CN110106493A - 利用管式pecvd设备制备背面钝化膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法，该方法包括以下步骤：将硅片置于管式PECVD设备中进行恒温处理、前处理、背面沉积AlOx膜、后处理、在AlOx膜上沉积第一SiNx膜、在第一SiNx膜上沉积第二SiNx膜，完成对背面钝化膜的制备。本发明方法通过利用管式PECVD设备并改良工艺流程和工艺参数即可实现PERC电池背面钝化膜的制备，不仅有利于提高旧产线或旧设备的利用率，同时还具有设备投资成本低、维护频率低、制备成本低等优点，且由此制得的太阳电池也具有较高的光电转换效率，对于实现PERC电池的广泛应用具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池工艺技术领域，涉及一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法。
背景技术
PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)，即钝化发射极和背面电池，最早在1983年由澳大利亚科学家Martin Green提出，目前已成为太阳能电池新一代的常规电池。PERC通过在电池的背面添加一个电介质钝化层，最大化跨越P-N结的电势梯度，有效减少硅片背面少数载流子复合速率，降低背面的发射率，增加长波段太阳光的吸收，使得电池效率有了大的提升；并且由于钝化层的介入，电池片的翘曲度也得到了一定的改善。PERC核心工艺——背面钝化膜的制备，直接影响背钝化效果的好坏。目前主流技术是在硅片背面制备AlOx/SiNx叠层结构，AlOx膜具有优异的背钝化效果，SiNx膜起到保护AlOx膜的作用。
现有背面钝化膜的制备方法主要有两种：一种是用板式PECVD设备一次性完成AlOx/SiNx叠层的制备；另一种是用ALD设备和管式PECVD分别完成AlOx膜和SiNx膜的制备。这些制备方法中存在的主要缺点有：1、板式PECVD设备昂贵，维护频率高，制造成本高，制备AlOx膜过程中所消耗的工艺气体多；2、ALD设备和管式PECVD设备的方式，需要两种设备，即两道工序，设备成本高，工艺复杂。
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，提供一种设备投资成本低、维护频率低、制备成本低的利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法，包括以下步骤：
S1、将硅片置于管式PECVD设备的炉管中，将炉管恒温至270℃～320℃；
S2、往管式PECVD设备的炉管中通入NH3，开启中频电源，对硅片进行前处理；
S3、往管式PECVD设备的炉管中通入N2O和三甲基铝，开启中频电源，在步骤S2中经前处理后的硅片背面沉积AlOx膜；
S4、将管式PECVD设备的炉管升温到420℃～470℃，同时在升温过程中通入NH3和N2O，开启中频电源，对步骤S3中沉积有AlOx膜的硅片进行后处理；
S5、往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤S4中经后处理后的AlOx膜上沉积第一SiNx膜；
S6、往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤S5中的第一SiNx膜上沉积第二SiNx膜，完成对背面钝化膜的制备。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述前处理的工艺条件为：NH3流量3500sccm～7000sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度270℃～320℃，中频功率4000W～8000W，时间15s～45s。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述沉积AlOx膜的工艺条件为：N2O流量3000sccm～8000sccm，三甲基铝流量0.5mg/min～1.5mg/min，炉管内压力200Pa～230Pa，温度270℃～320℃，中频功率4000W～8000W，时间60s～150s；所述三甲基铝经蒸发器从液态蒸发为气态，并由Ar携带进入管式PECVD设备的炉管中。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述AlOx膜的折射率为1.58～1.67；所述AlOx膜的厚度为10nm～25nm。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S4中，所述后处理的工艺条件为：NH3流量3000sccm～7000sccm，N2O流量2000sccm～6000sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，中频功率为4000W～8000W，时间150s～300s。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S5中，所述沉积第一SiNx膜的工艺条件为：NH3流量5000sccm～10000sccm，SiH4流量500sccm～1200sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度420℃～470℃，中频功率8000W～14000W，时间300s～500s。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S5中，所述第一SiNx膜的折射率为1.95～2.05；所述第一SiNx膜的厚度为30nm～50nm。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S6中，所述沉积第二SiNx膜的工艺条件为：NH3流量4000sccm～8000sccm，SiH4流量500sccm～1500sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度420℃～470℃，中频功率8000W～14000W，时间300s～700s。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S6中，所述第二SiNx膜的折射率为2.00～2.10；所述第二SiNx膜的厚度为30nm～70nm。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述硅片在进入管式PECVD设备之前还包括对硅片进行制绒、扩散、刻蚀清洗和氧化退火处理；
所述步骤S2中，所述通入NH3之前还包括对管式PECVD设备进行抽真空和检漏；
所述步骤S3中，所述通入N2O和三甲基铝之前还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；
所述步骤S4中，所述炉管进行升温之前还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法，通过利用管式PECVD设备并改良工艺流程和工艺参数即可实现PERC电池背面钝化膜的制备，不仅有利于提高旧产线或旧设备的利用率，同时还具有设备投资成本低、维护频率低、制备成本低等优点，且由此制得的太阳电池也具有较高的光电转换效率，对于实现PERC电池的广泛应用具有十分重要的意义。
具体实施方式
以下结合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。本发明的实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上试验的平均值。
实施例1：
一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法，包括以下步骤：
(1)将完成制绒、扩散、刻蚀清洗和氧化退火工序的P型硅片送入管式PECVD设备的炉管中，抽真空、恒温至温度为280℃、检漏工艺步骤。
(2)步骤(1)完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入NH3，开启中频电源，对硅片进行前处理。前处理的工艺条件为：NH3流量控制在5000sccm，炉管内压力210Pa，温度280℃，中频功率7000W。前处理的时间为30s。本发明中，在AlOx膜沉积前进行前处理，旨在清洁硅片表面、使硅片表面温度分布更为均匀，为AlOx膜沉积提供良好的衬底。
(3)步骤(2)完成后，对管式PECVD设备进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，清洁硅片表面。
(4)步骤(3)完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入N2O和TMA(三甲基铝)，开启中频电源，在步骤(2)中经前处理后的硅片背面沉积AlOx膜，其中AlOx膜的折射率为1.60，厚度为20nm。沉积AlOx膜的工艺条件为：N2O流量3500sccm，三甲基铝流量1.3mg/min，炉管内压力210Pa，温度280℃，中频功率7500W，时间为120s；三甲基铝经蒸发器从液态蒸发为气态，并由Ar携带进入管式PECVD设备的炉管中。本发明中，通过调整气体流量比、工艺时间以及中频功率等因素，将AlOx膜的折射率控制在1.58-1.67，膜厚控制10-25nm，同时改善AlOx晶体结构，提高钝化效果。
(5)步骤(4)完成后，对管式PECVD设备进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，清洁硅片表面。
(6)步骤(5)完成后，将管式PECVD设备的炉管升温至430℃，同时在升温过程中通入NH3和N2O，开启中频电源，对步骤(4)中沉积有AlOx膜的硅片进行后处理，其中后处理的工艺条件为：NH3流量3000sccm，N2O流量3500sccm，炉管内压力220Pa，中频功率4800W，处理时间200s。本发明中，在AlOx膜沉积后进行后处理，旨在为AlOx膜提供充足的H和O，合理匹配气体流量比、工艺时间以及中频功率等因素，修复硅片表面晶体缺陷，改善AlOx晶体结构，提高钝化效果。
(7)步骤(6)完成后，对管式PECVD设备进行抽真空，旨在抽空残余反应气体。
(8)步骤(7)完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤(6)中经后处理后的AlOx膜上沉积第一SiNx膜，其中第一SiNx膜的折射率为1.96，厚度为45nm。沉积第一SiNx膜的工艺条件为：NH3流量7800sccm，SiH4流量800sccm，炉管内压力220Pa，温度430℃，中频功率9500W，处理时间450s。本发明中，匹配气体流量比、工艺时间以及中频功率等因素，将SiNx膜的折射率控制在1.95-2.05，膜厚控制30-50nm，提高SiNx膜的保护作用，增加入射光吸收率。
(9)步骤(8)完成后，对管式PECVD设备进行抽真空，旨在抽空残余反应气体。
(10)步骤(9)完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤(8)中的第一SiNx膜上沉积第二SiNx膜，其中第二SiNx膜的折射率为2.03，厚度为60nm，完成对背面钝化膜(AlOx/SiNx叠层)的制备。沉积第二SiNx膜的工艺条件为：NH3流量6800sccm，SiH4流量1050sccm，炉管内压力220Pa，温度430℃，中频功率13000W，处理时间600s。本发明中，匹配气体流量比、工艺时间以及中频功率等因素，将SiNx膜的折射率控制在2.00-2.10，膜厚控制30-70nm，提高SiNx膜的保护作用，增加入射光吸收率。
将制备有背面钝化膜直白的硅片进过正面膜沉积、丝网印刷、烧结形成电池，进行电性能测试。与利用板式PECVD设备完成背面钝化制备的电池片(由现有生产线正常生产)的测试结果进行对比，结果如表1所示。
表1管式PECVD设备与板式PECVD设备制得的电池片的电性能数据对比
| 设备 | Uoc | Isc | Rser | Rshunt | FF | Eta |
| 管式PECVD | 0.6740 | 9.7616 | 0.00109 | 611.082 | 82.30 | 22.16 |
| 板式PECVD | 0.6740 | 9.7456 | 0.00105 | 804.362 | 82.35 | 22.14 |
由表1可知，直接表征钝化效果的电池开路电压Uoc以及最终的电池效率数据显示管式PECVD制备的背面钝化膜已经达到了板式PECVD制备所得背面钝化膜同等水平的钝化效果。
对比两种设备的投资成本，维护频率和TMA耗气量数据如下表2所示。
表2管式PECVD设备与板式PECVD设备投资成本、维护频率和TMA耗气量对比
| 设备 | 投资成本 | 维护频率 | 稼动率 | TMA耗量 |
| 管式PECVD | 72％ | 60天 | 98％ | 5～7mg/片 |
| 板式PECVD | 100％ | 10天 | 92％ | 7～9mg/片 |
由表2可知，本发明方法具有设备投资成本低、维护频率低、制备成本低等优点，对于实现PERC电池的广泛应用具有十分重要的意义。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用管式PECVD设备制备背面钝化膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将硅片置于管式PECVD设备的炉管中，将炉管恒温至270℃～320℃；
S2、往管式PECVD设备的炉管中通入NH3，开启中频电源，对硅片进行前处理；
S3、往管式PECVD设备的炉管中通入N2O和三甲基铝，开启中频电源，在步骤S2中经前处理后的硅片背面沉积AlOx膜；
S4、将管式PECVD设备的炉管升温到420℃～470℃，同时在升温过程中通入NH3和N2O，开启中频电源，对步骤S3中沉积有AlOx膜的硅片进行后处理；
S5、往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤S4中经后处理后的AlOx膜上沉积第一SiNx膜；
S6、往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，开启中频电源，在步骤S5中的第一SiNx膜上沉积第二SiNx膜，完成对背面钝化膜的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述前处理的工艺条件为：NH3流量3500sccm～7000sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度270℃～320℃，中频功率4000W～8000W，时间15s～45s。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述沉积AlOx膜的工艺条件为：N2O流量3000sccm～8000sccm，三甲基铝流量0.5mg/min～1.5mg/min，炉管内压力200Pa～230Pa，温度270℃～320℃，中频功率4000W～8000W，时间60s～150s；所述三甲基铝经蒸发器从液态蒸发为气态，并由Ar携带进入管式PECVD设备的炉管中。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述AlOx膜的折射率为1.58～1.67；所述AlOx膜的厚度为10nm～25nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述后处理的工艺条件为：NH3流量3000sccm～7000sccm，N2O流量2000sccm～6000sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，中频功率为4000W～8000W，时间150s～300s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述沉积第一SiNx膜的工艺条件为：NH3流量5000sccm～10000sccm，SiH4流量500sccm～1200sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度420℃～470℃，中频功率8000W～14000W，时间300s～500s。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述第一SiNx膜的折射率为1.95～2.05；所述第一SiNx膜的厚度为30nm～50nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述沉积第二SiNx膜的工艺条件为：NH3流量4000sccm～8000sccm，SiH4流量500sccm～1500sccm，炉管内压力200Pa～230Pa，温度420℃～470℃，中频功率8000W～14000W，时间300s～700s。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述第二SiNx膜的折射率为2.00～2.10；所述第二SiNx膜的厚度为30nm～70nm。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述硅片在进入管式PECVD设备之前还包括对硅片进行制绒、扩散、刻蚀清洗和氧化退火处理；
所述步骤S2中，所述通入NH3之前还包括对管式PECVD设备进行抽真空和检漏；
所述步骤S3中，所述通入N2O和三甲基铝之前还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；
所述步骤S4中，所述炉管进行升温之前还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空。
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