CN110335901B - 光伏电池表面钝化系统及钝化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏电池表面钝化系统及钝化方法，其中，所述光伏电池表面钝化系统至少包括多功能PECVD设备、退火炉及PEALD设备，退火炉位于多功能PECVD工序之后，退火炉和多功能PECVD设备的工艺腔室均与同一对应的石墨舟匹配，石墨舟载有硅片在退火炉和多功能PECVD设备之间整体传送，所述多功能PECVD设备对硅片的背面镀氧化硅膜、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400～600℃，所述退火炉将镀膜后的硅片加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层，然后降温至400～600℃；所述PEALD设备对硅片的正面镀氧化铝膜和氮化硅膜。本发明简化设备整体结构和现有工序步骤，省去清洗刻蚀工序，降低对硅片正面镀膜的不利影响，使操作更加便捷，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池钝化技术领域，尤其是一种涉及超薄的可隧穿的氧化层和高掺杂的多晶硅薄层的光伏电池表面钝化系统及钝化方法。
背景技术
太阳能光伏电池是一种把太阳的光能直接转化为电能的新型电池。目前通常使用的是以硅为基底的硅光伏电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅光伏电池。目前光伏电池较为成熟的钝化膜材料包括氧化铝（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiOxNy）、氮化硅（SixNy）等。TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact，隧穿氧化钝化接触)作为一种新型钝化技术，多应用于N型晶体硅太阳能电池，其特点是在硅片的背面镀氧化硅（SiO2）膜和多晶硅层（poly-silicon）并对多晶硅层进行掺杂处理，在硅片的正面镀氧化铝（Al2O3）膜和氮化硅（SixNy）膜等。现有的TOPCon电池技术的工艺流程可归纳为：1.清洗制绒；2.硼扩散；3.刻蚀；4.硅片背面镀氧化硅膜和多晶硅层并掺杂处理；5.清洗刻蚀；6.硅片正面镀氧化铝膜和氮化硅膜；7.金属化等。
TOPCon对硅片背面镀膜工艺通常采用以下技术：1、利用LPCVD设备镀氧化硅膜+多晶硅层，并对多晶硅层掺杂处理。2、利用LPCVD设备镀氧化硅膜+多晶硅层，利用扩散掺杂工艺对多晶硅层掺杂处理。3、利用LPCVD设备镀氧化硅膜+多晶硅层，利用离子注入工艺对多晶硅层掺杂处理。由于LPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积）在工作时会同时对硅片的背面和正面进行沉积，在完成对背面镀膜后，需要对硅片正面和侧面进行清洗刻蚀，去除硅片正面的沉积层，使硅片的正面保持洁净，之后再对硅片的正面用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）或其他设备进行镀膜。现有技术利用LPCVD进行镀膜时对硅片的正面是“先镀后洗再镀”，这样工序繁琐，费时费力，生产成本高，生产效率低。如果在清洗刻蚀中出现偏差，会导致硅片的成品率下降。
TOPCon对硅片正面镀膜工艺通常采用以下技术：ALD+管式PECVD或者二合一管式PECVD。其中，ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）用于氧化铝的原子层沉积，管式PECVD用于氮化硅、氧化硅等的等离子体增强化学气相沉积，二合一管式PECVD可以在同一反应腔内对硅片表面镀氧化铝和氮化硅膜（或其他钝化薄膜）。“管式PECVD”是指采用石英管或其他材料作为沉积腔室，使用电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积，硅片在沉积腔室中不移动的一种PECVD设备。
现有技术采用ALD+管式PECVD设备时硅片需要在不同设备之间转移，造成生产工序繁琐、生产效率低、人工劳动量大、设备占用场地大，而且，在移动硅片的过程中容易造成硅片破损，降低成品率。采用二合一管式PECVD时通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD方式）对硅片镀氧化铝膜，氧化铝膜的厚度控制难度高，对工艺要求高且生产效率低，无法达到ALD中实现氧化铝一层一层的效果。
发明内容
本申请人针对上述现有TOPCon电池表面钝化技术存在的工序繁琐、费时费力、生产成本高、生产效率低、不成品风险高等缺点，提供了一种结构合理的光伏电池表面钝化系统及钝化方法，对于硅片背面能够用在同一腔室内沉积多种薄膜的多功能PECVD+退火炉升降温的工艺代替现有的LPCVD+清洗刻蚀的工艺实现对硅片背面的单独沉积；对于硅片正面能够通过PEALD设备先后实现沉积氧化铝、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅薄膜或其中某几种薄膜的镀膜工艺，简化设备整体结构和现有工序步骤，省去清洗刻蚀工序，降低对硅片正面镀膜的不利影响，使操作更加便捷，提高生产效率，降低生产成本。
本发明所采用的技术方案如下：
一种光伏电池表面钝化系统，至少包括多功能PECVD设备、退火炉及PEALD设备，退火炉位于多功能PECVD工序之后，退火炉和多功能PECVD设备的工艺腔室均与同一对应的石墨舟匹配，石墨舟载有硅片在退火炉和多功能PECVD设备之间整体传送，所述多功能PECVD设备对硅片的背面镀氧化硅膜、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400～600℃，所述退火炉将镀膜后的硅片加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层，然后降温至400～600℃；所述PEALD设备对硅片的正面镀氧化铝膜和氮化硅膜。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述PEALD设备具有一个主机室，主机室内的工艺腔室一端通过炉口法兰与腔室盖紧密连接，另一端与外部的尾气处理装置连通，工艺腔室的壁层结构是保护套管及石英衬管，或者是保护套管、石英管及石英衬管，在工艺腔室的端部设置有TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口，五个进气口均通入工艺腔室。
工艺腔室的内壁为石英衬管，在石英衬管外周沿轴向套设保护套管或者石英管及保护套管，保护套管外部为加热炉体。
保护套管为耐高温金属管。
TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口分布在工艺腔室的一端或两端上，或者由工艺腔室端部的气管延伸到工艺腔室的中部。
所述PEALD设备设置在退火炉工序之后或者多功能PECVD工序之后、退火炉工序之前。
一种光伏电池表面钝化方法，至少包括以下步骤：
步骤101，对硅片依次进行清洗制绒、硼扩散、刻蚀工艺处理；
步骤102，利用多功能PECVD设备对硅片的背面镀氧化硅膜、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400～600℃；
步骤103，利用退火炉将镀膜后的硅片加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层，然后降温至400～600℃；
步骤104，利用PEALD设备对硅片的正面镀氧化铝膜和氮化硅膜。
一种光伏电池表面钝化方法，至少包括以下步骤：
步骤201，对硅片依次进行清洗制绒、硼扩散、刻蚀工艺处理；
步骤202，利用多功能PECVD设备对硅片的背面镀氧化硅膜、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400～600℃；
步骤203，利用PEALD设备对硅片的正面镀氧化铝膜和氮化硅膜；
步骤204，利用退火炉将镀膜后的硅片加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层，然后降温至400～600℃。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述PEALD设备具有一个主机室，主机室内的工艺腔室一端通过炉口法兰与腔室盖紧密连接，另一端与外部的尾气处理装置连通，工艺腔室的壁层结构是保护套管及石英衬管，或者是保护套管、石英管及石英衬管，在工艺腔室的端部设置有TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口，五个进气口均通入工艺腔室。
工艺腔室的内壁为石英衬管，在石英衬管外周沿轴向套设保护套管或者石英管及保护套管，保护套管外部为加热炉体。
本发明的有益效果如下：
本发明利用多功能PECVD+退火炉的工艺代替现有的LPCVD+清洗刻蚀的工艺实现对硅片背面的单独沉积，多功能PECVD设备在沉积时不会对硅片的正面发生作用，解决了现有技术中对硅片正面的“先镀后洗再镀”的弊端，本发明采取多功能PECVD设备配合退火炉工艺，简化了现有工序步骤，省去清洗刻蚀工序，减少对硅片正面的多次处理，降低由此引起对硅片正面镀膜的不利影响。同时，此工艺与“先镀后洗”相比更加容易实现，提高了生产效率，降低生产成本。本发明利用退火炉工艺将非晶硅层加热转化为多晶硅层，使本发明的多功能PECVD设备具备LPCVD的相似工艺效果，以此解决LPCVD设备在TOPCon电池表面钝化中存在的缺陷，另辟蹊径，具有明显的技术创新。
本发明通过PEALD设备在工艺腔室内分时段先后实现氧化铝、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等多层钝化膜或其中某几种薄膜的镀膜工艺，简化现有技术的多机设备或多腔室结构，降低生产成本，使操作更加便捷，提高生产效率。本发明采用的工艺腔室的壁层结构是保护套管及石英衬管，或者是保护套管、石英管及石英衬管。当设备通入TMA气体镀氧化铝膜时，保护套管可防止石英衬管或石英管发生破裂，导致有毒的TMA及尾气泄漏造成污染和危险，提高设备兼容后的安全性。本发明在炉口法兰上集成有TMA（三甲胺）进气口、笑气（N2O）进气口、硅烷（SiH4）进气口、氨气（NH3）进气口、氮气（N2）进气口等五个进气口，既便于通过各自气源的气路控制通气，又不会对工艺腔室的整体结构造成破坏性影响，降低设备的改进成本。
附图说明
图1为TOPCon电池表面钝化结构的示意图。
图2为本发明PEALD设备的示意图。
图3为本发明PEALD工艺腔室的示意图。
图4为本发明一种光伏电池表面钝化方法的流程图。
图5为本发明另一种光伏电池表面钝化方法的流程图。
图中：1、硅片；2、氧化硅膜；3、多晶硅层；4、氧化铝膜；5、氮化硅膜；6、工艺腔室；7、石英衬管；8、金属管；9、炉体；10、腔室盖；11、炉口法兰。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
在本专利中，所述的“多功能PECVD”是指在可以同一腔室中沉积可隧穿的氧化层、非晶硅层、氮化硅层等的PECVD设备，在本专利中用于对TOPCon电池的硅片1背面沉积。所述的“PEALD” 是指可以在同一腔室中沉积氧化铝、氧化硅、氮氧化硅和氮化硅中全部或任意一种薄膜的PEALD设备，本专利中PEALD设备用于对TOPCon电池的硅片1正面沉积。
参照图1所示，本发明所述的光伏电池表面钝化系统至少包括多功能PECVD设备、退火炉及PEALD设备，退火炉位于多功能PECVD工序之后、PEALD工序之前，退火炉和多功能PECVD设备的工艺腔室6均与同一对应的石墨舟匹配，石墨舟载有硅片1在退火炉和多功能PECVD设备之间整体传送。所述多功能PECVD设备对硅片1的背面镀氧化硅膜2、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃，优选为450℃。退火炉将镀膜后的硅片1加热至600℃以上，优选为600~1000℃，使非晶硅层转化为多晶硅层3，然后降温至400~600℃。在升降温工序之后设有沉积氧化铝膜4和氮化硅膜5的PEALD设备，对硅片1的正面镀氧化铝膜4和氮化硅膜5。对于双面TOPCon电池技术还需要在硅片1的背面镀氮化硅膜，使用的设备可以是多功能PECVD或其他设备，硅片1背面镀氮化硅膜可以发生在所述升降温工序之前或者之后。
作为一种变化，所述PEALD设备还可以设置在多功能PECVD工序之后、退火炉工序之前，对硅片1的正面镀氧化铝膜4和氮化硅膜5。
如图2和图3所示，所述PEALD设备具有一个主机室，主机室内至少具有一个工艺腔室6，工艺腔室6一端通过炉口法兰11与腔室盖10紧密连接，另一端与外部的尾气处理装置连通。工艺腔室6的内壁为石英衬管7，石英衬管7的外周沿轴向套设保护套管，保护套管外部为加热炉体9。保护套管可以是金属管8，保护套管选用不锈钢材料如310钢材或其他材料。本发明还可以在金属管8与石英衬管7之间沿轴向套设石英管，即工艺腔室6的壁层结构是金属管8及石英衬管7，或者是金属管8、石英管及石英衬管7。保护套管的一端部与炉口法兰11密封连接。本发明设置保护套管的目的是当设备通入TMA（三甲胺）气体镀氧化铝膜4时，防止石英衬管7或石英管发生破裂，导致有毒的TMA及尾气泄漏造成污染和危险。
为了先后实现氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅（SiOxNy）、氮化硅(SixNy)的沉积工艺，在炉口法兰11上集成有TMA（三甲胺）进气口、笑气（N2O）进气口、硅烷（SiH4）进气口、氨气（NH3）进气口、氮气（N2）进气口等五个进气口，分别与外部的TMA气源、笑气气源、硅烷气源、氨气气源和氮气气源通过气路对应连通并由控制阀控制开闭，五个进气口均通入工艺腔室6。工艺腔室6对放入其中的硅片1加热，发生不同的沉积反应，对硅片1先后进行多层镀钝化膜反应。此外，TMA（三甲胺）进气口、笑气（N2O）进气口、硅烷（SiH4）进气口、氨气（NH3）进气口、氮气（N2）进气口五个进气口还可以分布在工艺腔室6的一端或两端上，或者由工艺腔室6端部的气管延伸到工艺腔室6的中部。所述五个进气口在通入工艺腔室6前可以自由组成合并管路，并由对应的控制阀选择性通气。
所述PEALD设备在工作时，先打开主机室中工艺腔室6的腔室盖10，在工艺腔室6内放入装有硅片1的石墨舟，关闭腔室盖10使工艺腔室6保持密封。通过TMA进气口通入TMA气体，通过笑气进气口通入笑气，使用氮气吹扫后在反应温度下使用PE激发在硅片1表面镀氧化铝钝化膜。然后对工艺腔室6进行氮气吹扫并抽真空，通过硅烷进气口通入硅烷，通过笑气进气口通入笑气，在反应温度下在硅片1表面镀氧化硅或氮氧化硅钝化膜。最后再对工艺腔室6进行氮气吹扫并抽真空，通过硅烷进气口通入硅烷，通过氨气进气口通入氨气，在反应温度下在硅片1表面镀氮化硅钝化膜。通过三次通入不同气体及对应反应条件实现氧化铝、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等多层钝化膜的镀膜工艺。由于镀氧化铝膜4的温度变化是常温至200℃，镀氧化硅、氮化硅膜5的温度变化是常温至500℃，因此，所述PEALD设备可以充分利用升温过程先镀氧化铝膜4再镀氧化硅、氮化硅膜5，节省能源，降低成本消耗。
如图4所示，本发明所述的一种光伏电池表面钝化方法，至少包括以下步骤：
步骤101，对硅片1依次利用清洗制绒机进行清洗制绒、利用扩散炉进行硼扩散、利用蚀刻机进行刻蚀等工艺处理。
步骤102，利用多功能PECVD设备对硅片1的背面镀氧化硅膜2、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃，优选为450℃。
步骤103，利用退火炉将镀膜后的硅片1加热至600℃以上，优选为600~1000℃，使非晶硅层转化为多晶硅层3，然后降温至400~600℃。
步骤104，利用PEALD设备对硅片1的正面镀氧化铝膜4和氮化硅膜5。
需要说明的是，对于双面TOPCon电池技术还需要在硅片1的背面镀氮化硅膜，使用的设备可以是多功能PECVD设备、普通型PECVD设备或其他设备，对硅片1背面镀氮化硅膜可以发生在所述步骤103之前或者之后。
步骤101是TOPCon电池钝化的常规工序，本实施例不再赘述。
步骤102结束后，可以对硅片1进行清洗处理，保证硅片1的表面清洁，确保生产的精确率，是否需要清洗处理可视情况而定。
如图5所示，本发明所述的另一种光伏电池表面钝化方法，至少包括以下步骤：
步骤201，对硅片1依次进行清洗制绒、硼扩散、刻蚀等工艺处理。
步骤202，利用多功能PECVD设备对硅片1的背面镀氧化硅膜2、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃，优选为450℃。
其中，对于双面TOPCon电池技术还需要在硅片1的背面镀氮化硅膜，而单面TOPCon电池技术则不需要。
步骤203，利用PEALD设备对硅片1的正面镀氧化铝膜4和氮化硅膜5。
步骤204，利用退火炉将镀膜后的硅片1加热至600℃以上，优选为600℃，使非晶硅层转化为多晶硅层3，然后降温至400~600℃。
本发明利用多功能PECVD设备对硅片1背面进行单独沉积，再利用位于多功能PECVD工序之后的退火炉将非晶硅层加热转化为多晶硅层3，实现LPCVD设备的相似工艺效果，替换对硅片1正面的“先镀后洗再镀”的工艺，简化工艺流程，使生产工艺更加便捷。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种光伏电池表面钝化系统，其特征在于：至少包括多功能PECVD设备、退火炉及PEALD设备，退火炉位于多功能PECVD工序之后，退火炉和多功能PECVD设备的工艺腔室（6）均与同一对应的石墨舟匹配，石墨舟载有硅片（1）在退火炉和多功能PECVD设备之间整体传送，所述多功能PECVD设备对硅片（1）的背面镀氧化硅膜（2）、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃，所述退火炉将镀膜后的硅片（1）加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层（3），然后降温至400~600℃；所述PEALD设备对硅片（1）的正面镀氧化铝膜（4）和氮化硅膜（5）。
2.根据权利要求1所述的光伏电池表面钝化系统，其特征在于：所述PEALD设备具有一个主机室，主机室内的工艺腔室（6）一端通过炉口法兰（11）与腔室盖（10）紧密连接，另一端与外部的尾气处理装置连通，工艺腔室（6）的壁层结构是保护套管及石英衬管（7），或者是保护套管、石英管及石英衬管（7），在工艺腔室（6）的端部设置有TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口，五个进气口均通入工艺腔室（6）。
3.根据权利要求2所述的光伏电池表面钝化系统，其特征在于：工艺腔室（6）的内壁为石英衬管（7），在石英衬管（7）外周沿轴向套设保护套管或者石英管及保护套管，保护套管外部为加热炉体（9）。
4.根据权利要求2所述的光伏电池表面钝化系统，其特征在于：保护套管为耐高温金属管（8）。
5.根据权利要求2所述的光伏电池表面钝化系统，其特征在于：TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口分布在工艺腔室（6）的一端或两端上，或者由工艺腔室（6）端部的气管延伸到工艺腔室（6）的中部。
6.根据权利要求1所述的光伏电池表面钝化系统，其特征在于：所述PEALD设备设置在退火炉工序之后或者多功能PECVD工序之后、退火炉工序之前。
7.一种使用权利要求1所述光伏电池表面钝化系统的光伏电池表面钝化方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤101，对硅片（1）依次进行清洗制绒、硼扩散、刻蚀工艺处理；
步骤102，利用多功能PECVD设备对硅片（1）的背面镀氧化硅膜（2）、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃；
步骤103，利用退火炉将镀膜后的硅片（1）加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层（3），然后降温至400~600℃；
步骤104，利用PEALD设备对硅片（1）的正面镀氧化铝膜（4）和氮化硅膜（5）。
8.一种使用权利要求1所述光伏电池表面钝化系统的光伏电池表面钝化方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤201，对硅片（1）依次进行清洗制绒、硼扩散、刻蚀工艺处理；
步骤202，利用多功能PECVD设备对硅片（1）的背面镀氧化硅膜（2）、非晶硅层以及对非晶硅层的原位掺杂，对应的反应温度是400~600℃；
步骤203，利用PEALD设备对硅片（1）的正面镀氧化铝膜（4）和氮化硅膜（5）；
步骤204，利用退火炉将镀膜后的硅片（1）加热至600℃以上，使非晶硅层转化为多晶硅层（3），然后降温至400~600℃。
9.根据权利要求7或8所述的光伏电池表面钝化方法，其特征在于：所述PEALD设备具有一个主机室，主机室内的工艺腔室（6）一端通过炉口法兰（11）与腔室盖（10）紧密连接，另一端与外部的尾气处理装置连通，工艺腔室（6）的壁层结构是保护套管及石英衬管（7），或者是保护套管、石英管及石英衬管（7），在工艺腔室（6）的端部设置有TMA进气口、笑气进气口、硅烷进气口、氨气进气口、氮气进气口五个进气口，五个进气口均通入工艺腔室（6）。
10.根据权利要求9所述的光伏电池表面钝化方法，其特征在于：工艺腔室（6）的内壁为石英衬管（7），在石英衬管（7）外周沿轴向套设保护套管或者石英管及保护套管，保护套管外部为加热炉体（9）。
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