CN111063612B - 一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺，涉及电池技术领域。提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其采用PECVD设备在硅片表面沉积制备本征非晶硅膜，PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，硅片平行置于上电极板和下电极板之间，在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，控制上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小。采用一步法制备本征非晶硅，可缩短工艺时间，提高产量，还能够改善膜层质量。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺。
背景技术
常规的异质结太阳能电池的制作工艺流程为：硅片制绒清洗、沉积非晶硅薄膜、沉积TCO透明导电薄膜、丝网印刷。其中非晶硅薄膜由本征非晶硅和掺杂非晶硅组成，本征非晶硅对晶硅界面钝化效果较好，其钝化效果主要是通过抑制晶硅表面的外延生长、利用膜层内H原子钝化晶硅界面悬空键来实现。
目前常采用两步法制备本征非晶硅，第一层膜层采用高沉积速率，缺陷较多，用来抑制晶硅外延生长，第二层膜层采用低沉积速率，膜层质量较好，膜层内H含量较多。通过结合上述两层膜层的特点，可使本征非晶硅的钝化效果达到最佳。但是该两步法存在以下缺陷：缺陷一：第一层膜层为高沉积速率制备，厚度偏低时，无法抑制晶硅外延生长，厚度偏高时，膜层缺陷又偏多，导致膜层Rs偏高，最终使电池效率降低，第一层膜层厚度对电池性能影响较大，导致工艺窗口较小；缺陷二：采用两步法制备本征非晶硅层，两层膜层之间需要增加抽真空及混气步骤，增加了工艺时间，导致产量有所降低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺，采用一步法制备本征非晶硅，可缩短工艺时间，提高产量，还能够改善膜层质量。
第一方面，本申请实施例提供了一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)设备在硅片表面沉积制备本征非晶硅膜，PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，硅片平行置于上电极板和下电极板之间，在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，控制上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小。
在上述技术方案中，采用PECVD设备在硅片表面沉积制备本征非晶硅膜，通常是往腔室内通入含硅原子的气体，上电极板与射频电源连接，下电极板接地，上电极板和下电极板之间能够产生射频电流，使上电极板和下电极板之间的气体电离形成等离子体，并沉积在硅片表面本征非晶硅膜。本申请通过控制上电极板和下电极板之间的间距来控制本征非晶硅的沉积速率，从而控制本征非晶硅膜的质量，具体是在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，控制上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小，形成渐变的膜层，避免原本双层膜层存在的缺陷。沉积工艺过程中，在其他工艺参数(压力、流量及射频功率)不变的前提下，极间距(上电极板和下电极板之间的间距)越大，则气体在腔室内停留时间越长(为了维持一定的压力)，则气体发生反应的时间就会越长，沉积速率就会越快。沉积工艺开始时，上电极板和下电极板之间的间距相对较大，气体滞留时间较长，导致沉积速率较快，可有效抑制界面处晶硅外延生长，随着工艺进行，上电极板和下电极板之间的间距，气体滞留时间缩短，沉积速率降低，可改善膜层质量。同时，本申请采用一步法制备本征非晶硅膜，还可缩短工艺时间，提高产量，降低生产成本。
在一种可能的实现方式中，硅片置于下电极板上，在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，移动上电极板或下电极板以调节上电极板和下电极板之间的间距；可选地，移动所述下电极板以调节上电极板和所述下电极板之间的间距。
在上述技术方案中，将硅片置于下电极板上，不仅硅片便于放置，还能够有目标性的在硅片靠近上电极板的表面沉积制备本征非晶硅膜；通过逐渐向下移动上电极板或逐渐向上移动下电极板就能够控制上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小，相应的沉积速率逐渐降低；由于下电极板接地即可，便于移动。
在一种可能的实现方式中，在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，上电极板和下电极板之间的间距由40～50mm逐渐缩小至15～25mm，上电极板或下电极板的相对运动速度为0.8～1.2mm/S。
在上述技术方案中，沉积工艺开始时，上电极板和下电极板之间的间距为40～50mm，随着工艺的进行，上电极板或下电极板的相对运动速度为0.8～1.2mm/S，上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小至15～25mm，能够保证初始形成的本征非晶硅缺陷较多，抑制晶硅外延生长，并随着工艺的进行，形成的本征非晶硅缺陷逐渐减少，避免因膜层缺陷过多导致电池效率较低；还能保证形成的本征非晶硅中的H含量逐渐增多，最后形成的本征非晶硅中的H含量较多，保证膜层质量。
在一种可能的实现方式中，沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：通入SiH4，流量为300～2400sccm，并通入H2，流量为3000～5000sccm，腔室内的压力为1～3Torr。
在上述技术方案中，只需要调节上电极板和下电极板之间的间距，并按照上述工艺条件进行沉积，无需调节SiH4和H2的比例，就能沉积制备质量好的本征非晶硅膜。
在一种可能的实现方式中，沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：沉积温度为180～230℃，沉积时间为20～50S；和/或，本征非晶硅膜的厚度为3～10nm。
在上述技术方案中，按照上述工艺条件能够沉积制备的膜层质量好，满足使用需求。
第二方面，本申请实施例提供了一种本征非晶硅钝化结构，其包括硅片，硅片的两个相对表面分别设置有采用第一方面提供的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺得到本征非晶硅膜。
在上述技术方案中，采用第一方面提供的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺得到本征非晶硅膜质量好，形成的本征非晶硅钝化结构质量好。
第三方面，本申请实施例提供了一种异质结太阳能电池，其包括第二方面提供的本征非晶硅钝化结构，本征非晶硅钝化结构一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有p型掺杂层、TCO薄膜和电极，本征非晶硅钝化结构另一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有n型掺杂层、TCO薄膜和电极。
在上述技术方案中，第二方面提供的本征非晶硅钝化结构的质量好，形成的异质结太阳能电池质量好。
在一种可能的实现方式中，p型掺杂层的厚度为5～10nm；和/或，n型掺杂层的厚度为5～10nm；和/或，TCO薄膜的厚度为50～100nm。
在上述技术方案中，上述厚度的p型掺杂层、n型掺杂层和TCO薄膜能够形成质量好的异质结太阳能电池。
第四方面，本申请实施例提供了一种异质结太阳能电池的制作工艺，其包括以下步骤：
按照第一方面提供的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，分别在硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜，然后进行氢等离子体处理，形成本征非晶硅钝化结构；
在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层；
双面镀TCO薄膜；
双面进行丝网印刷，制备电极。
在上述技术方案中，工艺简单，容易实现，形成的异质结太阳能电池质量好。
在一种可能的实现方式中，氢等离子体处理的方法为：将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2，流量为1000～5000sccm，腔室内的压力为1～3Torr，功率为100～300W，时间为30～60S。
在上述技术方案中，按照上述工艺进行氢等离子体处理，能够将本征非晶硅膜的表面处理成适合后续掺杂的表面。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺进行具体说明。
本申请实施例提供一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其采用PECVD设备在硅片表面沉积制备本征非晶硅膜，作为衬底的硅片一般为n型衬底，硅片的厚度一般为50～200μm，长宽一般在156～166.75mm之间；PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，下电极板接地，比如设备型号为捷造JPE3000的PECVD设备，硅片平行置于上电极板和下电极板之间；在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，控制上电极板和下电极板之间的间距逐渐缩小。
本申请实施例中，上电极板和下电极板之间产生射频，电离气体形成等离子体，并在硅片的上表面(即靠近上电极板的表面)沉积本征非晶硅。通常情况下，硅片在上电极板和下电极板之间的具体位置不做限定，只需要上电极板和硅片之间具有一定距离，保证本征非晶硅能够沉积在硅片的上表面。在本申请的一些实施例中，硅片置于下电极板上，通过移动上电极板或下电极板调节上电极板和下电极板之间的间距，比如可以通过移动下电极板调节上电极板和下电极板之间的间距。
本申请的一些实施例中，沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：PECVD设备的工作功率为300～2000W；通入SiH4，流量为300～2400sccm，通入H2，流量为3000～5000sccm，腔室内的压力为1～3Torr，其中，sccm(standard cubic centimeter per minute)表示每分钟标准毫升，Torr表示托，1Torr≈133.322Pa＝1.333mbar＝0.001315789473atm；沉积温度为180～230℃，沉积时间为20～50S。在上述沉积制备本征非晶硅膜的过程中，上电极板和下电极板之间的间距由40～50mm逐渐缩小至15～25mm，上电极板或下电极板的相对运动速度为0.8～1.2mm/S；最后形成的本征非晶硅膜的厚度一般为3～10nm。
本申请实施例还提供一种本征非晶硅钝化结构，其包括硅片，硅片的两个相对表面分别设置有采用上述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺得到本征非晶硅膜。
本申请实施例还提供一种异质结太阳能电池，其包括上述的本征非晶硅钝化结构，本征非晶硅钝化结构一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有p型掺杂层、TCO薄膜和电极，p型掺杂层的厚度一般为5～10nm，TCO薄膜的厚度一般为50～100nm，本征非晶硅钝化结构另一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有n型掺杂层、TCO薄膜和电极，n型掺杂层的厚度一般为5～10nm，TCO薄膜的厚度一般为50～100nm。
本申请实施例还提供一种异质结太阳能电池的制作工艺，其包括以下步骤：
(1)按照上述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，分别在硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜，形成本征非晶硅钝化结构。
(2)进行氢等离子体处理，氢等离子体处理的方法为：将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2，流量为1000～5000sccm，腔室内的压力为1～3Torr，功率为100～300W，时间为30～60S。
(3)在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层。
(4)双面镀TCO薄膜。
(5)双面进行丝网印刷，制备电极。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种异质结太阳能电池，其按照以下制备工艺制得：
(1)选用n型单晶硅片，经过制绒、清洗，得到作为衬底的硅片，采用PECVD设备分别在硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜。PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，下电极板接地，硅片置于下电极板上。
沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：PECVD设备的工作功率为1000W；通入SiH4，流量为1200sccm，通入H2，流量为4000sccm，腔室内的压力为2Torr；沉积温度为200℃，沉积时间为25S。在上述沉积制备本征非晶硅膜的过程中，上电极板和下电极板之间的间距由45mm逐渐缩小至20mm，上电极板或下电极板的相对运动速度为1mm/S；最后形成的本征非晶硅膜的厚度为4nm。
(2)将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2进行氢等离子体处理，流量为3000sccm，腔室内的压力为2Torr，功率为200W，时间为40S。
(3)在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，厚度控制在8nm，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层，厚度控制在8nm。
(4)双面镀TCO薄膜，厚度控制在60nm。
(5)双面进行丝网印刷，制备电极。
实施例2
本实施例提供一种异质结太阳能电池，其按照以下制备工艺制得：
(1)选用n型单晶硅片，经过制绒、清洗，得到作为衬底的硅片，采用PECVD设备分别在硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜。PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，下电极板接地，硅片置于下电极板上。
沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：PECVD设备的工作功率为1800W；通入SiH4，流量为2000sccm，通入H2，流量为4000sccm，腔室内的压力为1Torr；沉积温度为200℃，沉积时间为35S。在上述沉积制备本征非晶硅膜的过程中，上电极板和下电极板之间的间距由50mm逐渐缩小至15mm，上电极板或下电极板的相对运动速度为1mm/S；最后形成的本征非晶硅膜的厚度为5nm。
(2)将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2进行氢等离子体处理，流量为5000sccm，腔室内的压力为3Torr，功率为300W，时间为50S。
(3)在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，厚度控制在10nm，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层，厚度控制在10nm。
(4)双面镀TCO薄膜，厚度控制在100nm。
(5)双面进行丝网印刷，制备电极。
实施例3
本实施例提供一种异质结太阳能电池，其按照以下制备工艺制得：
(1)选用n型单晶硅片，经过制绒、清洗，得到作为衬底的硅片，采用PECVD设备分别在硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜。PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，上电极板与射频电源连接，下电极板接地，硅片置于下电极板上。
沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：PECVD设备的工作功率为500W；通入SiH4，流量为500sccm，通入H2，流量为3000sccm，腔室内的压力为1Torr；沉积温度为180℃，沉积时间为25S。在上述沉积制备本征非晶硅膜的过程中，上电极板和下电极板之间的间距由40mm逐渐缩小至20mm，上电极板或下电极板的相对运动速度为0.8mm/S；最后形成的本征非晶硅膜的厚度为3nm。
(2)将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2进行氢等离子体处理，流量为1000sccm，腔室内的压力为1Torr，功率为100W，时间为30S。
(3)在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，厚度控制在5nm，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层，厚度控制在5nm。
(4)双面镀TCO薄膜，厚度控制在50nm。
(5)双面进行丝网印刷，制备电极。
对比例1
本对比例提供一种异质结太阳能电池，其制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：
采用PECVD设备分别在硅片的两个相对表面沉积制备由两层本征非晶硅层形成的本征非晶硅膜，靠近硅片的第一层本征非晶硅层采用纯硅烷进行沉积，厚度为3nm，第二层本征非晶硅层采用H2和SiH4的混合气体(H2和SiH4的体积比为2:1)进行沉积，厚度为5nm，在沉积过程中，上电极板和下电极板的位置固定不变，二者之间的间距为45mm。
以下测试实施例1～实施例3和对比例1的电池的电性能，电池的电性能主要通过转换效率Eta(％)、开路电压Voc(mV)、短路电流Isc(mA/cm2)、填充因子FF(％)、串联电阻Rs(Ω)、并联电阻Rsh(Ω)、暗电流Rev2(mA/cm2)，结果如下表1所示。
表1电池的电性能结果
| 电池 | Tcell | Eta | Voc | Isc | FF | Rs | Rsh | Rev2 |
| 实施例1 | 20 | 22.679 | 741.08 | 9.159 | 81.62 | 0.0025 | 2230 | 0.0064 |
| 实施例2 | 20 | 22.716 | 740.28 | 9.162 | 81.83 | 0.0021 | 2854 | 0.0032 |
| 实施例3 | 20 | 22.665 | 742.28 | 9.150 | 81.53 | 0.0024 | 2854 | 0.0032 |
| 对比例1 | 20 | 22.326 | 735.35 | 9.152 | 81.04 | 0.0022 | 2176 | 0.0051 |
由表1可以看出，本申请实施例的单层本征非晶硅膜的渐变层结构组成的异质结太阳能电池的电性能优于常规双层本征非晶硅层结构组成的异质结太阳能电池的电性能。
综上所述，本申请实施例的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺、钝化结构、异质结太阳能电池及制备工艺，采用一步法制备本征非晶硅，可缩短工艺时间，提高产量，还能够改善膜层质量。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其采用PECVD设备在硅片表面沉积制备本征非晶硅膜，所述PECVD设备包括腔室，以及位于腔室内相对且平行设置的上电极板和下电极板，所述上电极板与射频电源连接，所述硅片平行置于所述上电极板和所述下电极板之间，其特征在于，所述硅片置于所述下电极板上，沉积制备本征非晶硅膜的过程中，移动所述上电极板或所述下电极板以控制所述上电极板和所述下电极板之间的间距逐渐缩小。
2.根据权利要求1所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其特征在于，移动所述下电极板以调节所述上电极板和所述下电极板之间的间距。
3.根据权利要求1或2所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其特征在于，在沉积制备本征非晶硅膜的过程中，所述上电极板和所述下电极板之间的间距由40～50mm逐渐缩小至15～25mm，所述上电极板或所述下电极板的相对运动速度为0.8～1.2mm/S。
4.根据权利要求1或2所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其特征在于，沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：通入SiH4，流量为300～2400sccm，并通入H2，流量为3000～5000sccm，所述腔室内的压力为1～3Torr。
5.根据权利要求1或2所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，其特征在于，沉积制备本征非晶硅膜的工艺条件为：沉积温度为180～230℃，沉积时间为20～50S；和/或，所述本征非晶硅膜的厚度为3～10nm。
6.一种本征非晶硅钝化结构，其特征在于，其包括硅片，所述硅片的两个相对表面分别设置有采用如权利要求1所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺得到本征非晶硅膜。
7.一种异质结太阳能电池，其包括如权利要求6所述的本征非晶硅钝化结构，所述本征非晶硅钝化结构一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有p型掺杂层、TCO薄膜和电极，所述本征非晶硅钝化结构另一表面的本征非晶硅膜外侧依次设置有n型掺杂层、TCO薄膜和电极。
8.根据权利要求7所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述p型掺杂层的厚度为5～10nm；和/或，所述n型掺杂层的厚度为5～10nm；和/或，所述TCO薄膜的厚度为50～100nm。
9.一种异质结太阳能电池的制作工艺，其特征在于，其包括以下步骤：
按照如权利要求1所述的提高本征非晶硅钝化效果的镀膜工艺，分别在所述硅片的两个相对表面沉积制备本征非晶硅膜，形成本征非晶硅钝化结构；
进行氢等离子体处理；
在一表面的本征非晶硅膜上镀p型掺杂层，在另一表面的本征非晶硅膜上镀n型掺杂层；
双面镀TCO薄膜；
双面进行丝网印刷，制备电极。
10.根据权利要求9所述的异质结太阳能电池的制作工艺，其特征在于，所述氢等离子体处理的方法为：将腔室内的SiH4及H2抽空后，通入H2，流量为1000～5000sccm，所述腔室内的压力为1～3Torr，功率为100～300W，时间为30～60S。
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