施例中选择性掺杂的钝化接触制成电池的性能参数
| 电池结构 | 开路电压Voc(mV) | 短路电流Isc(A) | 填充因子FF(％) | 转换效率Eff.(％) |
| 非钝化接触 | 0.00 | 0.000 | 0.00 | 0.00 |
| 选择性掺杂的钝化接触 | 22.40 | -0.003 | 0.88 | 0.97 |
实施例2
本实施例提供的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构同实施例1。
超薄介质层为超薄二氧化硅，其厚度为1.0nm。
多晶硅薄膜层的厚度为70nm。
本实施例说明了一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，该方法是基于炉管氧化制备一层超薄氧化层(SiO2)，在其上面的多晶硅薄膜层进行两次掺杂实现区域选择性掺杂磷(P)。
如图3所示，该钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
A、对硅片进行清洗；
B、低温炉管生长介质层：采用常规扩散或氧化炉管，在600℃生长一层1.0nm的二氧化硅；
C、制备多晶硅薄膜：在630℃等离子增强化学气相沉积法(PECVD)设备中沉积一层70nm多晶硅薄膜层；
D、区域选择性掺杂：首先对整个面的多晶硅注入1E15atoms/cm2的杂质磷(P)，再用掩膜板(Mask)对非金属区域进行遮挡，而对金属区域直接注入3E15atoms/cm2的杂质磷(P)；
E、退火：利用875℃温度对掺杂磷(P)进行激活，同时次高温也实现了对LPCVD生长的多晶硅薄膜进行了晶化热处理，进一步提升该薄膜的性能；
F、氧化层去除：通过HF化学溶液将退火后在多晶硅表面生长的氧化除去；
G、制备氮化硅：通过管式等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在多晶硅薄膜上再生长一层70nm氮化硅层；
H、制备电极：采用丝网印刷的方式实现金属接触，金属都被印刷在较高掺杂浓度的金属接触区域内。
实施例3
本实施例提供的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构同实施例1。
超薄介质层为超薄氮氧化硅，其厚度为1.8nm。
多晶硅薄膜层的厚度为120nm。
本实施例说明了一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，该方法是基于低压化学沉积(LPCVD)制备一层超薄氮氧化硅(SiOxN1-x)，在其上面的多晶硅薄膜层进行一次注入实现选择性掺杂硼(B)。
如图3所示，该钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
A、对硅片进行清洗；
B、低压化学沉积(LPCVD)氧化层：采用低压化学沉积(LPCVD)设备中原位生长1.8nm的超薄氮氧化硅(SiOxN1-x)；
C、制备多晶硅薄膜：在低压化学沉积(LPCVD)生长介质层之后，在同一设备中，在温度为610℃生长一层120nm多晶硅薄膜；
D、区域选择性掺杂：利用离子注入机本身自带的掩膜板(mask)一次性进行注入，实现金属区域和非金属区域的硼(B)掺杂剂量分别为3E15atoms/cm2和1E15atoms/cm2；
E、退火：利用1050℃温度对掺杂硼(B)进行激活，高低浓区域的硼掺杂ECV曲线如图6所示，同时次高温也实现了对LPCVD生长的多晶硅薄膜进行晶化热处理，进一步提升该薄膜的性能；
F、氧化层去除：通过HF化学溶液将退火后在多晶硅表面生长的氧化除去；
G、制备氮化硅：通过管式等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在多晶硅薄膜上再生长一层80nm氮化硅层；
H、制备电极：采用丝网印刷的方式实现金属接触，金属都被印刷在较高掺杂浓度的金属接触区域内。
实施例4
本实施例提供的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构同实施例1。
超薄介质层为超薄二氧化硅(SiO2)和氧化钛(TiO2)的叠层膜，其厚度为1.0nm。
多晶硅薄膜层的厚度为120nm。
本实施例说明了一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，该方法是基于原子沉积(ALD)制备一层超薄二氧化硅(SiO2)和氧化钛(TiO2)的叠层膜，在其上面的多晶硅薄膜层进行两次注入实现选择性掺杂硼(B)。
如图3所示，该高钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，包括以下步骤：
A、对硅片进行清洗；
B、原子沉积(ALD)介质层：采用原子沉积(ALD)设备中原位生长一层1.0nm的二氧化硅(SiO2)和氧化钛(TiO2)叠层的介质层；
C、制备多晶硅薄膜：在低压化学沉积(LPCVD)生长介质层之后，在同一设备中，在温度为610℃生长一层120nm多晶硅薄膜；
D、区域选择性掺杂：首先对整个面的多晶硅注入1E15atoms/cm2的杂质硼(B)，再用掩膜板(Mask)对非金属区域进行遮挡，而对金属区域直接注入2E15atoms/cm2的杂质硼(B)；
E、退火：利用1000℃温度对掺杂硼(B)进行激活，同时次高温也实现了对LPCVD生长的多晶硅薄膜进行了晶化热处理，进一步提升该薄膜的性能；
F、氧化层去除：通过HF化学溶液将退火后在多晶硅表面生长的氧化除去；
G、制备氮化硅：通过管式等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在多晶硅薄膜上再生长一层40nm氮化硅层；
H、制备电极：采用丝网印刷的方式实现金属接触，金属都被印刷在较高掺杂浓度的金属接触区域内。
实施例5
与实施例1不同的是，该钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，如图2所示，未在较低掺杂浓度的掺杂浓度一区和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区的多晶硅薄膜的表面上设置有氮化硅层7。
上面列举一部分具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以上具体实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，包括硅片(1)，其特征是：所述硅片(1)的表面上设有超薄介质层(2)，所述超薄介质层(2)上设有多晶硅薄膜层(3)，所述多晶硅薄膜层(3)中设有较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)，所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)上未设有金属接触电极，所述较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)上设有金属接触电极(6)。
2.根据权利要求1所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，其特征是：所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)相互交替平行分布。
3.根据权利要求2所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，其特征是：所述的超薄介质层(2)为氧化硅、氧化铝、氧化钛和氮氧化硅中的一种单层膜或几种的叠层膜，其厚度为0.5nm～2.5nm。
4.根据权利要求3所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，其特征是：所述的多晶硅薄膜层(3)的厚度为5nm～200nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，其特征是：所述较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)中掺杂元素的掺杂浓度为1.0E19atoms/cm3～1.0E21atoms/cm3；所述的较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)中的掺杂元素的掺杂浓度为1.0E19atoms/cm3～2.0E21atoms/cm3；所述掺杂元素为磷或硼。
6.根据权利要求5述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构，其特征是：所述多晶硅薄膜层(3)上还设有氮化硅层(7)。
7.权利要求5所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)选取硅片(1)，清洗，在清洗后硅片(1)的表面上制备超薄介质层(2)；
(2)在超薄介质层(2)的表面上沉积多晶硅薄膜层(3)；
(3)在多晶硅薄膜层(3)表面进行选择性掺杂，然后退火，获得较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)；
(4)去除退火后在多晶硅薄膜层(3)表面生长的氧化层；
(5)在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)上设置金属接触电极(6)。
8.根据权利要求7所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)选取硅片(1)，清洗，在清洗后硅片(1)的表面上制备超薄氧化层介质层(2)；
(2)在超薄介质层(2)的表面上沉积多晶硅薄膜层(3)；
(3)在多晶硅薄膜层(3)表面进行选择性掺杂，然后退火，在多晶硅薄膜层(3)中获得较低掺杂浓度的掺杂浓度一区(4)和较高掺杂浓度的掺杂浓度二区(5)；
(4)去除退火后在多晶硅薄膜层(3)表面生长的氧化层；
(4’)在多晶硅薄膜层表面沉积氮化硅层(7)；
(5)在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设置金属接触电极(6)。
9.根据权利要求8所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，其特征是：步骤(1)采用低温炉管氧化工艺、硝酸氧化工艺、臭氧氧化工艺、ALD、CVD或PVD在清洗后硅片的表面上制备超薄介质层；步骤(2)中在超薄介质层的表面上采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法沉积多晶硅薄膜层。
10.根据权利要求8所述的钝化接触多晶硅薄膜的掺杂结构的制备方法，其特征是：步骤(3)中采用离子注入法在多晶硅薄膜层表面进行选择性掺杂；步骤(4’)中采用管式或板式等离子增强化学气相沉积法在多晶硅薄膜层表面沉积氮化硅层；步骤(5)中采用丝网印刷方式在较高掺杂浓度的掺杂浓度二区上设置金属接触电极。
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