CN111009593B - 一种基于pvd技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法。该方法通过在掺杂的晶体硅表面制备一定厚度的氧化层，在氧化层上面采用PVD的方法，利用掩膜在金属接触区域选择性制备一定厚度的多晶硅薄膜，金属化后，金属浆料仅接触局部钝化接触区域，该结构大大减少了金属接触区域的金属复合，可有效提高电池的开路电压；同时，局部钝化接触结构以外区域由于不含掺杂多晶硅层，相对于整面多晶硅薄膜结构电池，不会由多晶硅自身吸收而带来光学损失，避免了短路电流的损失，从而提高电池转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法。
背景技术
在晶体硅太阳电池中，随着市场对高效电池的需求急剧增加，在电池效率提升过程中，减少金属复合是电池效率不断提升的重要因素。为减少金属复合，近年来钝化接触电池受到广泛关注，德国Fraunhofer 太阳能系统研究所的Feldmann等将基于隧穿氧化层钝化金属接触结构的太阳能电池的转换效率提升至25.8%；其结构采用在隧穿氧化层上沉积多晶硅薄膜，后续在金属化过程，减少了金属与衬底硅的直接接触，可大大减少金属复合，从而明显提高开路电压，但此技术运用过程中，由于多晶硅具有较高的消光系数，特别是当该多晶硅层处于受光面时，短路电流损失较大，因此当前此技术都用于非光面，受光面的应用受到了很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法。
本发明的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其技术方案为：包括以下步骤：
（1）、在经过清洗后的晶体硅片表面制备p+掺杂区域或n+掺杂区域；
（2）、将步骤（1）处理后的晶体硅片进行清洗；
（3）、在步骤（2）处理后的晶体硅片的p+掺杂区域或n+掺杂区域上制备隧穿氧化层；
（4）采用PVD方法，在步骤（3）处理后的晶体硅片的所述隧穿氧化层上局部沉积一层非晶硅薄膜；
（5）将步骤（4）处理后的晶体硅片进行热退火处理，使掺杂原子在高温下被激活，所述非晶硅薄膜的非晶硅转化为多晶硅，从而制备成局部多晶硅薄膜。
本发明提供的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤（1）中，所述清洗后的晶体硅片为N型硅片或P型硅片，所述N型硅片或P型硅片表面为抛光面、刻蚀面、或制绒面；所述p+掺杂区域或n+掺杂区域的掺杂方法均为离子注入法或高温扩散法；其中，所述离子注入法包括离子注入、注入后清洗、以及退火工艺，离子注入浓度为1×1015~8×1015ions/cm2；掺杂后，p+掺杂区域或n+掺杂区域的方阻为50~200Ω/sq。
其中，在步骤（2）中，将掺杂好的晶体硅片放入清洗机中，清洗溶液为HF，去除晶体硅片表面的硼硅玻璃或磷硅玻璃。
其中，在步骤（3）中，所述隧穿氧化层的厚度为0.2~4nm，其采用PECVD法、硝酸氧化法、热氧化法或臭氧氧化法制备。
其中，所述PECVD法为将流量比小于1:4的SiH4与O2通过射频电离为等离子体，反应生成氧化硅，沉积在晶体硅片表面；其中，反应过程中，压强为2~20Pa，沉积温度为250~400℃，功率为10~200W。
其中，在步骤（4）中，所述PVD方法包括磁控溅射法、或真空蒸镀法。
其中，在步骤（4）中，采用PVD方法，在步骤（3）处理后的晶体硅片的所述隧穿氧化层上通过设置掩膜局部沉积一层非晶硅薄膜；其中，掩膜的形状设置为电池栅线图案，其副栅掩膜开口宽度为20-300μm，相邻副栅间距为1-2mm。
其中，在步骤（4）中，所述磁控溅射法包括在反应腔中固定掺磷或掺硼的多晶硅靶材，并在距离晶体硅片顶部0.5-20mm的位置处设置所述掩膜；其中，将晶体硅片置于氩气氛围中，并设置反应功率为100~250W，压力为0.1~0.7Pa，温度为100~600℃，反应时间10~180min；所述真空蒸镀法包括在反应腔中固定晶体硅片、以及掺磷或掺硼的蒸发源，并在距离晶体硅片顶部0.5-20mm的位置处设置所述掩膜；其中，将晶体硅片置于氩气氛围中，并设置气压不大于1×10-6 Pa，温度为100~300℃，沉积时间10~360min。
其中，在步骤（4）中，所述非晶硅薄膜的厚度为50-500nm，宽度为20~300μm，间距为1.3~1.6mm。
其中，在步骤（5）中，将步骤（4）后的晶体硅片放入退火炉中进行退火，退火时间20~120min，退火温度800~1000℃。
本发明的实施包括以下技术效果：
（1）本发明通过选择性沉积局部制备钝化接触结构，在后续金属化时，金属浆料仅接触局部钝化区域，由于电极下方为钝化接触结构，可显著降低金属-硅之间的复合；同时，非钝化接触区域无不含掺杂的多晶硅层，避免了非晶硅层对光的吸收，大大减少了由于多晶硅的高消光系数带来的短路电流损失；因此，本发明的制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法可用于电池片的受光面或非受光面，尤其适合用于电池片的受光面的应用，极大拓展了钝化接触技术的应用范围；
（2）并且，本发明通过PVD方法，采用掩膜一次性在晶体硅上局部沉积非晶硅，通过清洗、退火等工艺形成一定厚度的具有电池栅线图形的局部多晶硅，形成局部钝化接触结构，其结构在后续印刷栅线后，金属浆料只与钝化接触结构接触，可显著减少金属与衬底硅的接触，从而减少了金属复合，提高了开路电压。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法步骤（1）后的结构截面示意图。
图2为本发明实施例的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法步骤（3）后的结构截面示意图。
图3为本发明实施例的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法步骤（4）后的结构截面示意图。
图4为本发明实施例的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法步骤（6）后的结构截面示意图。
图5为本发明实施例的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法步骤（5）所用掩膜的结构截面示意图。
图中，1-晶体硅基体，2- n+发射极，3-氧化硅层，4-多晶硅薄膜，5-掩膜开口，6-掩膜。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到保护。
需要说明的是，本实施例中的晶体硅片可以为N型硅片或P型硅片。
参见附图1~图5，本实施例以P型晶体硅基体为例，说明基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，主要包括以下步骤：
（1）选用157.35mm×157.35mm的P型晶体硅基体1，并对P型晶体硅基体1的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒，其中，P型硅衬底电阻率为0.3~8 Ω•cm，优选1~3Ω•cm，厚度为50~300 μm，优选130~200 μm。完成本步骤后的电池结构如图1所示；
（2）将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1进行磷掺杂，掺杂方法可以为高温扩散方法，也可以为离子注入方法。高温扩散法是将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1放入扩散炉中进行扩散，扩散炉中通入三氯氧磷与氧气，反应后，在晶体硅基体1上形成n+发射极2；工艺过程中扩散的温度为800~900 ℃，时间为120~240min；离子注入方法是将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1放入离子注入机中，硅基体其中一面注入磷，注入剂量为1×1015~8×1015ions/cm2，优选2×1015~3×1015ions/cm2，把注入后的P型硅基体1放入H2O2/HCL溶液中进行清洗，清冼后把硅基体1放入退火炉中进行高温退火处理，退火温度为800-1000℃，优选温度为850~900℃，退火时间20~120min，优选时间5~20min，退火后形成n+发射极。磷掺杂后n+掺杂区域的方块电阻值为50~200 Ω/sq，优选方阻值为90~130 Ω/sq。
（3）将步骤（2）处理后的P型晶体硅基体1放入刻蚀清洗机中，清洗溶液为HF，用于去除磷硅玻璃层与背表面的磷扩散层；完成本步骤后的电池结构如图2所示。
（4）将步骤（3）处理完的P型晶体硅基体1放入低压化学气相沉积设备，通入氧气，在n+发射极2的上面生长一层氧化硅层3，其厚度为0.2~4nm，优选为0.6~1nm，工艺过程中，压强为常压，温度为500-1000℃，优选温度为550~650℃。其中，所述隧穿氧化层采用PECVD法、硝酸氧化法、热氧化法或臭氧氧化法制备，所述PECVD法为将流量比小于1:4的SiH4与O2通过射频电离为等离子体，反应生成氧化硅，沉积在晶体硅片表面，反应过程中，压强为3~20Pa，沉积温度为250~400℃，功率为10~200W。完成本步骤后的电池结构如图3所示。
（5）将步骤（4）处理后的P型晶体硅基体1放入磁控溅射设备中，靶材选用掺磷的多晶硅靶材，在靶材与硅基体之间设置掩膜6，掩膜6的材质为石墨，掩膜6的形状为电池副栅图案，其掩膜开口5宽度为20-300μm，优选40~60μm，相邻开口5之间的间距为1-2mm，优选1.4~1.6mm，调整掩膜与硅基体1的高度为0.5-20mm，工艺腔抽真空至0.1~0.7Pa，温度升至500~550℃后，通入流量为30~45sccm的氩气，设定溅射功率为100~250W，利用电离的氩气离子轰击靶材，轰击出的非晶硅原子通过掩膜6在氧化硅层3上面沉积局部非晶硅薄膜，沉积时间为10~180min，沉积后形成的局部非晶硅薄膜厚度为50~500nm，优选100~150nm，宽度为20~300μm，优选40~60μm，间距为1.3~1.6mm，优选1.4~1.5mm。本步骤选择性沉积掩膜结构如图5所示。
需要说明的是，本发明所述PVD方法还可以是真空蒸镀法，本实施例将不再详细地介绍。
（6）将步骤（5）处理后的P型太阳能电池基底1放入退火炉中进行退火，使掺杂原子在高温时被激活，同时非晶硅在高温时从非晶硅转化为多晶硅，从而制备成选择性多晶硅薄膜4。工艺过程中，退火温度为800-1000℃，优选温度为850~900℃，退火过程N2流量为5-20L/min，氧气流量1~2L/min，退火时间20~120min，优选时间5~20min，完成本步骤后电池结构如图4。至此即完成本发明局部钝化接触结构的制备。
下面以具体的实施例对本发明的基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法进行详细地说明。
实施例1
（1）选用157.35mm×157.35mm的P型晶体硅基体1，并对P型晶体硅基体1的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒，其中，P型硅衬底电阻率为1Ω•cm，厚度为180 μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示；
（2）将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1进行磷掺杂，掺杂方法可以为高温扩散方法；高温扩散法是将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1放入扩散炉中进行扩散，扩散炉中通入三氯氧磷与氧气，反应后，在晶体硅基体1上形成n+发射极2；工艺过程中扩散的温度为800℃，时间为120min；磷掺杂后n+掺杂区域的方阻值为100Ω/sq；
（3）将步骤（2）处理后的P型晶体硅基体1放入刻蚀清洗机中，清洗溶液为HF，用于去除磷硅玻璃层与背表面的磷扩散层；完成本步骤后的电池结构如图2所示；
（4）将步骤（3）处理完的P型晶体硅基体1放入PECVD设备，通入硅烷与氧气，在n+发射极2的上面生长一层氧化硅层3，其厚度为0.2nm；其中，所述隧穿氧化层采用PECVD法制备，所述PECVD法为将流量比小于1:4的SiH4与O2通过射频电离为等离子体，反应生成氧化硅，沉积在晶体硅片表面，反应过程中，压强为3Pa，沉积温度为250℃，功率为10W；完成本步骤后的电池结构如图3所示；
（5）将步骤（4）处理后的P型晶体硅基体1放入磁控溅射设备中，靶材选用掺磷的多晶硅靶材，在靶材与硅基体之间设置掩膜6，掩膜6的材质为石墨，掩膜6的形状为电池副栅图案，其掩膜开口5宽度为20μm，相邻开口5之间的间距为1mm，调整掩膜与硅基体1的高度为0.5mm，工艺腔抽真空至0.1Pa，温度升至500℃后，通入流量为30sccm的氩气，设定溅射功率为100W，利用电离的氩气离子轰击靶材，轰击出的非晶硅原子通过掩膜6在氧化硅层3上面沉积局部非晶硅薄膜，沉积时间为10min，沉积后形成的局部非晶硅薄膜厚度为50nm，宽度为20μm，间距为1.3mm；本步骤选择性沉积掩膜结构如图5所示；
（6）将步骤（5）处理后的P型太阳能电池基底1放入退火炉中进行退火，使掺杂原子在高温时被激活，同时非晶硅在高温时从非晶硅转化为多晶硅，从而制备成选择性多晶硅薄膜4。工艺过程中，退火温度为880℃，退火过程N2流量为5L/min，氧气流量1L/min，退火时间20min，完成本步骤后电池结构如图4；至此即完成本发明局部钝化接触结构的制备。
实施例2
（1）选用157.35mm×157.35mm的P型晶体硅基体1，并对P型晶体硅基体1的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒，其中，P型硅衬底电阻率为2Ω•cm，厚度为250μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示；
（2）将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1进行磷掺杂，掺杂方法可以为离子注入方法；离子注入方法是将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1放入离子注入机中，硅基体其中一面注入磷，注入剂量为5×1015ions/cm2，把注入后的P型硅基体1放入H2O2/HCL溶液中进行清洗，清冼后把硅基体1放入退火炉中进行高温退火处理，退火温度为880℃，退火时间60min，退火后形成n+发射极；磷掺杂后n+掺杂区域的方块电阻值为150 Ω/sq；
（3）将步骤（2）处理后的P型晶体硅基体1放入刻蚀清洗机中，清洗溶液为HF，用于去除磷硅玻璃层与背表面的磷扩散层；完成本步骤后的电池结构如图2所示；
（4）将步骤（3）处理完的P型晶体硅基体1放入低压化学气相沉积设备，通入氧气，在n+发射极2的上面生长一层氧化硅层3，其厚度为2nm，工艺过程中，压强为常压，温度为600℃；其中，所述隧穿氧化层采用热氧化法；完成本步骤后的电池结构如图3所示；
（5）将步骤（4）处理后的P型晶体硅基体1放入磁控溅射设备中，靶材选用掺磷的多晶硅靶材，在靶材与硅基体之间设置掩膜6，掩膜6的材质为石墨，掩膜6的形状为电池副栅图案，其掩膜开口5宽度为100μm，相邻开口5之间的间距为1.5mm，调整掩膜与硅基体1的高度为10mm，工艺腔抽真空至0.5Pa，温度升至520℃后，通入流量为40sccm的氩气，设定溅射功率为150W，利用电离的氩气离子轰击靶材，轰击出的非晶硅原子通过掩膜6在氧化硅层3上面沉积局部非晶硅薄膜，沉积时间为100min，沉积后形成的局部非晶硅薄膜厚度为200nm，宽度为120μm，间距为1.5mm；本步骤选择性沉积掩膜结构如图5所示；
（6）将步骤（5）处理后的P型太阳能电池基底1放入退火炉中进行退火，使掺杂原子在高温时被激活，同时非晶硅在高温时从非晶硅转化为多晶硅，从而制备成选择性多晶硅薄膜4；工艺过程中，退火温度为920℃，退火过程N2流量为15L/min，氧气流量1.5L/min，退火时间60min，完成本步骤后电池结构如图4；至此即完成本发明局部钝化接触结构的制备。
实施例3
（1）选用157.35mm×157.35mm的P型晶体硅基体1，并对P型晶体硅基体1的前表面和背表面清洗，去除损伤层并制绒，其中，P型硅衬底电阻率为0.3Ω•cm，厚度为200 μm；完成本步骤后的电池结构如图1所示；
（2）将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1进行磷掺杂，掺杂方法可以为高温扩散方法；高温扩散法是将步骤（1）制绒后的P型晶体硅基体1放入扩散炉中进行扩散，扩散炉中通入三氯氧磷与氧气，反应后，在晶体硅基体1上形成n+发射极2；工艺过程中扩散的温度为900 ℃，时间为240min；磷掺杂后n+掺杂区域的方块电阻值为200 Ω/sq；
（3）将步骤（2）处理后的P型晶体硅基体1放入刻蚀清洗机中，清洗溶液为HF，用于去除磷硅玻璃层与背表面的磷扩散层；完成本步骤后的电池结构如图2所示；
（4）将步骤（3）处理完的P型晶体硅基体1放入低压化学气相沉积设备，通入氧气，在n+发射极2的上面生长一层氧化硅层3，其厚度为4nm，工艺过程中，压强为常压，温度为1000℃；完成本步骤后的电池结构如图3所示；
（5）将步骤（4）处理后的P型晶体硅基体1放入磁控溅射设备中，靶材选用掺磷的多晶硅靶材，在靶材与硅基体之间设置掩膜6，掩膜6的材质为石墨，掩膜6的形状为电池副栅图案，其掩膜开口5宽度为60μm，相邻开口5之间的间距为1.6mm，调整掩膜与硅基体1的高度为20mm，工艺腔抽真空至0.7Pa，温度升至550℃后，通入流量为45sccm的氩气，设定溅射功率为250W，利用电离的氩气离子轰击靶材，轰击出的非晶硅原子通过掩膜6在氧化硅层3上面沉积局部非晶硅薄膜，沉积时间为180min，沉积后形成的局部非晶硅薄膜厚度为150nm，宽度为60μm， 间距为1.5mm；本步骤选择性沉积掩膜结构如图5所示；
（6）将步骤（5）处理后的P型太阳能电池基底1放入退火炉中进行退火，使掺杂原子在高温时被激活，同时非晶硅在高温时从非晶硅转化为多晶硅，从而制备成选择性多晶硅薄膜4；工艺过程中，退火温度为1000℃，退火过程N2流量为20L/min，氧气流量2L/min，退火时间120min，完成本步骤后电池结构如图4；至此即完成本发明局部钝化接触结构的制备。
本发明采用PVD与掩膜方法制备局部钝化接触多晶硅薄膜，首先，金属化后，金属浆料与局部钝化薄膜接触，能够显著降低金属复合，并且局部钝化接触结构以外区域由于不含掺杂多晶硅层，不存在将此作为受光面时短路电流显著下降的问题；其次通过调整掩膜的开口与高低制备局部钝化结构的方法，在实施过程中可实现单面成膜，不影响另一面结构，不用额外对另一面进行保护，从而减少了对另一面的保护及后续处理的工艺步骤，极大的降低了成本，非常适合产业化推广。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在经过清洗后的晶体硅片表面制备p+掺杂区域或n+掺杂区域；
(2)将步骤(1)处理后的晶体硅片进行清洗；
(3)在步骤(2)处理后的晶体硅片的p+掺杂区域或n+掺杂区域上制备隧穿氧化层；
(4)采用PVD方法，在步骤(3)处理后的晶体硅片的所述隧穿氧化层上通过设置掩膜局部沉积一层掺杂的非晶硅薄膜，掩膜的开口形状设置为对应电池栅线的图案；
(5)将步骤(4)处理后的晶体硅片进行热退火处理，使掺杂原子在高温下被激活，所述非晶硅薄膜的非晶硅转化为多晶硅，从而制备成局部多晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述清洗后的晶体硅片为N型硅片或P型硅片，所述N型硅片或P型硅片表面为抛光面、刻蚀面、或制绒面；所述p+掺杂区域或n+掺杂区域的掺杂方法均为离子注入法或高温扩散法；其中，所述离子注入法包括离子注入、注入后清洗、以及退火工艺，离子注入浓度为1×1015～8×1015ions/cm2；掺杂后，p+掺杂区域或n+掺杂区域的方阻为50～200Ω/sq。
3.根据权利要求2所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(2)中，将掺杂好的晶体硅片放入清洗机中，清洗溶液为HF，去除晶体硅片表面的硼硅玻璃或磷硅玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述隧穿氧化层的厚度为0.2～4nm，其采用PECVD法、硝酸氧化法、热氧化法或臭氧氧化法制备。
5.根据权利要求4所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，所述PECVD法为将流量比小于1:4的SiH4与O2通过射频电离为等离子体，反应生成氧化硅，沉积在晶体硅片表面；其中，反应过程中，压强为2～20Pa，沉积温度为250～400℃，功率为10～200W。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述PVD方法包括磁控溅射法、或真空蒸镀法。
7.根据权利要求6所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(4)中，掩膜的副栅掩膜开口宽度为20-300μm，相邻副栅间距为1-2mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述磁控溅射法包括在反应腔中固定掺磷或掺硼的多晶硅靶材，并在距离晶体硅片顶部0.5-20mm的位置处设置所述掩膜；其中，将晶体硅片置于氩气氛围中，并设置反应功率为100～250W，压力为0.1～0.7Pa，温度为100～600℃，反应时间10～180min；所述真空蒸镀法包括在反应腔中固定晶体硅片、以及掺磷或掺硼的蒸发源，并在距离晶体硅片顶部0.5-20mm的位置处设置所述掩膜；其中，将晶体硅片置于氩气氛围中，并设置气压不大于1×10-6Pa，温度为100～300℃，沉积时间10～360min。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述非晶硅薄膜的厚度为50-500nm，宽度为20～300μm，间距为1.3～1.6mm。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于PVD技术制备局部多晶硅薄膜钝化接触的方法，其特征在于，在步骤(5)中，将步骤(4)后的晶体硅片放入退火炉中进行退火，退火时间20～120min，退火温度800～1000℃。
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