CN112133788B - 一种提高perc电池开压的热氧化工艺方法及得到的perc电池片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法及得到的电池片。所述方法包括：将硅片依次进行第一热氧化和第二热氧化的过程，第一热氧化的温度>第二热氧化的温度。本发明所述方法采用两步通氧的热氧化工艺，在第一热氧化温度下通入第一步氧气，使在氧化过程中硅片表面生成的Si‑SiO2界面之间过渡层中的硅原子的悬挂键基本被消除，从而提高少子寿命，但是由于氧化产生的自间隙硅原子太多，它们在硅片体内的原生氧沉淀或者其他缺陷处会生成一些二次缺陷，所以在第二热氧化温度(第一热氧化的温度>第二热氧化的温度)状态下通入第二步通氧进行再次表面钝化，从而使得开压提升可达2mV以上，转换效率提高可达0.05％以上。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，具体涉及一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法及得到的电池片。
背景技术
目前业内PERC电池技术路线基本上经历了三个阶段，第一阶段是在常规产线上直接进行升级，效率可提升1％；第二阶段是加入热氧化工艺，并优化刻蚀、扩散匹配，效率提升至21.8％；第三阶段，即将规模推广的SE技术效率将提升至量产22.2％。
在太阳电池制造过程中，将已经形成p-n结的硅片放入高温炉中，在高温下与氧化剂进行反应就可以长出一层SiO2薄膜，对太阳电池表面起到钝化作用。热氧化法制备的SiO2薄膜，干氧替代臭氧可提高二氧化硅膜的致密性及均匀性，由于热氧化二氧化硅中存在大量固定正电荷，这些固定正电荷将产生场效应钝化作用，降低了硅片表面的缺陷密度，钝化表面态，增加光生载流子的寿命。
热氧化钝化可以在硅片表面产生一层高质量的，有较低的表面态密度的Si-SiO2界面，可以有效的消除表面复合的影响，但是由于硅片在氧化退火过程中不可避免地产生的一些缺陷(主要是氧的沉淀)，这些缺陷将对少子寿命产生一些影响。
CN106653939B采用一步氧化，所述方法在硅片表面产生一层高质量的，有较低的表面态密度的Si-SiO2界面，可以有效的消除表面复合的影响。但是由于硅片在氧化退火过程中不可避免地产生的一些缺陷没有解决，钝化效果差，少子寿命没有达到最佳状态。
CN109742185A公开了一种改善晶硅双面电池小白点的变温变压热氧化工艺，包括以下步骤：(1)上料；(2)进舟；(3)升温；(4)吹扫；(5)抽真空；(6)氧化；(7)回压冷却；(8)出舟；(9)下料。所述方法解决了双面电池背面小白点比例高的问题，但其转换效率没有提升。
因此，本领域需要开发一种提高PERC电池开压的工艺方法，所述方法能够提升电池片的开压，提高转换效率，提升少子寿命。
发明内容
针对现有技术中，热氧化工艺时温度过高过低，硅片表面还存在硅原子的悬挂键导致硅片少子寿命偏低；氧化时间过长，氧由于过饱和度的驱动下会逐渐沉淀下来生产氧沉淀，氧沉淀与硅基体的界面态也能在禁区中产生缺陷能级，成为少数载流子的复合中心等缺点，因此在用热氧化来钝化硅片表面态时，要受到两个相互竞争的因素影响：(1)表面态的消除使得有效少子寿命增加；(2)由于热处理过程中氧沉淀生成引入了更多的少子复合中心，导致有效少子寿命的减少的问题。本发明的目的在于提供一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法及得到的电池片。所述方法通过二步热氧化工艺，不仅可以有效的提高少子的寿命，而且可以提升电池片的开压、提高转换效率。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法，所述方法包括：将硅片依次进行第一热氧化和第二热氧化的过程，第一热氧化的温度>第二热氧化的温度。
本发明所述方法采用两步通氧的热氧化工艺，在第一热氧化温度下通入第一步氧气，使在氧化过程中硅片表面生成的Si-SiO2界面之间过渡层中的硅原子的悬挂键基本被消除，从而提高少子寿命，但是由于氧化产生的自间隙硅原子太多，它们在硅片体内的原生氧沉淀或者其他缺陷处会生成一些二次缺陷，所以在第二热氧化温度(第一热氧化的温度>第二热氧化的温度)状态下通入第二步氧气进行再次表面钝化，从而使得开压提升可达2mV以上，转换效率提高可达0.05％以上。
优选地，所述第一热氧化的温度为760～800℃，例如765℃、770℃、775℃、780℃、785℃、790℃或795℃等。
优选地，所述第一热氧化的时间为20～30min，例如21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min或29min等。
本发明研究了热氧化钝化最佳的温度、时间对硅片少子寿命的影响，找出热氧化钝化最佳的温度、时间；同时研究了氧化过程中硅片中生成的氧沉淀对少子寿命的影响，从而提升电池片的开压，提高转换效率。
从图1的研究结果发现，少子寿命随着温度的升高而延升；在780℃时，少子寿命达到最大值；温度继续上升，少子寿命减少，由此可见780℃是热氧化使硅片表面钝化的最佳温度，因此本申请第一热氧化的温度选择760～800℃；
通过图2可以看出，在780℃下热氧化钝化，随着氧化时间的延长，硅片的少子寿命也延长，这是由于随着表面氧化膜的逐步生成，有表面复合效果的表面态逐渐被消除，到24分钟后，硅片的表面态基本上被消除，因此本申请时间选择为20～30min。
优选地，所述第一热氧化的气氛为含氧气氛，优选第一热氧化气氛中的气体包括氮气和氧气。
优选地，所述第一热氧化过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm，例如13000sccm、14000sccm、15000sccm、16000sccm、17000sccm、18000sccm或19000sccm等。
优选地，所述第一热氧化过程中，氧气的通入量为4000～8000sccm，例如4500sccm、5000sccm、5500sccm、6000sccm、6500sccm、7000sccm或7500sccm等。
优选地，所述第一热氧化过程在常压下进行。
本发明第一热氧化过程效果：在氧化过程中硅片表面生成的Si-SiO2界面之间过渡层中的硅原子的悬挂键基本被消除，从而提高少子寿命。
优选地，所述第二热氧化的温度为630～680℃，例如635℃、640℃、645℃、650℃、655℃、660℃、665℃、670℃或675℃等。
本发明第二热氧化的温度为630～680℃，温度过低，氧化效果不明显，亲水性差；温度过高，影响开压。
优选地，所述第二热氧化的时间为4～6min，例如4.1min、4.3min、4.5min、4.7min、4.9min、5min、5.1min、5.3min、5.5min、5.7min或5.9min等。
优选地，所述第二热氧化的气氛为含氧气氛，优选第二热氧化气氛中的气体包括氮气和氧气。
本发明第二热氧化过程的效果：低温状态下通氧进行表面钝化，消除氧沉淀和二次缺陷。
优选地，所述第一热氧化过程中的氧气通入量>第二热氧化过程中的氧气通入量。
本发明中第一热氧化过程中的氧气通入量大于第二热氧化过程中的氧气通入量，因为：第一步是氧化高温，少子寿命随着温度的升高而延升；在780℃时，少子寿命达到最大值；温度继续上升，少子寿命减少。
优选地，所述第二热氧化过程中，氧气的通入量为500～1000sccm，例如550sccm、600sccm、650sccm、700sccm、750sccm、800sccm、850sccm、900sccm或950sccm等。
优选地，所述第二热氧化过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm，例如13000sccm、14000sccm、15000sccm、16000sccm、17000sccm、18000sccm或19000sccm等。
优选地，所述第二热氧化过程在常压下进行。
优选地，所述硅片为刻蚀和清洗后的硅片。
优选地，所述第一热氧化之前包括升温的过程，优选升温的时间为20～25min，例如21min、22min、23min或24min等。
优选地，所述第一热氧化之后，第二热氧化之前，还包括降温过程。
优选地，所述降温过程为通入氮气进行降温。
优选地，所述降温过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm，例如13000sccm、14000sccm、15000sccm、16000sccm、17000sccm、18000sccm或19000sccm等。
优选地，所述降温过程中，氮气的通入时间为5～8min，例如5.2min、5.5min、5.8min、6min、6.2min、6.5min、6.8min、7min、7.2min、7.5min或7.8min等。
优选地，所述第二热氧化之后，还包括退火的过程。
优选地，所述退火的温度为630～680℃，例如635℃、640℃、645℃、650℃、655℃、660℃、665℃、670℃或675℃等。
优选地，所述退火的时间为6～10min，例如6.2min、6.5min、6.8min、7min、7.2min、7.5min、7.8min、8min、8.2min、8.5min、8.8min、9min、9.2min、9.5min或9.8min等。
优选地，所述退火过程中通入的气体为氮气，优选氮气的通入量为12000～20000sccm，例如13000sccm、14000sccm、15000sccm、16000sccm、17000sccm、18000sccm或19000sccm等。
作为优选技术方案，本发明所述一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法，包括如下步骤：
(1)上料：将经过刻蚀和清洗后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至760～800℃，升温时间为20～25min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持为760～800℃，通入氮气和氧气，氮气通入量为12000～20000sccm，氧气通入量为4000～8000sccm，保持时间为20～30min，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，氮气通入量为12000～20000sccm，时间为5～8min，使温度降至630～680℃；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度为630～680℃，通入氮气和氧气，氧气通入量为500～1000sccm，氮气通入量为12000～20000sccm，保持时间为4～6min，常压；
(7)退火：炉管内保持温度为630～680℃，通入氮气，氮气通入量为12000～20000sccm，时间6～10min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
本发明的目的之二在于提供一种PERC电池片，所述PERC电池片通过目的之一所述的方法得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所述方法采用两步通氧的热氧化工艺，提高了少子寿命，同时提升了电池片的开压(提升2mV)，提高了转换效率(提高0.05％)。
附图说明
图1是本发明中少子寿命随着温度的变化曲线；
图2是本发明中少子寿命随着时间的变化曲线；
图3是本发明中对比例1的氧化工艺路线图；
图4是本发明中实施例1的氧化工艺路线图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)上料：刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(2)升温：温度至780℃，升温时间22min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持为780℃，时间20min，通入氮气和氧气，氮气通入量12000sccm，氧气通入量4000sccm，常压；
(5)降温：通入氮气和氧气，使温度降至650℃，氮气通入量14000sccm，时间6min；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度为650℃，时间5min，通入氮气和氧气，氧气通入量900sccm，氮气通入量12000sccm，常压；
(7)退火：炉管内保持温度为650℃，通入氮气，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
实施例2
(1)上料：刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至780℃，升温时间22min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持780℃，时间22min，通入氮气和氧气，氮气通入量14000sccm，氧气通入量4500sccm，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，降温至650℃，氮气通入量14000sccm，时间6min；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度650℃，时间5min，通入氮气和氧气，氧气通入量800sccm，氮气通入量14000sccm，常压；
(7)退火：炉管内保持温度650℃，通入氮气，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
实施例3
(1)上料：刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至780℃，升温时间22min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持780℃，时间22min，通入氮气和氧气，氮气通入量14000sccm，氧气通入量5500sccm，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，使温度降至650℃，氮气通入量16000sccm，时间6min；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度650℃，时间5min，氧气通入量800sccm，氮气通入量14000sccm，常压；
(7)退火：炉管内保持温度650℃，通入氮气，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
实施例4
(1)上料：刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至780℃，时间25min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持780℃，时间22min，氮气通入量14000sccm，氧气通入量6500sccm，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，使温度降至650℃，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度650℃，时间5min，氧气通入量900sccm，氮气通入量14000sccm，常压；
(7)退火：炉管内保持温度为650℃，通入氮气，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
实施例5
(1)上料：刻蚀完成后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至780℃，升温时间22min，常压；
(4)第一热氧化：温度780℃，时间22min，氮气通入量14000sccm，氧气通入量4500sccm，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，使温度降至650℃，氮气通入量14000sccm，时间6min；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度为650℃，时间5min，氧气通入量900sccm，氮气通入量14000sccm，常压；
(7)退火：温度650℃，氮气通入量14000sccm，时间8min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
图3是本实施例的氧化工艺路线图。
实施例6
与实施例1的区别在于，步骤(6)第二热氧化的温度为600℃。
实施例7
与实施例1的区别在于，步骤(6)第二热氧化的温度为700℃。
对比例1
与实施例1的区别在于，不进行步骤(6)第二热氧化的过程。
图4为本对比例的氧化工艺路线图。
性能测试：
将各实施例和对比例得到的电池片进行电性能测试，其结果如表1所示：
表1
通过表1可以看出，采用本发明的方法可以提升开压和效率。开压提升可达2mV以上，转换效率提高可达0.05％以上。
通过实施例1与实施例6对比可知，第二热氧化温度过低，导致氧化效果不明显，亲水性差，影响电池效率。
通过实施例1与实施例7对比可知，第二热氧化温度过高，会影响开压。
通过实施例1与对比例1对比可知，第二热氧化为必要步骤，具有表面钝化、消除氧沉淀和二次缺陷的作用，不进行第二热氧化步骤，对导致开压和电池效率的下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (25)
1.一种提高PERC电池开压的热氧化工艺方法，其特征在于，所述方法包括：将硅片依次进行第一热氧化和第二热氧化的过程，第一热氧化的温度>第二热氧化的温度；
所述第一热氧化的温度为760～780℃，时间为20～30min；
所述第二热氧化的温度为630～680℃，时间为4～6min；
所述硅片为刻蚀和清洗后的硅片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的气氛为含氧气氛。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的气氛中的气体包括氮气和氧气。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的过程中，氧气的通入量为4000～8000sccm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的过程在常压下进行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化的气氛为含氧气氛。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化的气氛中的气体包括氮气和氧气。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化的过程中的氧气通入量>第二热氧化过程中的氧气通入量。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化的过程中，氧气的通入量为500～1000sccm。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化的过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化的过程在常压下进行。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化之前包括升温的过程。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述升温的时间为20～25min。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热氧化之后，第二热氧化之前，还包括降温过程。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述降温过程为通入氮气进行降温。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述降温过程中，氮气的通入量为12000～20000sccm。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述降温过程中，氮气的通入时间为5～8min。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二热氧化之后，还包括退火的过程。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述退火的温度为630～680℃。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述退火的时间为6～10min。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述退火的过程中通入的气体为氮气。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述氮气的通入量为12000～20000sccm。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)上料：将经过刻蚀和清洗后的硅片插入石英舟里；
(2)进舟：将插入石英舟的硅片送入炉管；
(3)升温：升温至760～780℃，升温时间为20～25min，常压；
(4)第一热氧化：炉管内温度保持为760～780℃，通入氮气和氧气，氮气通入量为12000～20000sccm，氧气通入量为4000～8000sccm，保持时间为20～30min，常压；
(5)降温：向炉管内通入氮气，氮气通入量为12000～20000sccm，时间为5～8min，使温度降至630～680℃；
(6)第二热氧化：炉管内保持温度为630～680℃，通入氮气和氧气，氧气通入量为500～1000sccm，氮气通入量为12000～20000sccm，保持时间为4～6min，常压；
(7)退火：炉管内保持温度为630～680℃，通入氮气，氮气通入量为12000～20000sccm，时间6～10min；
(8)出舟：氧化完成后将石英舟从炉管里取出；
(9)下料：将石英舟的硅片进行卸片。
25.一种PERC电池片，其特征在于，所述PERC电池片通过权利要求1-24之一所述的方法得到。
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