CN111509055B - 界面叠层薄膜及其制备方法和在钝化接触电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种界面叠层薄膜，包括衬底，衬底表面设置有第一钝化层，第一钝化层表面设置有厚度为0.5‑5nm缓冲层，缓冲层表面设置有非晶硅层，所述第一钝化层与所述衬底界面处的载流子浓度为3‑8*1019cm‑3。本发明的优点和有益效果：1)“硅衬底/氧化硅/氧化铝/多晶硅”的结构简单，性能可靠，易于制备；2)氧化铝缓冲层的引入可以有效提升p型钝化接触结构的钝化性能和接触性能；3)氧化铝材料易于制备，是现有光伏产业已有装备可以制备的材料；4)氧化铝/氧化硅双层界面钝化层更加稳定，可以承受更高的温度，有利于兼容高温工艺、拓展工艺温度区间。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，具体涉及太阳电池的钝化接触技术。
背景技术
德国弗朗霍夫研究所于2013年提出一种晶硅太阳电池，其n型电池的典型结构如图1所示，该电池称为隧穿氧化硅钝化接触太阳电池(TOPCon)。这种结构的核心是采用超薄氧化硅层和掺杂多晶硅叠层结构钝化硅片表面。
隧穿氧化硅钝化接触结构的钝化机理主要来源于两方面：一是界面氧化硅层的化学钝化作用，二是掺杂原子的场钝化作用。提升界面氧化硅的完整性、提高多晶硅及硅层表面的多数载流子浓度等措施有利于提高整体的钝化效果。
对于隧穿氧化硅钝化接触技术，其电子收集采用n型的磷掺杂多晶硅薄膜，而空穴收集则采用p型的硼掺杂多晶硅薄膜。由于n型钝化接触技术效果好，已被广泛接受为下一代产业用高效晶体硅电池技术。
目前，n型钝化接触的技术指标高，表现为钝化质量好，在不同设备上均很容易实现单面饱和暗电流J0s<8fA/cm2，对应的隐含开路电压iVoc>730mV(n型硅片衬底)的优异指标；同时接触电阻率低ρc<10mΩcm2。现已开始进入量产验证阶段。
然而，p型钝化接触技术的技术指标较差，表现为接触电阻率高，一般来说，J0s>20fA/cm2，iVoc<680mV(n型硅片衬底)。通常认为，造成p型钝化接触技术较差的主要原因有两点：一是多晶硅中硼浓度较低，二是界面氧化硅易被硼的扩散破坏。如果要提升p型钝化接触的钝化质量和接触性能，就需要同时提升界面氧化硅的质量和提高界面场钝化效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种新型结构的隧穿氧钝化接触技术，以提升p型钝化接触技术的质量。
本发明的技术方案是提供一种界面叠层薄膜，包括衬底，衬底表面设置有第一钝化层，第一钝化层表面设置有厚度为0.5-5nm缓冲层，缓冲层表面设置有非晶硅层。
进一步地，第一钝化层为硅化物介质层，包括氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的一种。
进一步地，缓冲层为氧化铝层。
进一步地，非晶硅层为硼掺杂非晶硅层。
本发明还提供上述界面叠层薄膜的制备方法，步骤包括：
1)选用n型硅衬底硅片，进行表面去损伤层处理和清洗处理；2)在硅片上制备第一钝化层；3)在第一钝化层表面沉积一层0.5～5nm的缓冲层；3)接着在缓冲层表面沉积一层非晶硅层；4)进行>800℃以上高温处理，最终形成钝化接触结构。
进一步地，步骤4)中高温处理在保护气氛下进行，保护气氛为氮气、氧气、氢气、氩气、水蒸气中一种气体或几种气体的混合气。
进一步地，步骤4)中高温处理的保护气氛采用氮气与氢气的混合气。
本发明的优点和有益效果：
1)“硅衬底/硅化物/氧化铝/多晶硅”的结构简单，性能可靠，易于制备。钝化接触结构的特征在于，在硅化物/硅界面处，例如氧化硅/硅界面处，硅的一侧出现显著的载流子浓度增加，典型增加值为3-8*1019cm-3。
2)氧化铝缓冲层的引入可以有效提升p型钝化接触结构的钝化性能和接触性能。
3)氧化铝材料易于制备，是现有光伏产业已有装备可以制备的材料。
4)氧化铝/氧化硅双层界面钝化层在强烈的界面相互作用下更加稳定，可以承受更高的温度，有利于兼容高温工艺、拓展工艺温度区间。
附图说明
图1是n型隧穿氧化硅钝化接触太阳电池的结构示意图。
图2是退火工艺前(a)后(b)p型钝化接触结构的示意图。
图3是实施例与对照样品进行电化学电容电压(ECV)分析的结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的原理和实际制备操作作进一步说明。
为提升p型钝化接触的钝化质量和接触性能，本发明提供一种界面叠层薄膜，包括衬底，衬底表面设置有第一钝化层，第一钝化层表面设置有厚度为0.5-5nm缓冲层，缓冲层表面设置有非晶硅层。
在第一钝化层和非晶硅层之间，插入一层缓冲层(如图2a所示)，然后再进行高温退火形成完整的p型钝化接触结构(如图2b所示)，最终可以起到提升钝化质量、降低接触电阻率的作用。其基本原理在于：1)在第一钝化层上增加了缓冲层，可以有效保护界面钝化层，从而减少其界面缺陷；2)缓冲层的插入，提升了界面处附近空穴浓度，从而增强了场钝化效应。
在实际应用中，第一钝化层主要是氧化硅、氮化硅等硅化物层，作为钝化接触结构的主要结构。缓冲层优选氧化铝层，氧化铝与氧化硅等硅化物形成的氧化铝/氧化硅双层界面钝化层更加稳定，可以承受更高的温度，有利于兼容高温工艺、拓展工艺温度区间，进一步来说通常是氧化铝覆盖在氧化硅之上，氧化硅直接接触晶硅衬底表面，效果好，反过来，如果将氧化硅覆盖在氧化铝之上，氧化铝直接接触晶硅衬底，则效果较差；此外，氧化铝层的厚度通常在6nm以下，在3nm以下钝化效果较优，优选厚度在1～2nm。
实施例1
本实施例所用衬底为厚170μm的n型单晶硅片，双面化学抛光，电阻率为3Ω·cm。以下实施实例所采用的钝化结构为双面p型隧穿氧化硅钝化结构。制备方法为：首先对硅片进行标准RCA清洗，接着采用热硝酸氧化法在硅片两面制备氧化硅隧穿层，接着使用原子层沉积法在两面沉积1.5nm的氧化铝层，然后在用PECVD在两面沉积p型掺硼非晶硅(每层总厚度为40nm)，并在双管扩散炉内进行高温退火，保护气氛为氮气与氢气的混合气，最后采用Sinton WT120测试钝化效果。其中：
实施例初始结构：p+a-Si/Al2O3/SiOx/n-Si wafer/SiOx/Al2O3/p+a-Si
实施例退火后结构：p+poly-Si/Al2O3/SiOx/n-Si wafer/SiOx/Al2O3/p+poly-Si作为对比，制备三种不同结构的参照样品：
对照样品一初始结构：p+a-Si/n-Si wafer/p+a-Si
对照样品二初始结构：p+a-Si/SiOx/n-Si wafer/SiOx/p+a-Si
对照样品三初始结构：p+a-Si/Al2O3/n-Si wafer/Al2O3/p+a-Si
对照样品四初始结构：p+a-Si/SiOx/Al2O3/n-Si wafer/Al2O3/SiOx/p+a-Si
表1.不同样品钝化效果对比
表2.实施例1样品的接触电阻率
对实施例与对照样品进行电化学电容电压(ECV)分析，获得结果，如图3所示。可以看到，引入氧化铝层后，硅表面的空穴浓度显著高于其余样品。
从表1可以看到，当退火温度高于900℃以后，采用氧化硅/氧化铝双层界面钝化层，可以获得最优的钝化效果，从侧面说明其改善了界面态缺陷、提升了场钝化效果。从表2可以看到，采用氧化硅/氧化铝双层界面钝化层结构，接触电阻率比常规的p型钝化接触结构要低，图3的载流子浓度分布可以充分说明问题，即界面附近空穴浓度显著增加，特别是氧化硅/硅界面处，硅的一侧出现显著的载流子浓度增加，典型增加值为3-8*1019cm-3，说明界面改善效果良好，钝化效果优良。
实施例2～5
实施例2～5与实施例1的区别在于氧化铝层的厚度分别为0.5nm、2.5nm、3.5nm、5nm，退火温度为920℃，其余同实施例1。采用Sinton WCT-120对得到的样品进行钝化质量检测，结果见表3。
表3.实施例1与实施例2～5样品钝化对比
| 编号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| iVoc/mV | 691mV | 680mV | 678mV | 671mV | 665mV |
从表3可以看出，缓冲层氧化铝厚度为0.5-5nm时，优选厚度为1～2nm，说明了适当厚度的缓冲层，可以有效保护界面钝化层，从而减少其界面缺陷，提高钝化水平。
实施例6～8
实施例6～8与实施例1的区别在于介质层分别为氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的一种，退火温度为920℃，其余同实施例1。采用Sinton WCT-120对得到的样品进行钝化质量检测，结果见表4。
表4.实施例1与实施例6～8样品钝化对比
| 编号 | 实施例1 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 |
| iVoc/mV | 691mV | 682mV | 674mV | 678mV |
从表4钝化数据对比可以看出，第一钝化层为不同的硅化物介质材料时，优选氧化硅介质材料。氧化硅可以避免少子复合促进多数载流子的有效传输，提高样品的钝化水平。
实施例9～11
实施例9～11与实施例1的区别在于高温退火时保护气氛分别为氩气与氧气的混合气、氩气、氮气与氧气的混合气，退火温度为920℃，其余同实施例1。采用Sinton WCT-120对得到的样品进行钝化质量检测，结果见表5。
表5.实施例1与实施例9～11样品钝化对比
| 编号 | 实施例1 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 |
| iVoc/mV | 691mV | 682mV | 674mV | 678mV |
从表5可以看出，样品通入不同保护气氛时，优选含氮气与氢气的混合气，说明氢能够进入多晶硅薄膜，钝化界面处缺陷态，提高样品的钝化能力。
本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合太阳电池元器件领域的市售产品。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (7)
1.界面叠层薄膜，其特征在于，包括衬底，所述衬底表面设置有第一钝化层，所述第一钝化层表面设置有厚度为0.5-5nm缓冲层，所述缓冲层表面设置有多晶硅层，所述第一钝化层与所述衬底界面处的载流子浓度为3-8*1019cm-3，所述第一钝化层为硅化物介质层，所述缓冲层为氧化铝层，所述多晶硅层为硼掺杂多晶硅层；所述界面叠层薄膜的制备方法包括以下步骤：1）选用n型硅衬底硅片，进行表面去损伤层处理和清洗处理；2）在硅片上制备第一钝化层；3）在第一钝化层表面沉积一层0.5~5 nm的缓冲层；3）接着在缓冲层表面沉积一层非晶硅层；4）进行>800oC以上高温处理，最终形成钝化接触结构；所述界面叠层薄膜用于钝化接触太阳电池。
2.如权利要求1所述的界面叠层薄膜，其特征在于，所述第一钝化层为氧化硅层、氮氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层中的一种。
3.如权利要求1所述的界面叠层薄膜，其特征在于，所述缓冲层厚度为1-2nm，所述第一钝化层厚度为小于3nm。
4.如权利要求1所述的界面叠层薄膜的制备方法，其特征在于，步骤包括：
1）选用n型硅衬底硅片，进行表面去损伤层处理和清洗处理；2）在硅片上制备第一钝化层；3）在第一钝化层表面沉积一层0.5~5 nm的缓冲层；3）接着在缓冲层表面沉积一层非晶硅层；4）进行>800oC以上高温处理，最终形成钝化接触结构。
5.如权利要求4所述的界面叠层薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中高温处理在保护气氛下进行，保护气氛为氮气、氧气、氢气、氩气、水蒸气中一种气体或几种气体的混合气。
6.如权利要求5所述的界面叠层薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中高温处理的保护气氛采用氮气与氢气的混合气。
7.如权利要求1所述的界面叠层薄膜在钝化接触太阳电池中的应用。
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