CN111312859A - 一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法和由此得到的薄膜及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法，其包括提供衬底并在该衬底上生长具有掺杂元素的轻掺杂型硅基薄膜，通过掺杂气体形成富含激活掺杂元素的氛围，在该氛围下对轻掺杂型硅基薄膜进行后处理以形成重掺杂型硅基薄膜，重掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量大于轻掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量。本发明还提供上述的制备方法得到的重掺杂型硅基薄膜。本发明又提供上述的重掺杂型硅基薄膜在异质结晶体硅太阳电池上的应用。根据本发明的重掺杂型硅基薄膜的制备方法，能够提高硅基薄膜的掺杂效率，对进一步获得高效率异质结晶体硅太阳电池具有突出的意义。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池及其制造领域，更具体地涉及一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法和由此得到的薄膜及其应用。
背景技术
能源是一个国家赖以生存和发展的动力。在化石能源日益枯竭和环境问题凸显的时代，新型可替代能源的研究将为国民经济持续发展提供有力的保障。太阳能可以稳定而持续的输出，在清洁能源中更具竞争力。目前，各种构型的晶体硅(c-Si)组件占据市场份额的90％以上，从发电量和节约成本两方面考虑，高效组件在光伏系统安装中占有绝对优势。获得高效率晶体硅太阳电池是获得高效组件的基础，高效硅异质结太阳电池的研究可以获得更高效率的组件。提高掺杂型非晶硅钝化层的导电性有益于提高硅异质结太阳电池的光电性能。
然而，现有化学沉积技术在线沉积的多数掺杂型薄膜的掺杂效率不高，尤其是p型硅基薄膜，硼的融入可能导致薄膜结构劣化且薄膜内的氢含量减少而起不到钝化晶体硅表面的作用。
发明内容
为了解决现有技术中的硅基薄膜的掺杂效率不高的问题，本发明提供一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法和由此得到的薄膜及其应用。
本发明提供一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法，其包括提供衬底并在该衬底上生长具有掺杂元素的轻掺杂型硅基薄膜，通过掺杂气体形成富含激活掺杂元素的氛围，在该氛围下对轻掺杂型硅基薄膜进行后处理以形成重掺杂型硅基薄膜，重掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量大于轻掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量。
优选地，该制备方法在后处理轻掺杂型硅基薄膜之前还包括冷却轻掺杂型硅基薄膜，然后再进行后处理轻掺杂型硅基薄膜。
优选地，生长、冷却和后处理轻掺杂型硅基薄膜的步骤依次重复若干次。
优选地，掺杂气体包括氢元素，重掺杂型硅基薄膜的氢含量大于轻掺杂型硅基薄膜的氢含量。
优选地，该制备方法在生长轻掺杂型硅基薄膜之前还包括在衬底上生长第一本征型硅基薄膜，然后再在第一本征型硅基薄膜上生长轻掺杂型硅基薄膜。
优选地，第一本征型硅基薄膜经过后处理形成第二本征型硅基薄膜，第二本征型硅基薄膜的氢含量大于第一本征型硅基薄膜的氢含量。
优选地，该轻掺杂型硅基薄膜为p型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的硼原子的氛围。
优选地，该轻掺杂型硅基薄膜为n型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的磷原子的氛围。
本发明还提供上述的制备方法得到的重掺杂型硅基薄膜。
本发明又提供上述的重掺杂型硅基薄膜在异质结晶体硅太阳电池上的应用。
根据本发明的重掺杂型硅基薄膜的制备方法，能够提高硅基薄膜的掺杂效率，对进一步获得高效率异质结晶体硅太阳电池具有突出的意义。总之，根据本发明的重掺杂型硅基薄膜的制备方法，可以用于提升硅异质结和叉指型异质晶体硅太阳电池的光电转换效率。既可以提高薄膜内的有效掺杂含量，又可以提高薄膜内的氢含量，因此，该后处理方法施加在硅基薄膜表面，属于一个无损注入掺杂元素和原子氢的过程。用在硅异质结太阳电池太阳电池中既可以提高内建势又可以改善表面钝化性能，提升太阳电池的光电转换效率。本发明提供的用于掺杂处理晶体硅异质结电池的掺杂层的处理方法，可以用于获得高效率异质结和叉指型异质晶体硅太阳电池。所以，本发明具有对产业化生产提高两种电池转换效率的贡献，具有高度产业化利用价值。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的工艺；
图2示出了根据本发明的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的提供富含激活掺杂元素的氛围的状态，其中，掺杂气体通过热丝分解被激发形成激活的掺杂原子；
图3示出了根据本发明的第二种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的工艺；
图4示出了根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的具体过程；
图5示出了根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的后掺杂处理前后的薄膜中的硼浓度变化；
图6示出了根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法得到的单次、两次和三次后掺杂处理的薄膜的电导率；
图7A-图7B示出了根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的后掺杂处理前后的薄膜中的氢含量变化；
图8示出了根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法的后掺杂处理前后对晶体硅少子寿命的影响；
图9示出了根据本发明的应用例得到的硅异质结太阳电池与未处理薄膜制成的硅异质结太阳电池的填充因子和光电转换效率的对比。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
例1
如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法首先包括提供一衬底11。具体地，该衬底11可以为任何晶体硅衬底，特别地，可以为适于制作异质结太阳电池的硅基片，包括但不限于n型单晶硅衬底或p型单晶硅衬底。为了测试电导率，该衬底11还可以是导电玻璃衬底。
如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法接下来在该衬底11上生长第一本征型硅基薄膜12来降低表面复合速率，然后在第一本征型硅基薄膜12上生长具有掺杂元素的轻掺杂型硅基薄膜13。具体地，通过真空化学气相沉积在该衬底11的至少一个表面沉积第一本征型硅基薄膜12和轻掺杂型硅基薄膜13中。在优选的实施例中，第一本征型硅基薄膜12为本征非晶硅层，轻掺杂型硅基薄膜13为掺杂非晶硅层，其中的掺杂元素为硼或磷。在优选的实施例中，真空化学气相沉积为热丝化学气相沉积工艺。
如图1所示，根据本发明的第一种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法接下来形成富含激活掺杂元素的氛围，对轻掺杂型硅基薄膜13进行后处理，使得掺杂元素进入轻掺杂型硅基薄膜13中实现再掺杂形成重掺杂型硅基薄膜13’。在优选的实施例中，所述轻掺杂型硅基薄膜13既可以是无定形硅基结构，也可以是结晶化硅基结构，或者是二者的混合。在优选的实施例中，该轻掺杂型硅基薄膜13的厚度介于5～20nm之间。
该后处理也被称为后掺杂处理，可以提高掺杂元素在掺杂型硅基薄膜中的掺杂效率。具体地，后掺杂处理为热丝光催化化学气相沉积工艺，如图2所示，通过高温热丝分解形成富含激活掺杂元素的氛围，此时，该后处理也被称为后辉光处理。在后辉光处理的过程中，富含激活掺杂元素的氛围中不含有高能量的离子，辉光能量较低且薄膜表面温度不超过220℃，保证整个处理过程对薄膜无损伤。应该理解，在后处理步骤之前可以包括一个短暂的冷却过程来降低生长表面的温度，防止连续辉光导致热辐射增强使薄膜质量劣化。通过在薄膜沉积结束后增加的短暂冷却过程能有效提升钝化性能，既保证掺杂型硅基薄膜的高质量又不会使获得高质量薄膜的制程太耗时。当然，该冷却步骤也可以省略，主要取决于掺杂处理的效果和薄膜的厚度。通过测试暗电导率可知，重掺杂型硅基薄膜13’的暗电导率的值相对于轻掺杂型硅基薄膜13可以提升至少一倍，甚至可以提升两倍以上。这也就说明了该后处理可以显著提高薄膜内的有效掺杂含量。通过该后处理，可以使进入硅网络中的掺杂原子与硅键合形成有效掺杂，掺杂元素的有效掺杂可以进一步增强硅异质结太阳电池的内建场且降低材料的串阻，从而增加对光生载流子的收集，进一步提升异质结太阳电池的光电转换效率。
在后处理过程中，富含激活掺杂元素的氛围通过包括氢元素的掺杂气体(也被称为辉光气体)形成，以提高薄膜内的氢含量，即重掺杂型硅基薄膜13’中的氢含量大于轻掺杂型硅基薄膜13。特别地，虽然第一本征型硅基薄膜12处于下层，但是氢含量通过后处理同样会发生变化，即第一本征型硅基薄膜12形成氢含量较大的第二本征型硅基薄膜12’。在优选的实施例中，该掺杂气体包括高浓度的氢气。特别地，该掺杂气体包括各种烷烃。通过增加硅基薄膜的网络内的致密氢含量，可以降低网络内的硅空位从而提高薄膜致密度，因此，该后处理过程相当于一个原子氢注入的过程，可以降低材料的缺陷态密度，提升钝化性能的同时改善薄膜的质量并促进光生载流子的输运。
在优选的实施例中，该轻掺杂型硅基薄膜13为p型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的硼原子的氛围。具体地，该掺杂气体为氢气和硼源气体、惰性气体和硼源气体的混合气、或氮气和硼源气体的混合气。优选地，该硼源气体为B2H6、或C3H9B。
在优选的实施例中，该轻掺杂型硅基薄膜13为n型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的磷原子的氛围。具体地，该掺杂气体为氢气和磷源气体、惰性气体和磷源气体的混合气、或氮气和磷源气体的混合气。优选地，该磷源气体为磷烷PH3。
例2
如图3所示，根据本发明的第二种实施方式的重掺杂型硅基薄膜的制备方法首先包括提供一衬底110，接下来在该衬底110上生长第一本征型硅基薄膜120，然后在第一本征型硅基薄膜120上生长第一轻掺杂型硅基薄膜131，接下来对第一轻掺杂型硅基薄膜131进行后掺杂处理使得掺杂元素进入第一轻掺杂型硅基薄膜131中实现再掺杂形成第一重掺杂型硅基薄膜131’，在第一重掺杂型硅基薄膜131’上生长第二轻掺杂型硅基薄膜132，接下来对第二轻掺杂型硅基薄膜132进行后掺杂处理使得掺杂元素进入第二轻掺杂型硅基薄膜132中实现再掺杂形成第二重掺杂型硅基薄膜132’，该第一重掺杂型硅基薄膜131’和第二重掺杂型硅基薄膜132’共同形成重掺杂型硅基薄膜130’。
应该理解，通过沉积生长的第一轻掺杂型硅基薄膜131和第二轻掺杂型硅基薄膜132相当于实施例1中的轻掺杂型硅基薄膜13。依赖于掺杂型硅基薄膜的厚度，待生长的轻掺杂型硅基薄膜13可以根据需要被划分为n个子轻掺杂型硅基薄膜13n，即生长1/n(n＝1,2,3…)厚度的子轻掺杂型硅基薄膜13n，每次生长结束后采用后掺杂处理共计n(n＝1,2,3…)次处理，这样的多次处理可以使最后获得的重掺杂型硅基薄膜的掺杂量获得提升。在优选的实施例中，子轻掺杂型硅基薄膜13n的厚度约为6～7nm。
实施例
将晶体硅衬底置于预设真空度为1×10-5～5Pa的反应室中，在晶体硅表面预先沉积一层本征型硅基薄膜。
沉积：通入硅烷、氢气和硼烷的混合气；沉积一层约5nm左右的掺杂比例控制在1％的轻掺杂型硅基薄膜，其中的掺杂原子的浓度约1019～1020。
冷却：通过调整冷却步骤的时间和电流控制基底表面的温度不超过200℃，进行约不大于60s，例如10～30s的冷却处理，避免长时间的热辐射导致钝化性能的下降，即热丝可以不通电流或通入10A以下，例如6A的低电流(对应热丝分解温度为1000℃)，冷却步骤中不通入任何气体。
后处理：通入45sccm的体积比为2:98的B2H6和H2的混合气体，将热丝电流升高至10～15A，例如10A对应的热丝分解温度为1500℃，又例如15A对应的热丝分解温度为1650℃，维持90s处理时间，其中，B2H6在热丝表面分解为BHx及B原子(X＝1,2,3)，这些组分将依靠热丝的热辐射供给动能而扩散进入材料，并与非晶硅网络成键。
重复上述沉积-冷却-后处理步骤共3次，如图4所示。
显然，通过调整冷却步骤的时间、冷却时热丝的分解电流、掺杂处理时的气体流量配比、热丝分解电流、基底温度以及掺杂处理时间等，可以根据需要调节最终形成的重掺杂型硅基薄膜的性能。
相对于无后掺杂处理的薄膜，根据本发明的一个优选实施例的重掺杂型硅基薄膜的制备方法得到的重掺杂型硅基薄膜的B含量可以显著提升，如图5所示，其对应的暗电导率同样显著提升，如图6所示。其中，图5中二次离子质谱(SIMS)测试显示经过三次后掺杂处理的样品B浓度表现出明显的提升，图线还表现出三个浓度峰位对应三次后掺杂处理，意味着多步处理方法中的每一步处理均能使B浓度获得明显提升；图6暗电导率结果显示暗电导率的提升主要来自于有效掺杂的提升。图7A-图7B的傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)测试显示多步掺杂处理能够提升掺杂层内的H含量，因此在注入浓度为1015cm-1时有效少子寿命提升了约600μs，如图8所示。
应用例
根据本发明的方法提供一种异质结晶体硅太阳电池，其包括首先提供晶体硅衬底；然后在晶体硅衬底的第一侧依次形成第一本征型硅基薄膜钝化层和P型硅基发射层，在晶体硅衬底的第二侧依次形成第二本征型硅基薄膜钝化层和N型硅基背场层；然后对P型硅基发射层和/或N型硅基背场层进行后掺杂处理；然后分别在P型硅基发射层和N型硅基背场层上依次形成透明导电薄膜和金属栅极。
相对于未处理的表面钝化层薄膜参与的电池，后掺杂处理过的薄膜应用作为硅异质结太阳电池的表面钝化层，可以显著提升器件的填充因子且获得约0.28％的光电转换效率增益，在使用后掺杂处理的p型掺杂薄膜钝化层后，硅异质结太阳电池中光生载流子的迁移和收集得到有效改善，如图9所示。
总之，根据本发明的方法可以得到重掺杂硅基薄膜可以有效增强太阳电池的内建场强，实现对光生电子和光子空穴两种载流子的有效收集，从而有效提高使用重掺杂硅基薄膜的各种太阳电池的转换效率。另外，用在硅异质结太阳电池中既可以提高内建势又可以改善表面钝化性能，提升太阳电池的光电转换效率。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种重掺杂型硅基薄膜的制备方法，其包括提供衬底并在该衬底上生长具有掺杂元素的轻掺杂型硅基薄膜，其特征在于，该制备方法还包括通过掺杂气体形成富含激活掺杂元素的氛围，在该氛围下对轻掺杂型硅基薄膜进行后处理以形成重掺杂型硅基薄膜，重掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量大于轻掺杂型硅基薄膜的掺杂元素含量。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该制备方法在后处理轻掺杂型硅基薄膜之前还包括冷却轻掺杂型硅基薄膜，然后再进行后处理轻掺杂型硅基薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，生长、冷却和后处理轻掺杂型硅基薄膜的步骤依次重复若干次。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，掺杂气体包括氢元素，重掺杂型硅基薄膜的氢含量大于轻掺杂型硅基薄膜的氢含量。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，该制备方法在生长轻掺杂型硅基薄膜之前还包括在衬底上生长第一本征型硅基薄膜，然后再在第一本征型硅基薄膜上生长轻掺杂型硅基薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第一本征型硅基薄膜经过后处理形成第二本征型硅基薄膜，第二本征型硅基薄膜的氢含量大于第一本征型硅基薄膜的氢含量。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该轻掺杂型硅基薄膜为p型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的硼原子的氛围。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该轻掺杂型硅基薄膜为n型硅基薄膜，掺杂气体形成具有高浓度激发的磷原子的氛围。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到的重掺杂型硅基薄膜。
10.根据权利要求9所述的重掺杂型硅基薄膜在异质结晶体硅太阳电池上的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN112267105A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-01-26 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种用于硅异质结太阳电池生产的单腔pecvd沉积工艺 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN1647285A (zh) * | 2002-04-09 | 2005-07-27 | 株式会社钟化 | 制造串联型薄膜光电转换器件的方法 |
| CN102280502A (zh) * | 2011-08-26 | 2011-12-14 | 上海师范大学 | 一种梯度掺杂硅基异质结太阳能电池及其制备方法 |
| CN110809827A (zh) * | 2017-06-28 | 2020-02-18 | 株式会社钟化 | 光电转换装置的制造方法 |
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2020
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