CN110491949A - 一种太阳能电池叠层钝化结构及其制备方法和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池叠层钝化结构，其包括：硅片，依次设于硅片背面的氧化铝层、混合钝化层和钝化层；其中，所述氧化铝层通过PECVD法形成；所述混合钝化层通过电离含氢材料得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。本发明还公开了一种叠层钝化太阳能电池，其包括上述太阳能电池叠层钝化结构。实施本发明，能够有效去除硅片背面悬挂键和降低表面态，提升太阳能电池的效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池叠层钝化结构及其制备方法和电池。
背景技术
为了提高晶硅太阳能电池的效率，必须对电池表面进行良好的钝化，降低表面缺陷复合从而提高电池的开路电压。现有的钝化技术多集中在太阳能电池的背面钝化，如高效太阳能电池钝化发射结背表面太阳能电池(PERC)和背面发射结、背面局部扩散太阳能电池(PERL)取得了极大的成功，其中PERL太阳能电池的光电转化效率达到了24.7％；SunPower公司生产的背面接触太阳能电池(IBC)和Sanyo公司生产的异质结(Hetero-junctionIntrinsic Thin-layer，HIT)太阳能电池，其效率分别是24％和23％等。这些太阳能电池无一例外的采用了背面钝化技术，是太阳能的有效寿命保持在较高水平，从而得到了较高的开路电压和短路电流。
目前最常见的背钝化技术是采用氧化铝层和氮化硅层进行叠层钝化；其中，氧化铝层一般采用原子层沉积法(ALD)制备；氮化硅层多采用PECVD法进行制备。其中，ALD法沉积氧化铝具有沉积厚度均匀、可控性强的优点，但其沉积速度较慢，极大地拖慢了制备流程。常见的解决办法有两种：一种是降低氧化铝层的厚度，但也会影响钝化效果；一种是采用PECVD法制备氧化铝，但是PECVD法沉积的氧化铝层钝化效果较ALD沉积的差。因此，需要从保证氧化铝钝化效果以及优化工艺两个方面同时去优化该工艺。
此外，随着太阳能电池技术的发展，晶体硅太阳电池的厚度也日益减薄，而在硅片表面制备的钝化层也因为张应力较大的缘故，容易造成电池片翘曲；如何在保证钝化效果的基础上消除此缺陷也是亟需面对的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种太阳能电池叠层钝化结构，其能发挥良好的背面钝化效果，降低复合；同时工艺时间短、生产效率高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种太阳能电池钝化结构的制备方法，其生产效率高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种叠层钝化太阳能电池，其转化效率高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能电池叠层钝化结构，其特包括：
硅片，包括用于收集入射光的正面和与该正面相对的背面；
氧化铝层，设于所述硅片背面；
混合钝化层，设于所述氧化铝层的上方；
钝化层，设于所述混合钝化层的上方；
其中，所述氧化铝层通过PECVD法沉积；所述混合钝化层通过电离含氢材料和含氧材料得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成；
所述氧化铝层、混合钝化层和钝化层在同一设备的同一腔体内形成。
作为上述技术方案的改进，所述含氢材料选用H2O、H2、NH3中的一种或多种；
所述含氧材料选用H2O、N2O、NO中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，所述混合钝化层通过在PECVD设备中电离H2O得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。
作为上述技术方案的改进，所述混合钝化层通过在PECVD设备中电离NH3和N2O的混合物得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。
作为上述技术方案的改进，所述钝化层为氮化硅层；或
所述钝化层包括依次为设于混合钝化层上方的氮氧化硅层、第一氮化硅层和第二氮化硅层；所述第一氮化硅层和第二氮化硅层中N、Si、O的浓度不同；或
所述钝化层包括依次为设于混合钝化层的氮氧化硅层、氧化硅层和氮化硅层。
作为上述技术方案的改进，所述氧化铝层的厚度为1-20nm，所述钝化层的厚度为30-200nm。
作为上述技术方案的改进，所述氧化铝层的厚度2-10nm；所述覆盖层的厚度为50-150nm。
相应的，本发明还提供了一种上述太阳能电池叠层钝化结构的制备方法，其包括：
(1)提供一硅片；
(2)在所述硅片背面采用PECVD法生长氧化铝层；
(3)采用含氢材料和含氧材料电离得到的等离子体轰击所述氧化铝层，形成混合钝化层；
(4)在所述混合钝化层上生长钝化层；
(5)将硅片进行退火，得到所述太阳能电池叠层钝化结构成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，采用TMA、N2O、Ar的混合气体为反应气体，在200-350℃下，沉积所述氧化铝层；
氧化铝层形成后，将硅片置于非真空环境预设时间。
相应的，本发明还提供了一种叠层钝化太阳能电池，其包括上述的太阳能电池叠层钝化结构。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明采用PECVD法沉积氧化铝层，其沉积速度可达到50-100nm/min，远大于ALD法2-5nm/min的沉积速度，大幅提高了生产效率；且本发明中的氧化铝层、混合钝化层和钝化层在同一设备的同一腔体内形成，大幅提升了钝化结构的制备效率。
2.本发明通过采用等离子体轰击氧化铝层，提高了氧化铝层中H的含量，在退火后，氧化铝层中的氢会注入硅片基体表面和基体内，对复合中心进行钝化，提高太阳能电池的少子寿命和转换效率。
3.本发明采用氧化铝、氮氧化硅、氮化硅(或氧化硅+氮化硅)的叠层的钝化结构，能够有效钝化硅片表面悬挂键，具有良好的化学钝化作用；也能够在硅片表面形成较高的电荷密度，具有良好的场钝化效应。此外，通过氮氧化硅、氧化硅层的加入有效降低了表面应力，防止硅片翘曲。
附图说明
图1是本发明一种太阳能电池叠层钝化结构示意图；
图2是本发明另一实施例之中太阳能电池叠层钝化结构示意图；
图3是本发明一种太阳能电池叠层钝化结构的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，本发明提供了一种太阳能电池钝化结构，其包括：硅片1和依次设于硅片背面的氧化铝层2，混合钝化层3和钝化层4；其中，所述氧化铝层2通过PECVD法沉积；所述混合钝化层3通过电离含氢材料和含氧材料得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。氧化铝层2、混合钝化层3和钝化层4均在同一设备的同一腔体中形成。
本发明采用PECVD法沉积氧化铝层，其沉积速度可达到50-100nm/min，远大于ALD法2-5nm/min的沉积速度，大幅提高了生产效率；同时，本发明的各层结构均在同一设备的同一腔体中形成，也提升了生产效率。此外，本发明在氧化铝层上采用等离子体轰击形成了混合钝化层，混合钝化层中含有的H会在后续退火工艺中注入硅片基底表面和基底内部，对复合中心进行钝化；因此本发明的太阳能电池钝化结构具有良好的钝化效果。
具体的，含氢材料选用H2O、H2、NH3中的一种或多种；含氧材料选用H2O、N2O、NO中的一种或多种。
优选的，混合钝化层3通过在PECVD设备中电离H2O得到的等离子体轰击氧化铝层2形成。
优选的，混合钝化层3通过在PECVD设备中电离NH3和N2O的混合物得到的等离子体轰击氧化铝层2形成。NH3和N2O在常温下为气体，不会附着于PECVD设备表面，造成设备损伤。
进一步优选的，NH3和N2O的流量比为(1.5-3):1；此比例的混合气体在电离后得到的等离子体中H+占比较高，能有效提高氧化铝层2中的H含量，强化钝化效果。同时，此比例的混合气体在电离后产生的OH-比例合理，其能够于氧化铝层2中的Al形成AlO4 -复合物，提升硅基底-氧化铝层表面的负电荷浓度，提升叠层钝化层的场钝化效应。
进一步的，在发明中，所述氧化铝层2的厚度为1-20nm，优选为2-10nm，进一步优选为2-5nm；具体的，可包括1nm，1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、4nm，但不限于此。
需要说明的是，本发明采用PECVD法沉积氧化铝层，并且降低了氧化铝层的厚度，这就大幅缩短了工艺时间。但是，也造成了氧化铝层钝化效果减弱等一系列缺陷。为了克服此缺陷，本发明在氧化铝层上通过等离子体轰击工艺制备了混合钝化层。具体的，首先，氧化铝层厚度降低以后，导致氧化铝多呈现赝晶状态，钝化表面负电荷少；因此本发明采用了含O等离子体的轰击，可形成AlO4 —，增强表面负电荷密度，增强场钝化效应。其次，在氧化铝层厚度降低以后，氧化铝的钝化效果减弱，因此我们采用了含H等离子体轰击，增强H含量，从而增强钝化效果。
在本实施例之中，钝化层4为氮化硅层；其采用PECVD法制成；其厚度为30-200nm；优选的，其厚度为50-150nm。通过氧化铝层，混合钝化层和氮化硅层的叠层钝化，使得本发明中的钝化结构钝化效果优良。
参见图2，在本发明的另一个实施例中，钝化层4包括依次设于混合钝化层3的氮氧化硅层41、第一氮化硅层42和第二氮化硅层43；第一氮化硅层42和第二氮化硅层43中N、Si、O的浓度不同。
其中，氮氧化硅层41具有较高的张应力，能够有效克服因氧化铝层2减薄造成的界面应力提升的缺陷，降低硅片翘曲缺陷可能性。氮氧化硅层41亦可作为氧化铝层2与氮化硅层之间的过渡层，降低晶格适配。此外，氮氧化硅层41中也存在大量H，其可与混合钝化层中的H一起进入硅基底内部和表面，形成良好的钝化效应。
具体的，氮氧化硅层41通过PECVD法沉积；采用SH4、NH4和N2O的混合气体在PECVD设备中沉积；其中，SH4的流速为45-50sccm，NH4的流速为10-20sccm；N2O的流速为15-30sccm；此流量范围的混合气体形成的氮氧化硅层41中，N、O、Si的比例适宜，具有最佳的钝化效果。
第一氮化硅层42和第二氮化硅层42与单层氮化硅层相比，其钝化效果和减反作用都更加强。
具体的，在此实施例之中，钝化层的总厚度为30-200nm，优选为50-150nm；其中，氮氧化硅层41的厚度为20-100nm，第一氮氧化硅层42的厚度为20-50nm，第二氮化硅层的厚度为20-50nm。
在本发明的又一个实施例之中，钝化层4包括依次设于氧化铝层2的氮氧化硅层41、氧化硅层42和氮化硅层43；这种结构设计也有利于应力的分散，以及钝化效果的最大化。
相应的，参见图3，本实施例还公开了一种上述钝化结构的制备方法，其包括：
S1：提供一硅片；
具体的，S1还包括，对硅片进行预处理；所述预处理包括：将硅片进行清洗，去除表面有机物及损伤层；然后制绒；扩散形成PN结。
S2：在所述硅片背面采用PECVD法生长氧化铝层；
具体的步骤(2)包括：
S21：在硅片背面采用PECVD发形成氧化铝层；
具体的，采用N2O、三甲基铝(TMA)和Ar的混合气体为反应气体，在PECVD设备之中沉积氧化铝层；其中，沉积温度为200-350℃。在此介质和温度下，能大幅度提升氧化铝层的生长速度，达到50～100nm/min，大幅提升生产效率。
S22：将硅片置于非真空环境下预设时间；
具体的，可将硅片置于空气或氮气预设时间，优选的，将硅片置于氮气预设时间，此工序会有效提升钝化效果。
需要说明的是，一种常见的做法是在形成氧化铝层以及钝化层之间一直保持真空，以避免镀膜设备重新抽真空花费时间。然而，发明人通过对于上述工艺的研究发现：一直保持真空状态并不利于钝化效果的最优化。因此，本发明选择将硅片在形成氧化铝层后置于非真空环境(氮气)一段时间，可实现钝化效果最优化；同时，通过本发明各结构的配合，降低了氧化铝层的厚度(2-5nm)，也一定程度上节省了工艺时间。
S3：采用含氢材料和含氧材料电离得到的等离子体轰击氧化铝层，形成混合钝化层；
具体的，在PECVD设备中电离含氢材料和含氧材料。
优选的，可在PECVD设备中电离H2O气体；控制射频功率为2-4kW，轰击时间为100-200s；当射频功率超过4kW后，容易造成氧化铝层的轰击损伤，降低钝化效果；射频功率过低时，无法将等离子体较好的推进到氧化铝层之中。
S4：在混合钝化层上生长钝化层；
具体的，采用PECVD法进行钝化层的生长。
S5：将硅片进行退火。
具体的，退火温度为300-500℃，退火时间为10-30分钟；通过退火，可将氧化铝层中的负电荷明显增加，同时使得混合钝化层以及钝化层中的H推进到硅片基底表面以及内部，增强钝化效果。
相应的，本发明还公开了一种叠层钝化太阳能钝化电池，其采用上述叠层钝化结构。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能电池叠层钝化结构，其特征在于，包括：
硅片，包括用于收集入射光的正面和与该正面相对的背面；
氧化铝层，设于所述硅片背面；
混合钝化层，设于所述氧化铝层的上方；
钝化层，设于所述混合钝化层的上方；
其中，所述氧化铝层通过PECVD法沉积；所述混合钝化层通过电离含氢材料和含氧材料得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成；
所述氧化铝层、混合钝化层和钝化层在同一设备的同一腔体内形成。
2.如权利要求1所述的太阳能电池叠层钝化结构，其特征在于，所述含氢材料选用H2O、H2、NH3中的一种或多种；
所述含氧材料选用H2O、N2O、NO中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的太阳能电池叠层钝化结构，其特征在于，所述混合钝化层通过在PECVD设备中电离H2O得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。
4.如权利要求2所述的太阳能电池叠层钝化结构，其特征在于，所述混合钝化层通过在PECVD设备中电离NH3和N2O的混合物得到的等离子体轰击所述氧化铝层形成。
5.如权利要求1所述的太阳能电池钝化结构，其特征在于，所述钝化层为氮化硅层；或
所述钝化层包括依次为设于混合钝化层上方的氮氧化硅层、第一氮化硅层和第二氮化硅层；所述第一氮化硅层和第二氮化硅层中N、Si、O的浓度不同；或
所述钝化层包括依次为设于混合钝化层的氮氧化硅层、氧化硅层和氮化硅层。
6.如权利要求1所述的太阳能电池钝化结构，其特征在于，所述氧化铝层的厚度为1-20nm，所述钝化层的厚度为30-200nm。
7.如权利要求6所述的太阳能电池钝化结构，其特征在于，所述氧化铝层的厚度2-10nm；所述覆盖层的厚度为50-150nm。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的太阳能电池叠层钝化结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)提供一硅片；
(2)在所述硅片背面采用PECVD法生长氧化铝层；
(3)采用含氢材料和含氧材料电离得到的等离子体轰击所述氧化铝层，形成混合钝化层；
(4)在所述混合钝化层上生长钝化层；
(5)将硅片进行退火，得到所述太阳能电池叠层钝化结构成品。
9.如权利要求8所述的太阳能电池叠层钝化结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用TMA、N2O、Ar的混合气体为反应气体，在200-350℃下，沉积所述氧化铝层；
氧化铝层形成后，将硅片置于非真空环境预设时间。
10.一种叠层钝化太阳能电池，其特征在于，其包括权利要求1-7任一项所述的太阳能电池叠层钝化结构。
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