CN109735829B - 氮化硅薄膜的沉积方法、氮化硅薄膜及perc电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅薄膜的沉积方法、氮化硅薄膜及PERC电池。该沉积方法包括将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置中，先后采用第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源进行氮化硅薄膜的沉积，经沉积工艺处理后，在氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜。该氮化硅薄膜兼具高全反射功能和高致密性。本发明制备的氮化硅薄膜主要用作PERC电池的背面氮化硅薄膜。本发明的方法使得在不减少PERC电池转换效率的前提下，可将氮化硅薄膜的厚度降低至75纳米甚至以下，从而提高设备产能，扩展工艺窗口。

Description

氮化硅薄膜的沉积方法、氮化硅薄膜及PERC电池
技术领域
本发明属于太阳能电池片领域，涉及一种氮化硅薄膜的沉积方法、氮化硅薄膜及PERC电池，尤其涉及一种具有高致密性的PERC电池背面氮化硅薄膜的沉积方法、由该沉积方法得到的氮化硅薄膜以及含有该氮化硅薄膜的PERC电池。
背景技术
PERC电池(Passivated-Emitter and Rear Cell，钝化发射极背面接触电池)由于其制备工艺与当前工业化电池生产线有着高度兼容性，仅在原有的电池生产线上增加背面氧化铝/氮化硅沉积设备和激光消融设备，使得技术导入生产企业的成本大幅度降低，同时转换效率得到较大幅度的提升。
常规PERC电池生产中采用平板式PECVD设备进行背面氧化铝/氮化硅钝化膜的沉积，由于该钝化膜中，氮化硅薄膜的致密性较差，较为疏松，导致在后续的烧结工艺中，容易被丝网印刷的铝浆料所腐蚀。当氮化硅薄膜的厚度低于110纳米时，沉积的氮化硅薄膜将会被大量腐蚀，从而影响了氮化硅薄膜的钝化效果，导致硅片的少子寿命降低，电池的转换效率下降。一般来说，当氮化硅薄膜的厚度小于90纳米时，该PERC电池的转换效率小于21％。因此，在目前PERC电池的生产中，背面氮化硅薄膜的厚度一般为110纳米以上，部分厂家甚至要求背面氮化硅薄膜的厚度达到195纳米。这限制了设备的产能，同时对工艺窗口要求较高。当设备中的微波分布、气体氛围发生变化时，将有可能导致部分硅片的氮化硅膜厚低于90纳米，此时该部分硅片的电池效率将发生大幅度的下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高致密性的氮化硅薄膜的沉积方法、氮化硅薄膜以及PERC电池，使得在不减少PERC电池转换效率的前提下，将氮化硅薄膜的厚度可降低至75纳米甚至以下，从而提高设备产能，扩展工艺窗口。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种氮化硅薄膜的沉积方法，所述氮化硅薄膜为用于PERC电池的背面氮化硅薄膜，所述沉积方法包括以下步骤：
将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置中，控制压力为0.15mbar～0.30mbar，温度为300℃～400℃，传送速度为180cm/min～240cm/min，先后采用第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源进行氮化硅薄膜的沉积，各微波源均设有左微波发生器和右微波发生器，各微波源的工艺参数设置如下：
采用第一微波源时，左微波功率为3200W～4200W，右微波功率为3200W～4200W，通入硅烷的流量为250sccm～300sccm，通入氨气的速率为850sccm～950sccm；
采用第二微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为225sccm～275sccm，通入氨气的速率为825sccm～925sccm；
采用第三微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为175sccm～275sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第四微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为150sccm～250sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第五微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为150sccm～250sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第六微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为175sccm～275sccm，通入氨气的速率为825sccm～925sccm；
经上述沉积工艺处理后，在所述氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜。
上述的氮化硅薄膜的沉积方法中，优选的，所述第一微波源至第五微波源中，后一微波源的硅烷流量不大于前一微波源的硅烷流量，后一微波源的氨气速率不大于前一微波源的氨气速率。
上述的氮化硅薄膜的沉积方法中，优选的，所述第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源的工艺参数中：采用左微波发生器时，占空比＝打开时间/(打开时间+关闭时间)，打开时间均为8ms～10ms，关闭时间均为9ms～12ms；采用右微波发生器时，占空比＝打开时间/(打开时间+关闭时间)，打开时间均为8ms～10ms，关闭时间均为9ms～12ms。打开时间即on time，关闭时间即off time。
上述的氮化硅薄膜的沉积方法中，优选的，所述第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源的工艺参数中：左微波发生器与右微波发生器之间的频移均为10％～40％。
上述的氮化硅薄膜的沉积方法中，优选的，所述反应装置为平板式PECVD设备。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的氮化硅薄膜的沉积方法制备得到的氮化硅薄膜。
上述的氮化硅薄膜中，优选的，所述氮化硅薄膜的厚度为75nm～130nm，所述氮化硅薄膜用于PERC电池时的电池转换效率＞21％。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种PERC电池，所述PERC电池含有上述的氮化硅薄膜的沉积方法制备得到的氮化硅薄膜或者含有上述的氮化硅薄膜。
上述的PERC电池中，优选的，所述PERC电池包括硅基体、沉积于硅基体背面的氧化铝薄膜、沉积于氧化铝薄膜上的所述氮化硅薄膜、以及设于所述氮化硅薄膜上的背银电极和铝背场。
本发明的沉积方法中，沉积时间是由样品传送速度决定的，给出了传送速度，也即给出了沉积时间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过设计背面氮化硅薄膜的沉积工艺，沉积出兼备高全反射功能和高致密性的氮化硅薄膜。本发明的沉积方法旨在氧化铝薄膜上沉积一层折射率和致密性变化的氮化硅薄膜，先沉积一层高折射率和低致密性的氮化硅薄膜，从而保证背面氮化硅薄膜的全反射功能，提高电池的短路电流，然后再逐渐降低氮化硅薄膜的折射率，提高氮化硅薄膜的致密性，保证在进行电池的高温烧结时，被铝浆腐蚀的氮化硅薄膜尽可能的少，从而保证电池的开路电压和填充因子。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的氮化硅薄膜中折射率随氮化硅膜厚变化图。
图2为本发明实施例2制得的氮化硅薄膜中折射率随氮化硅膜厚变化图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
一种本发明的氮化硅薄膜的沉积方法，氮化硅薄膜为用于PERC电池的背面氮化硅薄膜，沉积方法包括以下步骤：
将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置中，控制压力为0.15-0.30mbar，温度为300-400℃，传送速度为180-240cm/min，先后采用第一至第六微波源进行氮化硅薄膜的连续沉积，各微波源均设有左微波发生器和右微波发生器，各微波源下两个微波发生器之间的频移均为10-40％，其中第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源的工艺参数设置如下表1所示，第一微波源至第五微波源中，后一微波源的硅烷流量不大于前一微波源的硅烷流量，后一微波源的氨气速率不大于前一微波源的氨气速率。经沉积工艺处理后，在氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜。
表1各微波源的工艺参数
Figure BDA0001447977360000031
Figure BDA0001447977360000041
上述本实施例的沉积方法及其制备得到的氮化硅薄膜可以用于PERC电池的制备中，该PERC电池包括硅基体、沉积于硅基体背面的氧化铝薄膜、采用上述沉积方法沉积于氧化铝薄膜上的氮化硅薄膜、以及设于氮化硅薄膜上的背银电极和铝背场。
实施例1：
一种本发明的氮化硅薄膜的沉积方法，该氮化硅薄膜为用于PERC电池的背面氮化硅薄膜，沉积方法包括以下步骤：
先在硅基体背面沉积一层约为23纳米的氧化铝薄膜，然后进行氮化硅薄膜的沉积。将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置(具体为平板式PECVD设备)中，控制压力为0.25mbar，温度为350℃，样品传送速度为210cm/min，先后采用第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源进行氮化硅薄膜的沉积，各微波源均设有左微波发生器和右微波发生器，各微波源的工艺参数设置如下，其中，各微波源下左、右微波的占空比＝on time/(on time+off time)，on time表示打开时间，off time表示关闭时间：
第一微波源：左微波功率为3900W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3900W，on time为8ms，off time为9ms；左右两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为275sccm，通入氨气的速率为900sccm。
第二微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为250sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第三微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为225sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第四微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为215sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第五微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为210sccm，通入氨气的速率为870sccm。
第六微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为215sccm，通入氨气的速率为875sccm。
经上述沉积工艺处理后，在硅基体的氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜。氮化硅薄膜的厚度为85纳米，氮化硅薄膜中各分层折射率随氮化硅膜厚(即相应的微波沉积工艺)的变化如图1示意所示，折射率总体上逐渐降低。
一种本发明的PERC电池，该PERC电池是在上述本实施例沉积氮化硅薄膜后，进行后续的PERC电池常规制备工艺，制备得到的PERC电池。经测试，电池参数如下：短路电流9.7244A，开路电压0.6623V，填充因子80.71％，转换效率21.28％，激光消融时激光划痕33-35微米。
作为比较的，常规PERC电池的参数如下：背面氮化硅薄膜厚度130纳米，转换效率21.24％，激光消融时激光划痕33-35微米。激光划痕和转换效率与常规工艺相同，可见，采用本发明的工艺沉积的85纳米氮化硅薄膜，相比常规工艺沉积的130纳米氮化硅薄膜，具有更好的致密性。
实施例2：
一种本发明的氮化硅薄膜的沉积方法，该氮化硅薄膜为用于PERC电池的背面氮化硅薄膜，沉积方法包括以下步骤：
先在硅基体背面沉积一层约为20纳米的氧化铝薄膜，然后进行氮化硅薄膜的沉积。将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置中，控制压力为0.25mbar，温度为400℃，传送速度为240cm/min，先后采用第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源进行氮化硅薄膜的沉积，各微波源均设有左微波发生器和右微波发生器，各微波源的工艺参数设置如下，其中，各微波源下左、右微波的占空比＝on time/(ontime+off time)：
第一微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为265sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第二微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为225sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第三微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为215sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第四微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为215sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第五微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为215sccm，通入氨气的速率为875sccm。
第六微波源：左微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；右微波功率为3500W，on time为8ms，off time为9ms；两个微波发生器之间的频移为10％，通入硅烷的流量为210sccm，通入氨气的速率为875sccm。
经上述沉积工艺处理后，在硅基体的氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜。氮化硅薄膜的厚度为75纳米，氮化硅薄膜中各分层折射率随氮化硅膜厚(即相应的微波沉积工艺)变化如图2示意所示，折射率总体上逐渐降低。
一种本发明的PERC电池，该PERC电池是在上述本实施例沉积氮化硅薄膜后，进行后续的PERC电池制备工艺，制备得到的PERC电池。经测试，电池参数如下：短路电流9.5874A，开路电压0.6623V，填充因子81.74，转换效率21.24％，激光消融时激光划痕34-38微米。
作为比较的，采用常规的背面氮化硅沉积工艺，传送速度设定为240cm/min，沉积的氮化硅薄膜厚度约为87纳米，转换效率为20.94％，激光消融时激光划痕40-45微米。由此可知，采用本发明的工艺制备的PERC电池，转换效率更高，激光划痕更小，可见本发明的75纳米氮化硅薄膜相比常规工艺沉积的87纳米氮化硅薄膜，具有更好的致密性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种氮化硅薄膜的沉积方法，所述氮化硅薄膜为用于PERC电池的背面氮化硅薄膜，所述沉积方法包括以下步骤：
将背面沉积有氧化铝薄膜的硅基体置于反应装置中，控制压力为0.15mbar～0.30mbar，温度为300℃～400℃，传送速度为180cm/min～240cm/min，先后采用第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源进行氮化硅薄膜的沉积，各微波源均设有左微波发生器和右微波发生器，各微波源的工艺参数设置如下：
采用第一微波源时，左微波功率为3200W～4200W，右微波功率为3200W～4200W，通入硅烷的流量为250sccm～300sccm，通入氨气的速率为850sccm～950sccm；
采用第二微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为225sccm～275sccm，通入氨气的速率为825sccm～925sccm；
采用第三微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为175sccm～275sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第四微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为150sccm～250sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第五微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为150sccm～250sccm，通入氨气的速率为800sccm～900sccm；
采用第六微波源时，左微波功率为3000W～4000W，右微波功率为3000W～4000W，通入硅烷的流量为175sccm～275sccm，通入氨气的速率为825sccm～925sccm；
经上述沉积工艺处理后，在所述氧化铝薄膜上制备得到氮化硅薄膜；
所述第一微波源至第五微波源中，后一微波源的硅烷流量不大于前一微波源的硅烷流量，后一微波源的氨气速率不大于前一微波源的氨气速率；
所述第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源的工艺参数中：采用左微波发生器时，占空比＝打开时间/(打开时间+关闭时间)，打开时间均为8ms～10ms，关闭时间均为9ms～12ms；采用右微波发生器时，占空比＝打开时间/(打开时间+关闭时间)，打开时间均为8ms～10ms，关闭时间均为9ms～12ms；
所述第一微波源、第二微波源、第三微波源、第四微波源、第五微波源和第六微波源的工艺参数中：左微波发生器与右微波发生器之间的频移均为10％～40％。
2.根据权利要求1所述的氮化硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述反应装置为平板式PECVD设备。
3.一种如权利要求1或2所述的氮化硅薄膜的沉积方法制备得到的氮化硅薄膜。
4.根据权利要求3所述的氮化硅薄膜，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为75nm～130nm，所述氮化硅薄膜用于PERC电池时的电池转换效率＞21％。
5.一种PERC电池，其特征在于，所述PERC电池含有如权利要求1或2所述的沉积方法制备得到的氮化硅薄膜或者含有如权利要求3或4所述的氮化硅薄膜。
6.根据权利要求5所述的PERC电池，其特征在于，所述PERC电池包括硅基体、沉积于硅基体背面的氧化铝薄膜、沉积于氧化铝薄膜上的所述氮化硅薄膜、以及设于所述氮化硅薄膜上的背银电极和铝背场。
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