CN109473508B - 一种太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法，太阳能电池退火方法包括：将表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片置于PECVD管式炉中，并在PECVD管式炉以初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，且在PECVD管式炉升温的过程中向PECVD管式炉内通入氢气和氮气的混合气体，对硅片进行氢钝化；使得PECVD管式炉在终点温度恒温25min～30min；在硅片的表面镀SiNx薄膜层。通过将传统的氢钝化与低温连续慢升温进行有效的结合，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，提高电池的开路电压和减少串联电阻。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备技术领域，特别是涉及一种太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法。
背景技术
如何提高电池片效率，降低电池工艺成本，提高使用寿命，是提高太阳能电池电站发电效率，降低发电成本的因素之一。在太阳能电池片的生产过程中，从晶硅的铸造到电池的成型，每一步中都蕴含着机遇，只要能够解决其中的任意一个问题，都能够使得最终的电池片的效率提升或成本下降。
目前在硅棒铸造成型的过程中，不可避免的会引入部分金属(Na、Fe、Mg、Mn等)和非金属(C、O、S等)杂质，这些杂质会在硅片体内形成深能级的复合中心，严重降低了太阳能电池的少子寿命和少子的扩散距离；另外，硅片在清洗制绒、刻蚀等过程中，硅片表面会形成较多的悬挂键和微尺寸结构，具有很强的吸附杂质的作用，硅片在高温扩散之后，表层的硅晶体结构受到了一定程度的破坏，缺陷较多，加剧了少子的复合。
为了减小这些杂质和缺陷对硅片少子寿命的负面影响，有人提出了在电池片制备完成后通过一定的技术手段，电池片内部的氢(H)不但会与硼氧复合体(B-O)结合，同时也可以与其它大部分的杂质和悬挂键结合，从而减小这些缺陷对电池片内部少子的“捕获”作用，起到了优异的钝化效果，同时，也发现了氢钝化效果的对质量较差的硅片尤为突出。
目前N型PERT太阳能电池针对硅片体内和表面缺陷，主要采用在电池表面沉积一层氧化铝(AL2O3)、二氧化硅(SiO2)等薄膜来实现对硅片的表面钝化；通过在PECVD镀SiNX薄膜的过程中产生的部分H2来实现对硅片体内和表面的钝化。
现有的钝化技术包括原子层沉积(ALD)和等离子增强型化学气相沉积(PECVD)，能够对硅片表面实现较好的钝化效果，减少了硅片的表面复合。但是，在200～250℃左右采用ALD沉积氧化铝薄膜，氧化铝薄膜主要由氧化铝(α-AL2O3)和氧化铝[Al(OH)]水合物构成，影响了氧化铝薄膜的致密性和负电场的效果。另外，硅片直接在400～500℃的管式炉内进行正背面SiNx的镀膜工艺，对硅片内部的杂质和晶体缺陷所诱发的少子复合的影响甚微。
发明内容
本发明的目的是提供了一种太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法，减少由硅片晶格缺陷和杂质污染所带来的少子复合，进而提升电池片的开路电压和短路电流。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种太阳能电池退火方法，包括：
步骤1，将表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片置于PECVD管式炉中，并在所述PECVD管式炉以初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，且在所述PECVD管式炉升温的过程中向所述PECVD管式炉内通入氢气和氮气的混合气体，对所述硅片进行氢钝化；
步骤2，使得所述PECVD管式炉在所述终点温度恒温25min～30min；
步骤3，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
其中，所述步骤1还包括：
采用三基甲铝和水为原料，在温度为260℃～280℃的条件下，在所述硅片的表面制备氧化铝薄膜层。
其中，所述氧化铝薄膜层的厚度为8nm～15nm。
其中，所述步骤1还包括：
向所述PECVD管式炉炉内通入氢气体积比例为5％～95％的氢气和氮气的混合气体，将所述PECVD管式炉的炉压控制在0.1～0.15Mpa。
其中，在所述步骤10与所述步骤1之间，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述初始温度通入N2进行吹扫2min～5min。
其中，在所述步骤2到步骤3之间，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述终点温度通入N2进行吹扫2min～5min。
其中，所述PECVD炉管的升温速度时间为35min～90min。
其中，所述PECVD炉管的升温速率为定值。
除此之外，本发明实施例还提供了一种太阳能电池制备方法，包括如上所述太阳能电池退火方法。
除此之外，本发明实施例还提供了一种太阳能电池退火装置，包括PECVD管式炉、加热器、氢气源、氮气源、硅烷源、氨气源、控制中心，所述PECVD管式炉用于放置待处理的表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片，所述控制中心控制所述氢气源、所述氮气源向所述PECVD管式炉输入氢气和氮气的混合气体，同时控制所述加热器对所述PECVD管式炉内进行加热，从初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，对所述硅片进行氢钝化，之后所述控制中心控制所述加热器对所述PECVD管式炉内进行恒温加热，使得所述PECVD管式炉保持所述终点温度25min～30min，最终控制所述硅烷源、所述氨气源向所述PECVD管式通入硅烷和氨气，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
本发明实施例所提供的太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
所述太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法，通过将传统的氢钝化与低温连续慢升温进行有效的结合，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，提高电池的开路电压(Voc)和减少串联电阻(Rs)。在慢升温的过程中，硅片体内氧沉淀的生长速率大于氧沉淀晶核临界尺寸的扩张速率，氧沉淀的生长和形核同时进行，从而形成了高密度且具有强烈吸杂效果的微缺陷，有效清除硅片内部的杂质。同时，缓慢升温的过程提高了硅晶体结构的修复能力，能够有效减少硅片内部的晶格缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的太阳能电池退火方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例提供的太阳能电池退火装置的一种具体实施方式的结构连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1～2，图1为本发明实施例提供的太阳能电池退火方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；图2为本发明实施例提供的太阳能电池退火装置的一种具体实施方式的结构连接示意图。
在一种具体实施方式中，所述太阳能电池退火方法，包括：
步骤1，将表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片置于PECVD管式炉中，并在所述PECVD管式炉以初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，且在所述PECVD管式炉升温的过程中向所述PECVD管式炉内通入氢气和氮气的混合气体，对所述硅片进行氢钝化；
步骤2，使得所述PECVD管式炉在所述终点温度恒温25min～30min；
步骤3，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
通过将传统的氢钝化与低温连续慢升温进行有效的结合，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，提高电池的开路电压(Voc)和减少串联电阻(Rs)。在慢升温的过程中，硅片体内氧沉淀的生长速率大于氧沉淀晶核临界尺寸的扩张速率，氧沉淀的生长和形核同时进行，从而形成了高密度且具有强烈吸杂效果的微缺陷，有效清除硅片内部的杂质。同时，缓慢升温的过程提高了硅晶体结构的修复能力，能够有效减少硅片内部的晶格缺陷。
本发明中的太阳能电池退火方法，采用的是低温退火的方式，并不是传统退火中的高温退火，而在退火过程中，温度在逐渐升高，且温度升高的速度不能过快，在慢升温的过程中，硅片体内氧沉淀的生长速率大于氧沉淀晶核临界尺寸的扩张速率，氧沉淀的生长和形核同时进行，从而形成了高密度且具有强烈吸杂效果的微缺陷，有效清除硅片内部的杂质。同时，缓慢升温的过程提高了硅晶体结构的修复能力，能够有效减少硅片内部的晶格缺陷。
硅片表面和内部的缺陷能够促进H2的分解，形成H-、H和H+，而氧化铝薄膜由于一般采用ALD工艺沉积，厚度很薄，对H的渗透阻挡几乎可以忽略不计，从而实现优异的氢钝化效果。另外，H进一步与微小的氧沉淀结合，从而消除氧沉淀缺陷形成的同心圆等EL缺陷。
通过低温连续慢升温的氢化退火工艺，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的
本发明中对于氧化铝薄膜的沉积工艺以及沉积厚度不做具体限定，氧化铝薄膜的作用在于在硅片表面形成钝化层，减少硅片的表面复合，一般采用三甲基铝(TMA)和水作为反应源，所述步骤1还包括：
采用三基甲铝和水为原料，在温度为260℃～280℃的条件下，在所述硅片的表面制备氧化铝薄膜层。
优选的，所述氧化铝薄膜层的厚度为8nm～15nm。
本发明中主要是通过通入氢气与氮气的混合气体进行氢钝化的，本发明对于其通入的流量、炉内压强、氢气与氮气的比例等不做具体限定，一般所述步骤1还包括：
向所述PECVD管式炉炉内通入氢气体积比例为5％～95％的氢气和氮气的混合气体，将所述PECVD管式炉的炉压控制在0.1～0.15Mpa。
由于本发明中使用氢气实现氢钝化，氮气作为保护气体，但是在PECVD管式炉中一般由于会在硅片的载入过程中，与外界的空气连通，使得其暴露在氧气中，从而对氢钝化造成负面效果，为了解决这一技术问题，在所述步骤1之前，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述初始温度通入N2进行吹扫2min～5min。
需要指出的是，本发明中对于N2进行吹扫的时间以及吹扫过程中的流量等不做具体限定，N2吹扫的目的在于将PECVD管式炉内进行清扫，保证管内的洁净度，减少或避免后续的氢钝化过程中杂质的干扰，本发明包括但不局限于采用N2进行吹扫，而采用N2的目的在于，其使用成本低，像氦气等惰性气体也可以使用，但是使用成本过高，而在后续的氢钝化过程中，采用氢气与氮气混合的方式，保证气压的同时，可以调节氢气的比例，采用氮气能够明显降低成本。
在本发明中，在炉管进行缓慢升温的过程中，实现了氢钝化的目的，同时进行了晶格修复、氧化铝水合物转变为氧化铝、硅片体内微氧沉淀的形成和对杂质的修复、H钝化和硅片内部扩散，而在炉管恒温的过程中，目的在于H钝化、H和微氧沉淀的结合，减少了硅片内的杂质分布，提高硅片的质量，同时H进一步和微氧沉淀的结合，能够进一步消除氧沉淀引发的同心圆等EL缺陷，进一步提高硅片的品质，提高钝化效果。
而在恒温结束之后，需要进行氮化硅薄膜的沉积，虽然在炉管恒温的过程中，进一步进行了氢钝化的效果，其中必然包括氢气，而且在氢钝化过程中，也可能产生杂质，可能会对氮化硅薄膜的沉积产生负面影响，为了减少或避免这一情况的发生，保证氮化硅薄膜的沉积质量，在本发明中，一般所述步骤2到步骤3之间，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述终点温度通入N2进行吹扫2min～5min。
通过在对所述PECVD管式炉内以所述终点温度通入N2进行吹扫2min～5min，清除氢钝化过程中产生的杂质，确保管内的洁净度，提高氮化硅薄膜的沉积质量，提高了硅片的质量。
本发明中在硅片进行氢钝化前和后，通过与当时PECVD炉管所处环境同温度的氮气，保证洁净度，保证了氢钝化以及氮化硅薄膜的沉积效果。
本发明中对于氢钝化的过程以及时间不做具体限定，所述PECVD炉管的升温速度时间为35min～90min。
为了进一步提高钝化效果，减少气流波动，保证氢钝化的稳定性，一般所述PECVD炉管的升温速率为定值。
在一个实施例中，所述太阳能电池退火方法包括：
(1)、硅片制备，在经过制绒、双面扩散、清洗之后的N型硅片表面沉积8nm的氧化铝薄膜，温度为260℃，反应源为三甲基铝(TMA)和水(H2O)。
(2)、炉管吹扫，PECVD管式炉进行N2吹扫2min，温度为300℃，确保管内的洁净度。
(3)、炉管加载，将沉积有氧化铝薄膜的硅片置于管式炉中进行低温连续慢升温氢化退火工艺，初始温度为300℃，向炉内通入氢气比例为15％的氢气和氮气的混合气体，炉压控制在0.12Mpa(0.1为标准大气压)。
(4)、炉管升温，升温速率为2.5℃/min，持续时间为72min，最终炉内温度控制为480℃，进行晶格修复、氧化铝水合物转变为氧化铝、硅片体内微氧沉淀的形成和对杂质的吸附、H钝化和硅片内部扩散。
(5)、炉管恒温，炉温控制在480℃，恒温30min，H钝化、H和微氧沉淀结合。
(6)、炉管吹扫，PECVD管式炉进行N2吹扫2min，温度为480℃，确保管内的洁净度。
(7)、镀SiNx薄膜：通入一定比例的硅烷(SiH4)和氨气(NH3)，炉管温度微调，进行镀膜及其后续工艺。
除此之外，本发明实施例还提供了一种太阳能电池制备方法，包括如上所述太阳能电池退火方法。
由于所述太阳能电池制备方法，包括如上所述太阳能电池退火方法，因而具备相同的有益效果，本发明在此不再赘述。
除此之外，本发明实施例还提供了一种太阳能电池退火装置，包括PECVD管式炉20、加热器30、氢气源50、氮气源40、硅烷源60、氨气源70、控制中心10，所述PECVD管式炉20用于放置待处理的表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片，所述控制中心10控制所述氢气源50、所述氮气源40向所述PECVD管式炉20输入氢气和氮气的混合气体，同时控制所述加热器30对所述PECVD管式炉内进行加热，从初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内20的温度达到终点温度480℃～500℃，对所述硅片进行氢钝化，之后所述控制中心10控制所述加热器30对所述PECVD管式炉内10进行恒温加热，使得所述PECVD管式炉20保持所述终点温度25min～30min，最终控制所述硅烷源60、氨气源70向所述通入硅烷和氨气，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
所述太阳能电池退火装置，为所述太阳能电池退火方法的装置权限，因而具备相同的有益效果，本发明在此不再赘述。
所述太阳能电池退火装置，可以实现在将沉积有氧化铝薄膜硅片进行氢钝化的全程自动化。控制中心控制LEVCD管式炉的打开和关闭，进行自动的氮气炉管吹扫，将加热到初始温度的氮气通入PECVD管式炉进行吹扫，保证管内的洁净度，在达到时间之后，将硅片置于其中，同时向内部通入氢气和氮气的混合气体，控制加热器对LECVD炉管进行加热，使得炉管进行升温，升温速率小于等于10℃/min，直到温度达到终点温度480℃～500℃，实现晶格修复、氧化铝水合物转变为氧化铝、硅片体内微氧沉淀的形成和对杂质的吸附、H钝化和硅片内部扩散，停止氧气与氮气的通入，然后在最高温度保持炉管恒温，恒温25min～30min，H钝化、H和微氧沉淀结合，然后保持最高温度采用氮气进行清扫，保证炉管内的洁净度，最后再开启采用硅烷源、氨气源，按照一定的比例通入硅烷和氨气，进行氮化硅薄膜的镀设以及后续工艺。
综上所述，本发明实施例提供的太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法，通过将传统的氢钝化与低温连续慢升温进行有效的结合，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，能够有效减少硅片内部的杂质和晶格缺陷，同时实现了优良的钝化效果，有效增加了少子的寿命和扩散长度，提高电池的开路电压(Voc)和减少串联电阻(Rs)。在慢升温的过程中，硅片体内氧沉淀的生长速率大于氧沉淀晶核临界尺寸的扩张速率，氧沉淀的生长和形核同时进行，从而形成了高密度且具有强烈吸杂效果的微缺陷，有效清除硅片内部的杂质。同时，缓慢升温的过程提高了硅晶体结构的修复能力，能够有效减少硅片内部的晶格缺陷。
以上对本发明所提供的太阳能电池退火方法以及装置和太阳能电池制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池退火方法，其特征在于，包括：
步骤1，将表面沉积有氧化铝薄膜层的硅片置于PECVD管式炉中，并在所述PECVD管式炉以初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，且在所述PECVD管式炉升温的过程中向所述PECVD管式炉内通入氢气和氮气的混合气体，对所述硅片进行氢钝化；
步骤2，使得所述PECVD管式炉在所述终点温度恒温25min～30min；
步骤3，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
2.如权利要求1所述太阳能电池退火方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：
采用三基甲铝和水为原料，在温度为260℃～280℃的条件下，在所述硅片的表面制备所述氧化铝薄膜层。
3.如权利要求2所述太阳能电池退火方法，其特征在于，所述氧化铝薄膜层的厚度为8nm～15nm。
4.如权利要求3所述太阳能电池退火方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
向所述PECVD管式炉炉内通入氢气体积比例为5％～95％的氢气和氮气的混合气体，将所述PECVD管式炉的炉压控制在0.1～0.15Mpa。
5.如权利要求4所述太阳能电池退火方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述初始温度通入N2进行吹扫2min～5min。
6.如权利要求5所述太阳能电池退火方法，其特征在于，在所述步骤2到步骤3之间，还包括：
对所述PECVD管式炉内以所述终点温度通入N2进行吹扫2min～5min。
7.如权利要求6所述太阳能电池退火方法，其特征在于，所述PECVD炉管的升温速度时间为35min～90min。
8.如权利要求7所述太阳能电池退火方法，其特征在于，所述PECVD炉管的升温速率为定值。
9.一种太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述太阳能电池退火方法。
10.一种太阳能电池退火装置，其特征在于，包括PECVD管式炉、加热器、氢气源、氮气源、硅烷源、氨气源、控制中心，所述PECVD管式炉用于放置待处理的表面沉积有氧化铝薄膜的硅片，所述控制中心控制所述氢气源、所述氮气源向所述PECVD管式炉输入氢气和氮气的混合气体，同时控制所述加热器对所述PECVD管式炉内进行加热，从初始温度290℃～300℃为起始，以小于等于10℃/min的升温速率进行升温，直到所述PECVD管式炉内的温度达到终点温度480℃～500℃，对所述硅片进行氢钝化，之后所述控制中心控制所述加热器对所述PECVD管式炉内进行恒温加热，使得所述PECVD管式炉保持所述终点温度25min～30min，最终控制所述硅烷源、所述氨气源向所述PECVD管式炉通入硅烷和氨气，在所述硅片的表面镀SiNx薄膜层。
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