CN108767056B - 一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢pecvd工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，在通常的PECVD镀膜后，将硅烷、氨气关闭，进一步利用氢气进行等离子体沉积。本发明提供的PECVD工艺形成的减反射膜层中具有高浓度的氢含量，为后续的电注入及光注入钝化工艺提供充分的氢，以达到更好的钝化效果提高太阳能电池的光电转换效率。此工艺在现有工业生产条件下进行改造，简单有效，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池的制造领域，特别涉及沉积减反射膜工序中的一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺。
背景技术
光伏发电作为一种清洁、安全、便利的清洁能源，在可再生能源技术中具有重要地位。我国正大力支持光伏行业的发展，深入研究和利用太阳能资源，对缓解资源危机、改善生态环境具有十分重要的意义。
目前市场主流的光伏电池为硅基单、多晶太阳能电池，其生产过程中硅体内的部分杂质无法完全去除，如氧、碳、氮等轻元素杂质，铁、钴、镍、铜等过度金属杂质，另外还有各类大量的晶体缺陷，如位错、层错。杂质和缺陷的存在严重降低了少数载流子的寿命，制约了晶硅太阳电池的光电转换效率。目前针对各类杂质及晶体缺陷，在电池端可以通过电注入及光注入向硅体内注入H原子来钝化杂质、缺陷成为主要手段。但由于H的来源主要依靠PECVD镀膜过程中的NH3、SiH4，其含量远不足以钝化大量的杂质和缺陷，因此开发一种能够显著增加太阳电池表面氢原子含量的PECVD工艺，对于提高太阳能电池的转换效率具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，使形成的SiN:H减反射薄膜内含有高浓度的氢原子，为电注入、光注入的氢钝化环节提供充分的氢原子，用来对硅片进行杂质和缺陷的钝化。
本发明通过提供一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺来实现上述目的，其特征在于：通过正常NH3预处理、第一、二层镀膜结束后，再进行H2等离子体沉积。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的NH3预处理是利用通入氨气，经高频电离后对硅片表面进行预处理；
其中NH3预清洗参数设置为：沉积温度400-430 ℃，功率4500-5500 W，氨气流量6-7 slm，压力1650-1750 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间10-20 s。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的第一层镀膜利用设定压力与温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，形成第一层镀膜；
其中，镀膜薄膜参数为：沉积温度430-460 ℃，功率6500-7100 W，氨气流量3.8-4.2 slm，硅烷流量1000-1100 sccm，压力1500-1700 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间100-140 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.25-2.30，膜厚控制在15-20 nm。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的第二层镀膜是在第一层镀膜的基础上，恒定压力和温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，沉积一层非均匀性氮化硅薄膜；
其中沉积参数为：沉积温度430-460 ℃，沉积功率7400-7800 W，占空比5:50 ms，压力1500-1600 mTor，同时在设定的沉积时间内向工艺腔体通入氨气和硅烷。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述第二层镀膜的沉积时间为430 -470 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量3.5 -4.0 slm，沉积结束流量6.0 -6.5 slm；硅烷初始流量900 -1000 sccm，沉积结束流量700 -750 sccm。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述第二层镀膜在设定沉积时间内，折射率控制在2.10-2.15，膜层厚度为60-65 nm。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为440-500 ℃，保温时间为50-80s，流量为8-10 slm，炉体压力为1650-1750 mTor；
第二阶段：沉积温度降为240-300 ℃，保温时间为20-30 s，流量为4-6 slm，炉体压力为1550-1600 mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为440-500 ℃，保温时间为100-150 s，流量为6-8slm，炉体压力为1750-1900 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以5-10℃/s降温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1650-1750 mTor。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的H2等离子体沉积时的射频功率为6800-7200 W。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的H2等离子体沉积时的脉冲开关比为5:(35-50)。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：75-85nm，折射率为：2.10-2.20。
本发明有益效果在于：
1、本发明核心在于利用现有管式PECVD机台，在普通镀膜工艺后新增加一步氢气的等离子体沉积步骤，使形成的SiN:H减反射薄膜内含有高浓度的氢原子，为电注入、光注入的氢钝化环节提供充分的氢原子用来对硅片进行杂质和缺陷的钝化；
2、本发明中所述工艺主要通过分阶段增加氢含量，利用每个阶段的参数来调节电池的体钝化，从而优化和加强其体钝化，该电池制成的电池组件，在后续工作中会具有更高、更稳定的发电量；
3、本发明在现有工业生产条件下进行改造，易于实现和控制，简单有效，具有较高的实用价值。
具体实施方式：
实施例1：
本发明通过提供一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺来实现上述目的，其特征在于：通过正常NH3预处理、第一、二层镀膜结束后，进行H2等离子体沉积。
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：所述的NH3预处理是利用通入氨气，经高频电离后对硅片表面进行预处理；
其中NH3预清洗参数设置为：沉积温度400 ℃，功率4500 W，氨气流量7 slm，压力1700 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间10 s。
其所述的第一层镀膜利用设定压力与温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，形成第一层镀膜；
其中，镀膜薄膜参数为：沉积温度445 ℃，功率7100 W，氨气流量3.8 slm，硅烷流量1050 sccm，压力1700 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间120 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.30，膜厚控制在18 nm。
其所述的第二层镀膜是在第一层镀膜的基础上，恒定压力和温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，沉积一层非均匀性氮化硅薄膜；
其中沉积参数为：沉积温度460 ℃，沉积功率7600 W，占空比5:50 ms，压力1500mTor，同时在设定的沉积时间内向工艺腔体通入氨气和硅烷。
其所述第二层镀膜的沉积时间为430 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量4.0 slm，沉积结束流量6.0slm；硅烷初始流量950 sccm，沉积结束流量750 sccm。
其所述第二层镀膜在设定沉积时间内，折射率控制在2.12，膜层厚度为60 nm。
其所述的H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为445 ℃，保温时间为60s，流量为8 slm，炉体压力为1700mTor；
第二阶段：沉积温度降为270 ℃，保温时间为30 s，流量为5 slm，炉体压力为1600mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为445 ℃，保温时间为100 s，流量为8 slm，炉体压力为1800 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以10℃/s降至室温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1750 mTor。
其中所述的H2等离子体沉积时的射频功率为7000 W。
其中所述的H2等离子体沉积时的脉冲开关比为5:50。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：78 nm，折射率为：2.20。
实施例2：
其余具体同实施例1
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，通过以下步骤完成：
（1）NH3预处理：沉积温度415 ℃，功率5500 W，氨气流量6 slm，压力1750 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间15 s；
（2）第一层镀膜：沉积温度430 ℃，功率6800 W，氨气流量4.2 slm，硅烷流量1100sccm，压力1600 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间140 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.28，膜厚控制在20 nm；
（3）第二层镀膜：沉积温度445 ℃，沉积功率7400 W，占空比5:50 ms，压力1550mTor，沉积时间为470 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量3.8 slm，沉积结束流量6.5 slm；硅烷初始流量900sccm，沉积结束流量720 sccm，折射率控制在2.15，膜层厚度为62 nm；
（4）H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为440 ℃，保温时间为50s，流量为9 slm，炉体压力为1650mTor；
第二阶段：沉积温度降为300 ℃，保温时间为20 s，流量为6 slm，炉体压力为1580mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为440 ℃，保温时间为150 s，流量为7 slm，炉体压力为1900 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以8℃/s降至室温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1700 mTor。
其中，利用6800 W，脉冲开关比为5:40ms的射频电源使其形成等离子体，对向硅片进行沉积s。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：82 nm，折射率为：2.17，其余电性能见表1。
实施例3：
其余具体同实施例1
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，通过以下步骤完成：
（1）NH3预处理：沉积温度430 ℃，功率5000 W，氨气流量6.5 slm，压力1650 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间20 s；
（2）第一层镀膜：沉积温度460 ℃，功率6500 W，氨气流量4.0 slm，硅烷流量1000sccm，压力1650 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间100 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.25，膜厚控制在15 nm；
（3）第二层镀膜：沉积温度430 ℃，沉积功率7800 W，占空比5:50 ms，压力1600mTor，沉积时间为450 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量3.5 slm，沉积结束流量6.2 slm；硅烷初始流量1000sccm，沉积结束流量700 sccm，折射率控制在2.10，膜层厚度为65nm；
（4）H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为500 ℃，保温时间为80s，流量为10 slm，炉体压力为1750mTor；
第二阶段：沉积温度降为240 ℃，保温时间为30 s，流量为4 slm，炉体压力为1550mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为500 ℃，保温时间为120 s，流量为6 slm，炉体压力为1750 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以5℃/s降至室温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1650 mTor。
其中，利用7200 W，脉冲开关比为5:35ms的射频电源使其形成等离子体，对向硅片进行沉积。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：80 nm，折射率为：2.10，其余电性能见表1。
对比例1：
其余具体同实施例1
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，通过以下步骤完成：
（1）NH3预处理：沉积温度460 ℃，功率4000 W，氨气流量4 slm，压力1900 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间40 s；
（2）第一层镀膜：沉积温度350 ℃，功率7500 W，氨气流量6 slm，硅烷流量1500sccm，压力1200 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间180 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.4，膜厚控制在30 nm；
（3）第二层镀膜：沉积温度350 ℃，沉积功率6000 W，占空比5:50 ms，压力1800mTor，沉积时间为500 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量5 slm，沉积结束流量4 slm；硅烷初始流量1500 sccm，沉积结束流量500 sccm，折射率控制在2.0，膜层厚度为80 nm；
（4）H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为400 ℃，保温时间为150 s，流量为6 slm，炉体压力为1800mTor；
第二阶段：沉积温度降为100 ℃，保温时间为10 s，流量为8 slm，炉体压力为1200mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为700 ℃，保温时间为50 s，流量为4 slm，炉体压力为2000 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以2℃/s降至室温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1400 mTor。
并利用5000 W，脉冲开关比为5:20ms的射频电源使其形成等离子体，对向硅片进行沉积。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：110 nm，折射率为：2.0，其余电性能见表1。
对比例2：
其余具体同实施例1
一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，通过以下步骤完成：
（1）NH3预处理：沉积温度350 ℃，功率6000 W，氨气流量10 slm，压力1400 mTor，占空比4:40 ms，清洗时间5 s；
（2）第一层镀膜：沉积温度500 ℃，功率5500 W，氨气流量2 slm，硅烷流量800sccm，压力1900 mTor，占空比5:50 ms，沉积时间60 s；要求第一层镀膜折射率控制在2.10，膜厚控制在5 nm；
（3）第二层镀膜：沉积温度500 ℃，沉积功率7500 W，占空比5:50 ms，压力1200mTor，沉积时间为300 s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量2 slm，沉积结束流量8 slm；硅烷初始流量500 sccm，沉积结束流量900 sccm，折射率控制在1.8，膜层厚度为50 nm；
（4）H2等离子体沉积分为四个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为600 ℃，保温时间为40 s，流量为15 slm，炉体压力为1400mTor；
第二阶段：沉积温度降为400 ℃，保温时间为50 s，流量为2 slm，炉体压力为1800mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为200 ℃，保温时间为200 s，流量为10 slm，炉体压力为1500 mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以15℃/s降至室温，并以流量为1 slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1900 mTor。
并利用8000 W，脉冲开关比为5:70ms的射频电源使其形成等离子体，对向硅片进行沉积。
由上述工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：78 nm，折射率为：2.20，其余电性能见表1。
对比例3：
去掉氢气等离子体沉积这一工艺，通过普通的PECVD镀膜，具体包括NH3预处理、第一、二层镀膜，其余实施数据具体同实施例1。
由此工艺所得的太阳能电池减反射薄膜的厚度为：55 nm，折射率为：1.92，其余电性能见表1。
对实施例1-3及对比例1-3的电池片经过同样的电注入氢钝化处理，测试电性能对比如下表：
对比本发明范围内的实施例1-3经过电注入氢钝化处理后，较正常PECVD工艺电注入氢钝化处理后，电性能上电压、填充因子都有上升，证明具有更多的氢钝化了体内杂质和缺陷，电池效率也有相应的增益。且所选择的工艺条件易于实现和控制，可以很好的用于工业生产。
Claims (1)
1.一种增强太阳能电池氢钝化能力的富氢PECVD工艺，其特征在于：通过正常NH3预处理、第一、二层镀膜结束后，进行H2等离子体沉积；
所述的NH3预处理是利用通入氨气，经高频电离后对硅片表面进行预处理；其中NH3预清洗参数设置为：沉积温度400-430℃，功率4500-5500W，氨气流量6-7slm，压力1650-1750mTor，占空比4:40ms，清洗时间10-20s；
所述的第一层镀膜利用设定压力与温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，形成第一层镀膜；其中，镀膜薄膜参数为：沉积温度430-460℃，功率6500-7100 W，氨气流量3.8-4.2slm，硅烷流量1000-1100sccm，压力1500-1700mTor，占空比5:50ms，沉积时间100-140s；要求第一层镀膜折射率控制在2.25-2.30，膜厚控制在15-20nm；
所述的第二层镀膜是在第一层镀膜的基础上，恒定压力和温度，通入硅烷（SiH4）和氨气（NH3），经高频电离后在电场的作用下沉积在硅片表面，沉积一层非均匀性氮化硅薄膜；其中沉积参数为：沉积温度430-460℃，沉积功率7400-7800 W，占空比5:50ms，压力1500-1600mTor，同时在设定的沉积时间内向工艺腔体通入氨气和硅烷；
所述第二层镀膜的沉积时间为430 -470s，在此沉积时间内氨气流量实现正速率匀速递增，硅烷流量实现负速率匀速递减；其中，氨气初始流量3.5-4.0slm，沉积结束流量6.0-6.5slm；硅烷初始流量900-1000sccm，沉积结束流量700-750sccm；折射率控制在2.10-2.15，膜层厚度为60-65nm；
所述的H2等离子体沉积分为三个阶段，具体操作如下：
第一阶段：沉积温度为440-500℃，保温时间为50-80s，流量为8-10slm，炉体压力为1650-1750mTor；
第二阶段：沉积温度降为240-300℃，保温时间为20-30s，流量为4-6slm，炉体压力为1550-1600mTor；
第三阶段：再将沉积温度升至为440-500℃，保温时间为100-150s，流量为6-8slm，炉体压力为1750-1900mTor；
第四阶段：结束时沉积温度以5-10℃/s降温，并以流量为1slm的H2持续吹扫直至结束，炉体压力设置为1650-1750mTor；
所述的H2等离子体沉积时所用射频功率为6800-7200W，所用脉冲开关比为5:(35-50)。
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