CN108598212B - 一种太阳能电池钝化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域。本发明公开了一种太阳能电池钝化的方法，其包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀、去磷硅玻璃清洗、表面热氧化、氢注入以及沉积减反射膜、印刷电极和烧结等步骤。本发明工艺结合了二氧化硅表面钝化和氢的体钝化优势，先在衬底硅表面热氧化生长一层二氧化硅，起到表面钝化作用，同时保护了硅表面免受后续等离子体直接轰击造成的硅表面损伤；再在二氧化硅膜表面电离氨气的方式对衬底硅材料进行氢离子注入，以提高氢注入浓度，起到体钝化作用，从而提升太阳能电池的转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种太阳能电池钝化的方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池片的制造工艺一般有如下几个步骤：表面制绒、扩散制结、周边刻蚀、去磷硅玻璃、沉积减反射膜、印刷电极、烧结。
硅晶体中除了故意掺入的掺杂剂硼和磷之外，还包括氧、碳、氮等轻元素杂质以及铁、钴、镍、铬、铜等过渡金属杂质，还有晶界、位错以及晶体表面的硅悬挂键等缺陷。这些杂质和缺陷具有较高的复合活性，会显著降低少数载流子的寿命从而降低了太阳能电池的转换效率。目前常规的钝化方法是通过PECVD直接电离反应物硅烷和氨气，在表面沉积含氢的氮化硅减反射薄膜(SiNx:H)，一部分氢在PECVD的时候进入硅体内，另一部分则由后续电极烧结过程下高温扩散进入基体内，从而得到体钝化效果。然而辉光放电产生的等离子体轰击会造成晶体硅表面损伤缺陷，且反应物氨气主要用于沉积一定Si/N比和折射率的氮化硅薄膜，注入到衬底硅体内的氢离子只有极少数一部分，钝化效果有限，影响最终电池的效率。如何更进一步提高电池转换效率，降低成本成为现在重要课题。
常规晶体硅太阳能电池片的制造工艺一般有如下几个步骤：表面制绒、扩散制结、周边刻蚀、去磷硅玻璃清洗、沉积减反射膜、印刷电极、烧结。一般钝化在沉积减反射膜的同时进行，但辉光放电产生的等离子体轰击会造成晶体硅表面损伤而形成新的缺陷，且由于减反射膜折射率以及Si/N比的要求，注入晶体内的氢浓度有限，钝化效果有限。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种结合了二氧化硅表面钝化和氢的体钝化优势从而提升太阳能电池转化效率的太阳能电池钝化的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能电池钝化的方法，包括以下步骤：
a)前处理；
b)表面热氧化：对经前处理后的硅片进行低盐热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为40～100mm/min，氮气流量为5000～10000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为50～200mbar，温度为600～850℃；
b3回温，回温工序中氮气流量为0～2000sccm，氧气流量为500～10000sccm，压力为50～300mbar，温度为600～850℃，持续时间为3～7min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为0～2000sccm，氧气流量为500～10000sccm，压力为50～600mbar，温度为600～850℃，氧化时间为10～40min；
b5回压，回压工序中氮气流量为2000～10000sccm，氧气流量为500～5000sccm，温度为600～850℃，持续时间为3～7min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为40～100mm/min，氮气流量为5000～10000sccm；
c)氢注入：将经低压热氧化后的硅片置于PECVD设备中，利用氢等离子体轰击硅片表面；
d)后处理。
采用低压氧化技术先在硅片表面热生长一层二氧化硅钝化薄膜，再使用PECVD电离氨气的方式对生长有二氧化硅薄膜的硅片进行氢离子注入，以达到良好的钝化效果。
硅中的氢原子具有很强的反应活性，它能够与杂质及其复合体反应；与硅悬挂键结合，从而提高硅晶体中少数载流子的寿命，即氢钝化。另外，热氧化法生长的二氧化硅层能够有效弥补晶体表面的硅悬挂键，具有良好的表面钝化作用，低压环境下气体分子具有更高的自由程和穿透力，在低压环境下氧化可以得到更加均匀致密的二氧化硅膜和更理想的钝化效果。
低压热氧化生长的SiO2层，还能用以保护辉光放电产生的等离子体轰击所造成晶体硅表面损伤缺陷，从而提升钝化效果，同时优化了SiO2膜厚与等离子体轰击H注入的时间与功率，达到最佳匹配效果。SiO2除了本身钝化作用外同时还起到了辉光放电里的缓冲保护作用，同时残留在SiO2层中的H在后续烧结高温处理过程中还会继续注入到Si基体内达到更好的钝化效果。
作为优选，硅片为单晶硅片或多晶硅片。
作为优选，步骤a前处理包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗。
作为优选，步骤d后处理包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
作为优选，步骤c氢注入中，氢等离子体由通过辉光放电电离氨气形成；电离氨气的工艺条件为氨气流量600～2000sccm，温度350～550℃，射频功率2000～5000W，放电时间300～900s。
作为优选，b2抽真空工序后还有检漏工序，检漏时间为1～4min。
作为优选，b2抽真空工序后的检漏工序，检漏时间为2min。
作为优选，步骤b，b4氧化工序中氮气流量为200～500sccm，氧气流量为1000～5000sccm，压力为200～400mbar，温度为700～720℃。
作为优选，步骤b，b1进舟工序中进舟速度为70mm/min，氮气流量为10000sccm；b2抽真空工序中抽真空至压力为100mbar，温度为650℃；b4氧化工序中氧化时间为20min；b5回压工序中氮气流量为5000sccm，氧气流量为2000sccm，温度为600～650℃，持续时间5min；b6出舟工序中出舟速度为60mm/min，氮气流量10000sccm。
因此，本发明具有以下有益效果：本发明工艺结合了二氧化硅表面钝化和氢的体钝化优势，先在衬底硅表面热氧化生长一层二氧化硅，起到表面钝化作用，同时保护了硅表面免受后续等离子体直接轰击造成的硅表面损伤；再在二氧化硅膜表面电离氨气的方式对衬底硅材料进行氢离子注入，以提高氢注入浓度，起到体钝化作用，从而提升太阳能电池的转化效率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种太阳能电池钝化的方法，包括以下步骤：
a)前处理：对单晶硅片进行包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗处理；
b)表面热氧化：对经前处理后的单晶硅片进行低盐热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为40mm/min，氮气流量为5000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为50mbar，温度为600℃；抽真空后进行检漏，检漏时间为1min；
b3回温，回温工序中氮气流量为0sccm，氧气流量为500sccm，压力为50mbar，温度为600℃，持续时间为3min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为0sccm，氧气流量为500sccm，压力为50mbar，温度为600℃，氧化时间为10min；
b5回压，回压工序中氮气流量为2000sccm，氧气流量为500sccm，温度为600℃，持续时间为3min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为40mm/min，氮气流量为5000sccm；
c)氢注入：将经低压热氧化后的单晶硅片置于PECVD设备中，利用由辉光放电电离氨气形成的氢等离子体轰击硅片表面，电离氨气的工艺条件为氨气流量600sccm，温度350℃，射频功率2000W，放电时间300s；
d)后处理：包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
实施例2
一种太阳能电池钝化的方法，包括以下步骤：
a)前处理：对单晶硅片进行包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗处理；
b)表面热氧化：对经前处理后的单晶硅片进行低盐热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为70mm/min，氮气流量为10000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为100mbar，温度为650℃；抽真空后进行检漏，检漏时间为2min；
b3回温，回温工序中氮气流量为1500sccm，氧气流量为6000sccm，压力为250mbar，温度为700℃，持续时间为5min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为200sccm，氧气流量为1000sccm，压力为200mbar，温度为700℃，氧化时间为20min；
b5回压，回压工序中氮气流量为5000sccm，氧气流量为2000sccm，温度为600℃，持续时间为5min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为60mm/min，氮气流量为10000sccm；
c)氢注入：将经低压热氧化后的单晶硅片置于PECVD设备中，利用由辉光放电电离氨气形成的氢等离子体轰击硅片表面，电离氨气的工艺条件为氨气流量800sccm，温度450℃，射频功率3000W，放电时间400s；
d)后处理：包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
实施例3
一种太阳能电池钝化的方法，包括以下步骤：
a)前处理：对多晶硅片进行包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗处理；
b)表面热氧化：对经前处理后的多晶硅片进行低盐热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为70mm/min，氮气流量为8000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为150mbar，温度为700℃；抽真空后进行检漏，检漏时间为2min；
b3回温，回温工序中氮气流量为500sccm，氧气流量为3000sccm，压力为200mbar，温度为700℃，持续时间为5min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为200sccm，氧气流量为5000sccm，压力为200mbar，温度为700℃，氧化时间为20min；
b5回压，回压工序中氮气流量为5000sccm，氧气流量为2000sccm，温度为650℃，持续时间为5min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为60mm/min，氮气流量为10000sccm；
c)氢注入：将经低压热氧化后的多晶硅片置于PECVD设备中，利用由辉光放电电离氨气形成的氢等离子体轰击硅片表面，电离氨气的工艺条件为氨气流量1200sccm，温度475℃，射频功率4000W，放电时间500s；
d)后处理：包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
实施例4
一种太阳能电池钝化的方法，包括以下步骤：
a)前处理：对多晶硅片进行包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗处理；
b)表面热氧化：对经前处理后的多晶硅片进行低盐热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为100mm/min，氮气流量为10000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为200mbar，温度为850℃；抽真空后进行检漏，检漏时间为4min；
b3回温，回温工序中氮气流量为2000sccm，氧气流量为10000sccm，压力为300mbar，温度为850℃，持续时间为7min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为2000sccm，氧气流量为10000sccm，压力为600mbar，温度为850℃，氧化时间为40min；
b5回压，回压工序中氮气流量为10000sccm，氧气流量为5000sccm，温度为850℃，持续时间为7min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为100mm/min，氮气流量为10000sccm；
c)氢注入：将经低压热氧化后的多晶硅片置于PECVD设备中，利用由辉光放电电离氨气形成的氢等离子体轰击硅片表面，电离氨气的工艺条件为氨气流量2000sccm，温度550℃，射频功率5000W，放电时间900s；
d)后处理：包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
性能测试：
设置对比例1～4，对比例不进行上述实施例1～4中的步骤b和步骤c中的处理，其他技术参数依次同实施例1～4。
测试每组实施例和对比例获得样品的开路电压、短路电流及转换效率，每组实施例和对比例各选择三个样品进行性能测试。
各实施例和对比例样品性能测试结果如下表1。
表1 各实施例和对比例性能测试结果
由上表1比较可以得知：
在实施例1与对比例1、实施例2与对比例2所示的单晶电池片测试结果中，实施例1和实施例2中样品分别相较于对比例1和对比例2，开路电压平均增加2.9mV，短路电池平均增加30mA，转换效率绝对值平均提升0.2％。可见本发明应用实现了单晶硅片表面良好的钝化效果，有效地提高了太阳能电池的转换效率。
在实施例3与对比例3、实施例4与对比例4所示的单晶电池片测试结果中，实施例3和实施例4中样品分别相较于对比例3和对比例4，开路电压平均增加1.2mV，短路电池平均增加41mA，转换效率绝对值平均提升0.12％。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于包括以下步骤：
a）前处理；
b）表面热氧化：对经前处理后的硅片进行低压热氧化处理使其表面氧化钝化生成二氧化硅薄层，具体包括以下六个步骤，
b1进舟，进舟工序中进舟速度为40～100mm/min，氮气流量为5000～10000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为50～200mbar，温度为600～850℃；
b3回温，回温工序中氮气流量为0～2000sccm，氧气流量为500～10000sccm，压力为50～300mbar，温度为600～850℃，持续时间为3～7min；
b4氧化，氧化工序中氮气流量为0～2000sccm，氧气流量为500～10000sccm，压力为50～600mbar，温度为600～850℃，氧化时间为10～40min；
b5回压，回压工序中氮气流量为2000～10000sccm，氧气流量为500～5000sccm，温度为600～850℃，持续时间为3～7min；
b6出舟，出舟工序中出舟速度为40～100mm/min，氮气流量为5000～10000sccm；
c）氢注入：将经低压热氧化后的硅片置于PECVD设备中，利用氢等离子体轰击硅片表面；氢等离子体由通过辉光放电电离氨气形成；电离氨气的工艺条件为氨气流量600～2000sccm，温度350～550℃，射频功率2000～5000W，放电时间300～900s；
d）后处理。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述的硅片为单晶硅片或多晶硅片。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述步骤a前处理包括表面制绒、扩散制结、周边刻蚀和去磷硅玻璃清洗。
4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述步骤d后处理包括沉积减反射膜、印刷电极和烧结。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述b2抽真空工序后还有检漏工序，检漏时间为1～4min。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述b2抽真空工序后还有检漏工序，检漏时间为2min。
7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述步骤b，b4氧化工序中氮气流量为200～500sccm，氧气流量为1000～5000sccm，压力为200～400mbar，温度为700～720℃。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能电池钝化的方法，其特征在于：
所述步骤b，b1进舟，进舟工序中进舟速度为70mm/min，氮气流量为10000sccm；
b2抽真空，抽真空工序中抽真空至压力为100mbar，温度为650℃；b4氧化工序中氧化时间为20min；b5回压工序中氮气流量为5000sccm，氧气流量为2000sccm，温度为600～650℃，持续时间5min；b6出舟工序中出舟速度为60mm/min，氮气流量10000sccm。
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