CN109742185B - 一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶硅太阳电池制造技术领域，为解决双面电池背面小白点比例高的问题，提供了一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，包括以下步骤：(1)上料；(2)进舟；(3)升温；(4)吹扫；(5)抽真空；(6)氧化；(7)回压冷却；(8)出舟；(9)下料。本发明通过工艺设计，高温吹扫烘烤与低压快速排空相结合，使双面电池背面小白点比例不良率由20％下降至1％以内，大幅提高了双面电池的良率，提高了双面电池的可靠性，在低压高温快速排空环境下，为进行氧化时使硅片表面提供了更高的洁净度，使生长的SiO2更致密、更均匀，表面复合更少，从而为硅片提供了优良的钝化层。
Description
技术领域
本发明涉及晶硅太阳电池制造技术领域，尤其涉及一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺。
背景技术
光伏行业的核心是技术进步推动成本下降，而推动成本下降要素包括提升太阳电池转换效率、降低电池片不良率。在光伏行业太阳电池端，目前提升太阳电池转换效率最有效的措施都是利用良好的表面钝化技术来降低半导体的表面活性，使表面的复合速率降低，以此来降低少数载流子的表面复合速度。
在当今，为了达到理想的钝化效果，光伏行业晶硅电池端均采用SiO2热氧化钝化方法来实现，是因为SiO2是由Si-O四面体组成，四面体的中心是硅原子，四个顶角上是氧原子，顶角上的四个氧原子刚好满足了硅原子的化合价，与Si表面具有良好的匹配性。SiO2热氧化钝化在晶硅电池生产流程中位于第4道工序：制绒→扩散→刻蚀→热氧化→ALD→正面镀膜→背面镀膜→激光开槽→背电极印刷→铝背场印刷→正电极印刷→烧结→光注入→测试分选。
热氧化工艺生产步骤为：1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；3)升温：将炉管里温度控制在一定范围里；4)氧化：升温完成后通入干燥纯净的氧气直接与硅片表面的不饱和硅原子结合形成SiO2，在此阶段同时通入保护气体N2，使氧气均匀分布在炉管内，在热氧化过程中，氧原子穿过氧化膜层向SiO2-Si界面运动并与硅原子进行反应，5)出舟：氧化完成后，将石英舟取出；6)下料。
其反应原理为：在热氧化的反应过程中，大量的氧原子与硅表面未饱和的硅原子结合形成SiO2薄膜，该薄膜可降低悬挂键的密度，能够很好地控制界面陷阱和固定电荷，此外高质量SiO2薄膜可把表面态密度降低到100cm2，Si-SiO2界面的复合速率也可以降到100cm/s以下，从而降低了悬挂键的密度，起到了表面钝化作用，从而提高太阳电池的开路电压和短路电流，最终提高了太阳电池的转换效率。
但是，SiO2热氧化钝化方法，在工艺控制上，因生长了额外的钝化层，对生产过程的洁净度要求更高。如果过程工艺控制不佳，SiO2成膜后其表面会出现黑点，SiNx镀膜后变成白点，造成电池外观不良，且外观问题不易解决，从而大幅降低良品率。目前，行业内改善此问题都是从硅片接触的工装夹具的入手，也就是把硅片接触的工装夹具卫生做到无脏污，让硅片保持干净，从而减少硅片在热氧化时，因工装夹具污染导致的产生的不良片，但此改善效果仍不理想。
另外随着晶硅电池技术发展，双面电池因背面也能发电可大幅降低成本问题，已开始取代单面太阳电池逐渐成为市场主流产品。双面电池的生产工艺流程为：制绒→扩散→刻蚀→热氧化→ALD→正面镀膜→背面镀膜→激光开槽→背电极印刷→铝栅线印刷→正电极印刷→烧结→光注入→测试分选。
双面电池与单面电池工艺流程均要经过热氧化，不同之处为，双面电池在丝网印刷时，由单面电池全铝背场印刷调整为局部铝栅线印刷，此面也将用于发电。由于单面电池背面被铝背场覆盖，即使背面存在小白点，会被铝背场全部覆盖，所以外观上不会呈现出不良。而生产双面电池时，电池背面调整为铝栅线印刷，背面如果存在小白点，外观上就会表现为不良片，同时在EL下，此区域由于是杂质的聚集地，复合较大，EL下表现为黑点、黑斑，从而导致电池片降级、影响双面的可靠性。且双面电池经过SiO2热氧化钝化方法后，电池背面白点比例会异常较高，比例在20～30％，严重影响产品品质，从而使双面电池良率大幅下降。
对此，行业内针对双面电池背面白点比例高的问题，仍采用传统的改善方法单纯提高工装夹具的洁净度来进行改善，但已无明显效果，所以如何降低双面电池背面小白点是业内亟待解决的技术问题。另外，从SiO2热氧化工艺上来进行改善，还没有相关研究技术人员提出，因此如何创新性的开发出一种热氧化工艺来进行改善，是目前面临的一个难题。
发明内容
本发明为了改善双面电池背面小白点比例高的问题，提供了一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，包括以下步骤：
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：将炉管内温度升温至850～980℃，抽真空保持炉管内压力50～100mbar；在高温下对硅片表面进行烘烤，可以将硅片表面附着的脏污颗粒或者杂质烘掉，并通过真空泵往外抽将炉管设定低压状态，进行快速排空，可以把硅片在高温烘烤下所掉落的脏污颗粒或者杂质抽出炉管，从而保证了硅片表面洁净度达到了很好的条件；
(4)吹扫：通入氮气，氮气流量为5～10slm，炉管内压力100～300mbar；通过步骤3)高温烘烤和抽真空后，硅片表面附着的脏污颗粒或者杂质基本已被烘掉和抽走，由于硅片插入石英舟时，两张硅片背靠背的靠在一起，背靠背靠在一起时，由于两张片子紧挨在在一起，如果没有外力进行吹散开，硅片背面的附着的脏污颗粒或者杂质不易出来，从而聚集在背面，导致产生小白点。对此，通入一定时间、流量氮气，利用氮气的流动性对硅片背靠背侧进行吹扫，吹扫过程中保持高温，并持续通过真空泵往外抽将炉管设定一定低压状态，将吹扫出来的脏污颗粒或者杂质抽出炉管，从而使硅片表面及其硅片背靠背侧的洁净度更一步达到了更高的要求；
(5)抽真空：炉管内压力20～50mbar；通过步骤4)吹扫后，将炉管压力设定到更低状态，利用真空泵彻底对炉管里脏污颗粒或者杂质进行抽走，进行快速排空，为进行步骤6)氧化步提高优良的洁净度环境；
(6)氧化：降低温度至700～800℃，同时通入氮气2～4slm和氧气1～3slm进行氧化，炉管内压力100～400mbar；降低温度，并在低压环境下进行通入干燥纯净的氧气直接与硅片表面的不饱和硅原子结合形成SiO2，可以使使氧分子自由程增长，增强穿透力，形成更均匀的SiO2层，在此阶段同时通入保护气体N2，使氧气均匀分布在炉管内，并在热氧化过程中，氧原子穿过氧化膜层向SiO2-Si界面运动并与硅原子进行反应；
(7)回压冷却：继续降温至600～650℃，通入氮气，炉管内压力1050～1060mbar；将压力回到常压状态，冷却到一定温度，利于进行步骤8)；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
作为优选，步骤(1)中，所述石英舟内设有若干卡齿，所述卡齿内插入偶数张硅片，所述硅片的刻蚀面背靠背贴合。优选为两张硅片。
作为优选，步骤(2)中，所述炉管内的温度控制在700～750℃。
作为优选，步骤(3)中，升温时间控制在10～20min。
作为优选，步骤(4)中，所述氮气的通入时间5～10min。
作为优选，步骤(5)中，抽真空时间控制在5～10min。
作为优选，步骤(6)中，通气时间控制在10～20min。
作为优选，步骤(7)中，所述氮气的流量为8～15Slm，通气时间为3～8min。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)通过工艺设计，高温吹扫烘烤与低压快速排空相结合，使双面电池背面小白点比例不良率由20％下降至1％以内，大幅提高了双面电池的良率；同时，由于小白点处是杂质的聚集处，复合较大，EL下电池片呈现黑点、黑斑状，使双面电池的存在失效的风险，通过发明工艺的使用，解决了因热氧化导致的EL下的黑点、黑斑，提高了双面电池的可靠性；
(2)在低压高温快速排空环境下，为进行氧化时使硅片表面提供了更高的洁净度，使生长的SiO2更致密、更均匀，表面复合更少，从而为硅片提供了优良的钝化层。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场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
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至850℃，同时炉管压力为50mbar，时间10min；
(4)吹扫：温度850℃，通入氮气，流量为10slm，通入时间10min，压力100mbar；
(5)抽真空：温度850℃，炉管压力设定为20mbar，时间10min；
(6)氧化：温度700℃，通入氮气2slm，氧气1slm，时间20min，炉管压力400mbar；
(7)回压冷却：温度650℃，通入氮气10slm，时间5min，炉管压力1060mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
实施例2
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至880℃，同时炉管压力设定为60mbar，时间12min；
(4)吹扫：温度880℃，通入氮气，流量为9slm，通入时间9min，压力150mbar；
(5)抽真空：温度880℃，炉管压力设定为25mbar，时间9min；
(6)氧化：温度720℃，通入氮气2.5slm，氧气1.5lm，时间18min，炉管压力350mbar；(7)回压冷却：温度650℃，通入氮气10Slm，时间5min，炉管压力1060mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
实施例3
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至900℃，同时炉管压力设定为70mbar，时间14min；
(4)吹扫：温度900℃，通入氮气，流量为8slm，通入时间8min，压力200mbar；
(5)抽真空：温度900℃，炉管压力设定为30mbar，时间8min；
(6)氧化：温度740℃，通入氮气3slm，氧气1.5slm，时间16min，炉管压力300mbar；
(7)回压冷却：温度650℃，通入氮气10Slm，时间5min，炉管压力1060mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
实施例4
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至920℃，同时炉管压力设定为80mbar，时间16min；
(4)吹扫：温度920℃，通入氮气，流量为7slm，通入时间7min，压力250mbar；
(5)抽真空：温度920℃，炉管压力设定为35mbar，时间7min；
(6)氧化：温度760℃，通入氮气3.5slm，氧气2slm，时间14min，炉管压力250mbar；
(7)回压冷却：温度650℃，通入氮气10Slm，时间5min，炉管压力1060mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
实施例5
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至950℃，同时炉管压力设定为90mbar，时间18min；
(4)吹扫：温度950℃，通入氮气，流量为6slm，通入时间6min，压力270mbar；
(5)抽真空：温度950℃，炉管压力设定为40mbar，时间6min；
(6)氧化：温度780℃，通入氮气4slm，氧气2.5slm，时间12min，炉管压力200mbar，；(7)回压冷却：温度650℃，通入氮气10Slm，时间5min，炉管压力1060mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
实施例6
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：炉管温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度升温至980℃，同时炉管压力设定为100mbar，时间20min；
(4)吹扫：温度980℃，通入氮气，流量为5slm，通入时间5min，压力100mbar；
(5)抽真空：温度980℃，炉管压力设定为50mbar，时间5min；
(6)氧化：温度700℃，通入氮气4slm，氧气3slm，时间10min，炉管压力100mbar；(7)回压冷却：温度600℃，通入氮气10Slm，时间10min，炉管压力1050mbar；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
对比例
(1)上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里，石英舟里每个卡齿插入2张硅片，硅片插入石英舟卡齿里时2张硅片刻蚀面背靠背贴在一起；
(2)进舟：温度720℃，将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：温度720℃，时间5-8min，常压；
(4)氧化：温度720℃，时间20-30min，氮气通入量10-15slm，氧气通入量4slm-6slm，常压；
(5)冷却：温度650℃，氮气通入量4-6slm，时间5-10min；
(6)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(7)下料：将石英舟的硅片进行卸片，完成热氧化工艺。
使用上述实施例1-6和对比例中的工艺方案，制备的双面电池片背面小白点不良比例其结果如表1所示：
表1.测试结果
| 编号 | 双面电池白点不良比例 |
| 实施例1 | 1.00％ |
| 实施例2 | 0.80％ |
| 实施例3 | 0.90％ |
| 实施例4 | 0.85％ |
| 实施例5 | 1.00％ |
| 实施例6 | 0.80％ |
| 对比例 | 7～10％ |
由上表可知，通过本发明的工艺设计高温吹扫烘烤与低压快速排空相结合，进行实施后，使双面电池背面小白点比例不良率由7～10％下降至1％以内，大幅提高了双面电池的良率；同时，由于小白点处是杂质的聚集处，复合较大，EL下电池片呈现黑点、黑斑状，使双面电池的存在失效的风险，通过发明工艺的使用，解决了因热氧化导致的EL下的黑点、黑斑，提高了双面电池的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (6)
1.一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）上料：将刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；所述石英舟内设有若干卡齿，所述卡齿内插入偶数张硅片，所述硅片的刻蚀面背靠背贴合；
（2）进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；炉管内的温度控制在700~750℃；
（3）升温：将炉管内温度升温至850~980℃，同时炉管内压力50~100mbar；
（4）吹扫：通入氮气，氮气流量为5~10slm，炉管内压力100~300mbar；
（5）抽真空：炉管内压力20~50mbar；
（6）氧化：降低温度至700~800℃，同时通入氮气2~4slm和氧气1~3slm进行氧化，炉管内压力100~400mbar；
（7）回压冷却：继续降温至600~650℃，通入氮气，炉管内压力1050~1060mbar；所述氮气的流量为8~15Slm；
（8）出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
（9）下料：将石英舟的硅片进行卸片，即完成变温变压热氧化工艺。
2.根据权利要求1所述的一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，步骤（3）中，升温时间控制在10~20min。
3.根据权利要求1所述的一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，步骤（4）中，所述氮气的通入时间5~10min。
4.根据权利要求1所述的一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，步骤（5）中，抽真空时间控制在5~10min。
5.根据权利要求1所述的一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，步骤（6）中，通气时间控制在10~20min。
6.根据权利要求1所述的一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，其特征在于，步骤（7）中，通气时间为3~8min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A variable temperature and pressure thermal oxidation process for improving small white spots in crystalline silicon double-sided batteries Effective date of registration: 20230522 Granted publication date: 20210820 Pledgee: Dongyang Branch of China Construction Bank Co.,Ltd. Pledgor: HENGDIAN GROUP DMEGC MAGNETICS Co.,Ltd. Registration number: Y2023330000949 |