CN109935640B

CN109935640B - 一种晶体硅太阳能电池的镀膜方法

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Publication number: CN109935640B
Application number: CN201910261761.5A
Authority: CN
Inventors: 张鹤; 王亨; 张良俊; 韩方虎; 姚良
Original assignee: Jiangsu Leadmicro Nano Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Leadmicro Nano Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: CN109935640A

Abstract

本发明公开一种晶体硅太阳能电池的镀膜方法，属于太阳能电池材料领域，采用硅源和惰性气体的混合物在等离子体作用下进行，反应的压力为30Pa～1000Pa、反应温度为50℃～650℃、其中硅源与惰性气体气体的流量比为0.05～1:2.5～50的方法进行沉积薄膜，该方法可以获得镀有硅基薄膜均匀度高且无任何绕镀的高效电池，节省硅源使用量、采用多电极PECVD系统这样一种低成本的制备系统，在保障镀膜均匀度达到现有标准的情况下，实现了利用成本低的设备批量生产镀膜的有益效果。

Description

一种晶体硅太阳能电池的镀膜方法

技术领域

本发明属于晶体硅太阳能电池领域，特别涉及一种晶体硅太阳能电池的镀膜方法。

背景技术

采用批次管式等离子体化学气相沉积(PECVD)系统沉积氮化硅薄膜作抗反射层和钝化层，已经成为晶体硅太阳电池大规模生产制造技术的标准工艺技术，目前已经被广泛地应用。相比链式的板式PECVD技术，管式PECVD的优点是设备成本价格低廉，维护和修理简单方便，因此可以降低太阳能电池的制备成本。

在新一代的高效电池中，载流子选择钝化电极结构，比如隧穿氧化钝化电极(tunnel oxide passivating contact，TOPCon)电池和硅异质结(siliconheterojunction，SHJ或HJT)电池都需要采用硅基薄膜作为功能层。目前，实验室中往往采用低压化学气相沉积LPCVD或者采用多电极PECVD的方案来沉积硅基薄膜。但LPCVD沉积法存在使用的高温(600度以上)工艺可能对衬底硅片有伤害，如激活内部杂质从而降低硅片质量，以及在硅片的两面都会沉积硅基薄膜，以致在不需要硅基薄膜的一侧需要增加一个工艺来去除硅基薄膜的问题。板式PECVD除了设备造价高、不易维护外，硅基薄膜厚度的面积均匀性的实现的难度也非常大。虽然，管式PECVD的设备成本低，还可批量制备硅基薄膜，但是制备的硅基薄膜的不均匀度非常高，而且有绕镀发生，即在非镀膜面生长了一定厚度的薄膜。

现有在批量型管式PECVD系统中制备氮化硅薄膜比较成熟的方法是采用硅源(SiH₄)和氨气(NH₃)，当需要制备硅基薄膜时，以非晶硅薄膜为例说明，人们往往只是去掉氨气而仅用硅源来沉积。理论上，对于管式PECVD反应腔体，一定存在最优的工艺压力、反应气流量和电极间距最佳的工艺条件。当电极间距和工艺压力不变时，反应气体流量具有最优值。当硅源流量较低时，非晶硅薄膜的厚度均匀性非常差，而且存在非常严重的绕镀，无法适应新型太阳电池比如HJT和TOPCon的使用。当硅源流量较大时，厚度均匀性问题和绕镀虽然得到一定改善，但是硅源的耗量非常大，显著增加了非晶硅的制备成本。

CN106981541A公开了一种晶体硅太阳能电池的镀膜工艺，采用硼氢烷和惰性气体的混合气对基材施加负压，进行溅射镀膜，作用是改善晶体硅太阳能电池的光电转换率。

CN101246925A公开了改进非晶硅太阳能电池稳定性的方法，其采用的是硅源和氢气的混合气体进行沉积镀膜，解决的是减小电池的光致衰退，增强电池的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种新的方法可以在廉价的多电极PECVD系统中实现厚度均匀且无绕镀的硅基薄膜，为TOPCon和HJT新型高效电池的大规模产业化发展铺平道路。具体的指晶体硅在管式PECVD系统中镀硅基薄膜过程中，只采用硅源、惰性气体及等离子体，通过控制反应的压力在30Pa～1000Pa、反应温度在50℃～650℃。

惰性气体可以为如氩气、氦气、氖气等其中的任一种，硅源为SiH₄、Si₂H₆、SiHCl₃、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl、SiH(NH₂)₃中的至少一种，其中硅源与惰性气体的流量比例为0.05～1:2.5～50。优选的，硅源流量在0.1～5SLM(Standard Liter per Minute)、惰性气体的流量范围在1～20SLM。

等离子体的馈入功率在3kW～20kW，根据具体载具形态所要求对应的功率密度(馈入功率/电极面积)为352mW/cm²来完成镀膜。

进一步的，所述沉积反应中还掺杂有硅源流量0.5％-5％的PH₃、B₂H₆、B(CH₃)₃。

所述多电极PECVD系统为管式PECVD系统。

具体步骤如下：

(1)加热装置在炉体外侧，包围炉体，通过对流方式对载具及其硅片进行加热；

(2)承载硅片的舟采用导电性材料，同时作为产生等离子体的电极板，两个电极交替排列，每舟硅片承载量根据舟的实际尺寸从50片到500片不等，结构等如图2所示。

(3)反应气体(即硅源和惰性气体等)的进气方式是从反应腔一端(一般为炉门端)进入腔体，再由真空泵在反应腔另一端抽出腔体。反应气体的流动方式是从一端流向另一端。与载具中硅片的方向平行。

(4)反应气体进入腔体的质量，由进入腔体前通气管上的质量流量计来控制。

(5)等离子体起辉时和镀膜的工作压力，由真空泵和炉体之间的蝶阀通过调整开度来控制。

本发明的有益效果为：

可以获得镀有硅基薄膜均匀度高且无任何绕镀的高效电池，为HJT和TOPCon电池等提供所需材料、节省硅源使用量、采用管式PECVD系统这样一种低成本的制备系统，极大地降低高效晶硅薄膜的制备成本。

附图说明

图1为所用管式PECVD系统的基本结构示意图。

图2为管式PECVD系统反应腔体的横截面图。

图3为炉内各个位置硅片的厚度平均值。

A为靠近路门的进气端，F为靠近真空泵的炉尾端。

图4为实施例1的A，C和E三个位置的45点测量数据。

图5实施例2的A，C和E三个位置的45点测量数据。

1真空泵；2蝶阀；3硅片舟载具；4加热装置；5反应炉管；6炉门；7等离子电源；8阀；9流量计；10气源瓶；11硅片；12等离子体电极板；A-F是炉内放置硅片的位置。

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、完整的描述，但所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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任何创造性劳动的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。

如图1所示，采用管式PECVD设备，在其反应炉管5中，从炉门到炉尾设置6个位置，分别记为A、B、C、D、E、F。根据硅片舟载具3的实际尺寸，将每舟硅片承重量设置为50～500片。

承载硅片的舟3采用导电性材料，可以作为产生等离子体的电极板，与等离子体电极板12交替排列。将硅片进行前期处理后，从炉门6放入反应炉3的相应位置上。

通过真空泵1和蝶阀2来调节反应炉5内的压力。在反应前，进行抽真空的方式设置反应压力在30～1000pa，在反应炉体外侧周围，设置加热装置4，加热装置将炉体包围，通过对流方式对硅片舟载具3及其硅片11进行加热，加热温度为50℃～650℃

待条件稳定后，通入硅源和惰性两种反应气体，惰性气体可以为如氩气、氦气、氖气等其中的任一种，硅源为SiH₄、SiF₄、Si₂H₆、SiHCl₃中的一种或混合，其中硅源的流量范围为0.1-5SLM，惰性气体的流量范围为1～20SLM，每种气体单独放置在气源瓶10中，气体的通入流量通过流量计9及阀8控制。反应气体(即硅源和惰性气体等)的进气方式是从反应腔一端(一般为炉门6端)进入腔体，再由真空泵在反应腔另一端抽出腔体。反应气体的流动方式是从一端流向另一端，与硅片舟载具中硅片的方向平行。

等离子体是硅源与惰性气体电离后的等离子体，需要通入等离子体时，打开等离子体电源7，等离子体的馈入功率为3-20kw来完成镀膜。等离子体电源7与反应炉管5内的具导电性能的硅片舟载具3相连，通入打开等离子体电源7，承载硅片的舟3与等离子体电极板12交替排列。

待硅片中非晶硅膜反应沉积一定时间后，停止反应，取出镀有非晶硅薄膜的硅片，其中反应的时间根据所需镀膜厚度而定，反应时间越长，其镀膜厚度越厚。待反应结束后，检测晶硅上的镀膜面积的厚度均匀度。

主要通过采用抛光硅片测试A位至F位，计算居于各位置中心的一片硅片的厚度值，包括片内不均匀度和片间不均匀度。

硅片为156.75mm见方的单晶硅片，测量A位至F位每个硅片表面的中心点，测量A，C，E硅片上均匀分布的45个点；

其片内不均匀度计算方法为：片内不均匀度＝(厚度最大值-厚度最小值)/2×厚度的片内算术平均值；

而片间不均匀度计算方法为：片间不均匀度＝(厚度片内中心值中最大值-厚度片内中心值中最小值)/2×厚度片内中心算术平均值。

测各个炉内各个位置的硅片片内平均值分布，测量A，C和E三个位置的片内不均匀度分别为4.2～4.9％，3.3～3.8％和2.4～4.7％。由于我们测量设备的特点，对于单片测不均匀度会采点近100个，所以每一个点的数据不一定有，所以只能有一个结果，选取A/C/E也只是因为测单片采点过多时间太长，所以只抽取3片测试片内不均匀度。片间不均匀度一般测中心点一个点，所以6片之间的不均匀度可以得到。由于饶镀到硅片背面会导致样品背面存在明显色差，实验结果表明，所有硅片的镀膜面的背面外观没有任何绕镀产生，以椭偏仪测试背面也未测试到薄膜。

现有的板PECVD设备在产线上的镀膜不均匀度水准在6％～15％。本发明利用管式PECVD，进行硅片的批量镀膜，其中硅片膜面积的片间不均匀度为3.61～5.56％，片内不均匀度为2.4～4.9％，镀膜均匀性优良，即在保障镀膜均匀度达到现有标准的情况下，实现了利用成本低的设备批量生产镀膜的有益效果。

实施例1

以可承载240片硅片的石墨舟载具为基础，反应炉管内径380mm，长度2110mm。从炉门到炉尾工6个位置，分别记为A位，B位，C位，D位，E位，F位，每个位置并列40片硅25320片，硅片为156.75mm见方的单晶硅片。

通过加热装置4对反应炉5进行加热，使反应温度，达到450℃；打开阀门8，同时打开真空泵1和蝶阀2，通入硅源反应气和惰性气体共同通入反应炉5，SiH₄流量0.77SLM，所用惰性气体Ar流量为6SLM，蝶阀控制工艺压力，待压力稳定为210Pa时，打开等离子电源7，设置等离子体的功率设置为8kW，占空比6/54，此时开始沉积非晶硅薄膜，反应为10min。

通过采用抛光硅片测试A位至F位，计算居于各位置中心的一片硅片的厚度均匀值，包括片内不均匀度和片间不均匀度。测量A位至F位每个硅片表面的中心点，测量A，C，E硅片上均匀分布的45个点，采用椭偏仪测量膜厚，不均匀性≦10％即为较好，且越小越好。

测得炉内各个位置的硅片镀膜厚度为如图3所示，A为79.44、B为84.37、C为87.65、D为87.69、E为87.39、F为89.16，代入公式计算得其片间不均匀度为5.65％；而测量A，C和E三个位置的片内不均匀度分别为4.8％，3.5％和2.4％，且所有硅片的镀膜面的背面没有任何绕镀产生，A，C和E三个位置的45点测量数据如图4。

实施例2

以可承载240片硅片的石墨舟载具为基础，反应炉管内径380mm，长度2110mm。从炉门到炉尾工6个位置，分别记为A位，B位，C位，D位，E位，F位，每个位置并列40片硅片，硅片为156.75mm见方的单晶硅片。

通过加热装置4对反应炉5进行加热，使反应温度，达到450℃；打开阀门8，同时打开真空泵1和蝶阀2，通入硅源反应气和惰性气体共同通入反应炉5，SiH₄流量1SLM，所用惰性气体Ar流量为6SLM，蝶阀控制工艺压力，待压力稳定为210Pa时，打开等离子电源7，设置等离子体的功率设置为8kW，占空比6/56，此时开始沉积非晶硅薄膜，反应为10min。

测得炉内各个位置的硅片镀膜厚度为如图3所示，A为72.87、B为71.53、C为73.95、D为75.85、E为74.53、F为76.84，代入公式计算得其片间不均匀度为3.61％；而测量A，C和E三个位置的片内不均匀度分别为4.69％，2.93％和4.62％，且所有硅片的镀膜面的背面没有任何绕镀产生，A，C和E三个位置的45点测量数据如图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种晶体硅太阳能电池的镀膜方法，利用多电极PECVD系统沉积硅基薄膜，沉积反应为硅源气体和惰性气体在等离子体作用下反应，反应的压力为30Pa～1000Pa、反应温度为50℃～650℃、其中硅源与惰性气体的流量比范围为0.05～1:2.5～50；所述等离子体的馈入功率为3kW～20kW；其特征在于，

所述硅源为SiH₄、Si₂H₆、SiHCl₃、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl、SiH(NH₂)₃中的至少一种；

所述硅源气体流量范围在0.77～1SLM、惰性气体的流量范围在6SLM；

所述的惰性气体为Ar、He、Ne中的任一种。

2.根据权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，所述多电极PECVD系统为管式PECVD系统。