CN112259614A - 一种叠层薄膜钝化接触结构的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叠层薄膜钝化接触结构的制备方法及其应用，制备方法包括以下步骤：首先在硅片表面生长一层氧化硅层，然后在所述氧化硅层表面上沉积一层本征或掺杂的碳硅薄膜，最后在所述碳硅薄膜表面再沉积至少一层掺杂的非晶硅薄膜层，并进行780‑1100oC的高温晶化处理，形成隧穿氧化硅钝化接触结构；本发明避免了硅薄膜破裂现象，保持了钝化性能，能够确保进行后继丝印烧结；保持了较低的方块电阻，有利于保持金属接触和载流子的横向输运，结构完全兼容现有PECVD技术，无需增加设备，可拓展性强。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体讲是一种一种叠层薄膜钝化接触结构的制备方法及其应用。
背景技术
钝化接触也叫载流子选择性收集，是近年来硅太阳电池的热点研究方向。钝化接触结构能够在硅表面形成显著的能带弯曲，使一种载流子通过而另一种载流子无法通过，形成很好的载流子收集，同时又能抑制载流子在界面的复合。因此，钝化接触结构可以实现高效钝化和载流子收集，消除硅与金属的直接接触，因而能够提高钝化效果，使太阳电池获得很高的开路电压。
隧穿氧化硅钝化接触晶硅太阳电池是一种典型的钝化接触电池，英文也称TOPCon，其典型的器件结构如图1所示。需要说明的是，其他一些技术如POLO、monoPoly、PERPoly等也是基于氧化硅/掺杂多晶硅的结构，只是名称有所不同而已。TOPCon技术具有结构简单、钝化效果好、可承受高温工艺、兼容现有产线、可有效提升电池效率等优点，因此被产业界和学术界关注。
常规的TOPCon晶硅太阳电池的主要特征功能层由两部分组成：氧化硅钝化隧穿层、多晶硅载流子收集层。目前，隧穿氧化硅钝化结构可以实现非常优异的钝化效果。隐含开路电压(iVoc)和单面饱和暗电流(J0)是表征钝化效果的两个关键指标，其中iVoc越高越好、J0则越低越好。通常而言，钝化效果好的n型TOPCon，其iVoc>730mV,J0<7fA/cm2，其接触电阻率均可以低于20mΩcm2，满足全背面接触高效电池所需的接触电阻率需求。
目前，各大光伏制造厂商已经开始研究TOPCon结构的商用化进程。基于掺杂多晶硅的TOPCon结构已经成为一种重要的下一代高效光伏技术，具有重大的应用前景。
TOPCon技术在制备掺杂多晶硅方面存在两大技术路线：一是采用低压化学气相沉积(LPCVD)路线，另一种则是等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)路线。相比于LPCVD路线，PECVD路线可以实现高速的原位掺杂薄膜沉积、且不产生绕镀，被认为是更适合于工业生产的技术路线。
PECVD技术路线的具体实现方式是：首先在硅片表面制备一层氧化硅，接着采用PECVD沉积一层掺杂非晶硅，然后进行高温晶化处理，使非晶硅形成多晶硅，从而制备TOPCon结构。
然而，PECVD路线存在一个问题，为了降低多晶硅薄膜层的方块电阻，必须增加PECVD沉积非晶硅薄膜的厚度，不过高厚度的非晶硅在高温晶化过程中易产生剥落。非晶硅薄膜剥落的原因并不清楚，通常认为是PECVD长的非晶硅薄膜中氢含量过高，退火过程中氢会溢出，破坏界面硅薄膜与氧化硅的粘附，使得硅薄膜剥落，导致TOPCon结构的钝化性能显著下降，且不再适合后继的丝印烧结处理。
解决硅薄膜晶化过程剥落问题是PECVD技术路线存在的重大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种硅薄膜不易剥落、钝化效果好的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法及其应用。
本发明的技术解决方案如下：一种叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，包括以下步骤：首先在硅片表面生长一层氧化硅层，然后在所述氧化硅层表面上沉积一层本征或掺杂的碳硅薄膜，最后在所述碳硅薄膜表面再沉积至少一层掺杂的非晶硅薄膜层，并进行780-1100℃的高温晶化处理，形成隧穿氧化硅钝化接触结构。
作为优选，所述硅薄膜层的掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
作为优选，所述氧化硅层的厚度为1.0-3.5nm。
作为优选，所述碳硅薄膜厚度3-50nm。
作为最优选，所述碳硅薄膜厚度为10-20nm。
作为优选，所述碳硅薄膜中碳在碳硅薄膜中的原子浓度＞5at％。
所述掺杂的碳硅薄膜为掺杂的薄膜，其掺杂原子可以是提供电子的氮、磷、砷或提供空穴的硼、铝、镓。
本发明提供一种叠层薄膜钝化接触结构的应用，用于隧穿氧化硅钝化接触晶硅太阳电池中。
本发明叠层薄膜钝化接触结构的优点在于：1)避免了硅薄膜破裂现象，保持了钝化性能，能够确保进行后继丝印烧结。2)保持了较低的方块电阻，有利于保持金属接触和载流子的横向输运。3)结构完全兼容现有PECVD技术，无需增加设备，可拓展性强。
叠层薄膜能够同时实现上述目标的原因在于：碳硅薄膜与氧化硅具有较好的粘附力，同时碳硅薄膜也具有较高的强度。因此，在高温晶化处理过程中，碳硅薄膜不易发生剥落。同时，碳硅薄膜中的碳含量可以根据灵活调节，增加碳含量可以提升薄膜的粘附性和强度。由于碳的引入会增加碳硅薄膜的电阻率。如果采用掺杂的碳硅薄膜完全取代掺杂非晶硅薄膜，则会导致薄膜整体方块电阻过高(通常会>200Ω/sq)，不利于载流子的横向传输。为了实现低的薄膜方块电阻，本发明采用了叠层结构解决方案，即在底层碳硅薄膜上面再覆盖重掺杂的非晶硅薄膜，非晶硅薄膜的电阻率低，可以将方块电阻降低到目标值，从而保持了载流子的横向传输性能。碳硅薄膜对杂质的扩散阻挡能力较强，有利于保持器件的稳定性。
本发明的有益效果是：本发明具有以下优点：
1)采用叠层薄膜取代单层硅薄膜，其中与氧化硅接触的底层薄膜为碳硅薄膜，由于碳硅薄膜有很强的粘附力和强度，有利于避免传统单层硅薄膜在高温退火过程中出现的剥落现象，从而保持优异的钝化效果，有利于电池获得高的开路电压、短路电流和填充因子。
2)在底层碳硅薄膜之上制备具有合适厚度重掺杂的多晶硅薄膜，利用多晶硅薄膜低的电阻率，实现适合于电池用的背面薄膜方阻，从而减低串联电阻，有利于电池获得高的填充因子。
3)叠层薄膜的结构组合可以根据电池设计而灵活调整，可以全部在PECVD中制备，具有高度灵活性，有利于实现不同的器件性能。碳硅薄膜对杂质的扩散阻挡能力较强，有利于保持器件的稳定。
附图说明
图1为现有技术中的TOPCon器件结构。
图2为非晶硅薄膜剥落的光学显微镜照片。
图3为碳硅薄膜-硅薄膜叠层没有爆膜的光学显微镜照片。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所用n型硅片为180μm的太阳能级直拉单晶硅片，双面碱抛光，电阻率为1-7Ω·cm。
本发明实施例中钝化片的制备方法：采用500-700℃热氧化法制备表面氧化硅层；接着放入PECVD腔室，以硅烷、磷烷、甲烷(或氨气)、氢气为反应气体，沉积一层不同厚度的磷掺杂的碳硅薄膜；然后再以硅烷、磷烷、氢气为反应气体，沉积一层或多层厚度为80-200nm的磷掺杂的非晶硅薄膜；接着放入管式退火炉中进行800-1000℃高温处理30min；最后测试钝化性能和接触性能。
对比例中钝化片的制备方法：采用了掺磷的非晶硅薄膜制备TOPCon结构，其制备方法：采用500-700℃热氧化法制备表面氧化硅层；接着放入PECVD腔室，以硅烷、磷烷、氢气为反应气体，沉积一层厚度为80-200nm的磷掺杂的非晶硅薄膜；接着放入管式退火炉中进行800-1000℃高温处理30min；最后测试钝化性能和接触性能。
实施例1磷掺杂多叠层碳硅/硅薄膜的钝化效果和薄膜方阻
分别制备了不同结构的叠层结构的薄膜，进行880℃退火30min处理，获得如下钝化和接触性能。
实施例2磷掺杂多叠层碳硅/硅薄膜用于太阳电池
电池结构依然如图1所示，首先对n型硅片前表面进行扩硼处理，形成p+发射极；进行背面碱抛光处理；接着按照上述方法，采用热氧化法在背面制备一层氧化层；采用PECVD法分别沉积不同结构的碳硅薄膜，并在880℃下退火30min；接着制备前表面Al2O3/SiN和背表面的SiN钝化层，采用丝网印刷法烧结前后电极。最后采用Newport Oriel,SoliA测试电池效率。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：首先在硅片表面生长一层氧化硅层，然后在所述氧化硅层表面上沉积一层本征或掺杂的碳硅薄膜，最后在所述碳硅薄膜表面再沉积至少一层掺杂的非晶硅薄膜层，并进行780-1100oC的高温晶化处理，形成隧穿氧化硅钝化接触结构。
2.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述硅薄膜层的掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1021cm-3 。
3.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述氧化硅层的厚度为1.0-3.5 nm。
4.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述碳硅薄膜厚度3-50nm。
5.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述碳硅薄膜厚度为10-20nm。
6.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述碳硅薄膜中碳在碳硅薄膜中的原子浓度＞5at%。
7.根据权利要求1所述的叠层薄膜钝化接触结构的制备方法，其特征在于：所述碳硅薄膜为掺杂薄膜，其掺杂原子可以是提供电子的氮、磷、砷或提供空穴的硼、铝、镓。
8.一种权利要求1-7中任一项所述的叠层薄膜钝化接触结构的应用，其特征在于：用于隧穿氧化硅钝化接触晶硅太阳电池中。
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