CN113097341B - 一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法 - Google Patents

一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法，属于PERC电池制备技术领域。本发明将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，制备AlOx多层/渐变钝化膜，其中，底层AlOx膜采用低功率和低脉冲开关比工艺条件，且底层AlOx膜和中层AlOx膜采用低沉积速率和高氧含量的工艺条件，顶层AlOx膜采用高沉积速率工艺条件。本发明底层和中层通过低沉积速率和高氧含量的工艺条件，降低对硅片表面氧化硅的破坏，提升背面钝化层的表面化学钝化效果；同时增加了AlOx的负电荷密度，提高了背面钝化层的场钝化效果。另外，外层采用高沉积速率工艺，确保整体工艺时间不受影响。通过本发明提供的技术路线制备的PERC电池片，转换效率可以提升0.05‑0.08％。

Description

一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法
技术领域
本发明涉及PERC电池制备技术领域，更具体地说，涉及一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法。
背景技术
晶硅太阳能电池是一种利用PN结的光生伏特效应将光能转换成电能的器件，其中PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)太阳能电池最早起源于上世纪八十年代，由澳洲新南威尔士大学的Martin Green研究组开发而成。有别于常规太阳能电池，其在电池背表面采用了介质膜钝化和局域金属接触的技术，使得背表复合速率显著降低、增加电池的背反射，从而大幅提升了电池的长波效应。本世纪初，用于P型PERC电池背面的AlOx介质膜的钝化作用的发现及研究，使得PERC电池的产业化逐步成为可能。随后随着沉积AlOx产业化制备技术和设备的成熟，加上激光技术的引入，PERC技术开始逐步走向产业化。由于工艺简单、成本较低，2017年以后，PERC电池已逐步发展成市场上主流的高效太阳能电池产品和技术。
目前，AlOx钝化层的制备方式主要有原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、等离子体增强化学气相层级(PECVD)的方式，物理气相沉积(PVD)用的较少。其中，ALD和PEALD制备原理是先后将氧化铝的前驱体及氧化剂前驱体通入反应腔体，然后通过前驱体在硅片表面上的吸附、反应完成一层原子层尺度的AlOx层制备，如此循环不同次数制备出设定厚度的AlOx钝化层，此处得到的AlOx钝化层是采用同一工艺条件来制备的，所以通常统一称为单层膜。每次循环及一种前驱体吸附后，均需吹扫腔体，去除反应物和多余前驱体。PECVD是一种用等离子体激活反应气体，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应，生成固态膜的技术。其基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，使得AlOx的几种反应气体激活并实现化学气相沉积。
由于管式PECVD技术具备成膜速率高，易维护，Uptime高、工艺灵活以及和氮化硅膜可实现同机台同管制备等特点，具有显著的综合成本优势，逐步成为电池厂商的首选。但是，目前采用PECVD制备AlOx膜的工艺，AlOx膜均为单层膜(ALD、PEALD等方式也一样)。其制备的AlOx膜在表面化学钝化和场钝化的钝化效果方面还存在提升空间，且PECVD制备钝化膜时，对硅片基体存在等离子体的轰击损伤，破坏硅片表面的化学钝化效果。所以，如何缩小钝化方面的差异，提高PECVD方式制备的PERC电池片转换效率仍是需要持续改进的问题。
针对PECVD方式制备的AlOx膜在表面化学钝化和场钝化的钝化效果方面存在的问题，专利公告号CN 107749429 B，公开了一种提升PERC电池背钝化性能的AlOx沉积工艺；该申请案在板式PECVD工艺上，通过对AlOx膜工艺气体流量的调整，在硅片表面和AlOx层之间引起一层富氧薄膜，改善表面化学钝化效果，但该工艺还存在优化空间。
专利公布号CN 110767757 A公开了一种高效PERC电池背面氧化铝膜及其制备方法，该申请案公开了一种管式PECVD工艺，包括：(1)采用TMA与N2O在硅片背面进行PECVD沉积，形成氧化铝层；(2)通入NH3引入氢源，进入氧化铝层以及P型硅表层，在P型硅背表面形成高氢介质膜；(3)通入N2O，将未反应的TMA充分反应。该申请案在AlOx膜和SiNx膜之间分步引入NH3和N2O，分别提供H钝化和对未反应完全的TMA进行处理，从而提升整个钝化效果。
专利公布号CN 111192935 A公开了一种管式PERC太阳能电池背钝化结构及其制备方法；该申请案首先在太阳能电池片背面形成氧化铝层；然后在管式PECVD设备中通入含氧混合气体，并采用所述含氧混合气体形成的等离子体对所述氧化铝层进行处理，以提升所述氧化铝层的负电荷密度；最后，在氧化铝层上形成至少一层氮化硅层。该申请案通过采用含氧混合气体对氧化铝钝化层进行处理，提升AlOx膜的负电荷密度从而提升场钝化效果。
上述申请案虽均能在一定程度上提升AlOx膜的场钝化效果，但均存在改善空间，特别是对AlOx膜的表面化学钝化效果的改善，存在较大改善空间。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种PERC电池、其AlOx镀膜工艺、多层AlOx背钝化结构及方法；本发明采用AlOx多层/渐变膜，底层和中层通过低沉积速率和高氧含量的工艺条件，降低对硅片表面氧化硅的破坏，提升背面钝化层的表面化学钝化效果；同时增加了AlOx的负电荷密度，提高了硅片背表面的场钝化效果。同时外层采用高沉积速率工艺，确保整体工艺时间不受影响。通过本发明提供的技术路线制备的PERC电池片，转换效率可以提升0.05-0.08％。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种PERC电池的AlOx镀膜工艺，将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，制备AlOx多层/渐变钝化膜，其中，底层AlOx膜采用低功率和低脉冲开关比工艺条件制备，且底层AlOx膜和中层AlOx膜采用低沉积速率和高氧含量的工艺条件制备，顶层AlOx膜采用高沉积速率工艺条件制备。
更进一步地，将PECVD设备腔体抽真空到100-2000mtorr的压强下并将腔体温度加热到300-400℃后，通入笑气和TMA的反应气体，打开射频电源制备AlOx多层/渐变钝化膜，AlOx多层/渐变钝化膜采用三层膜结构。
更进一步地，AlOx多层/渐变钝化膜镀膜工艺条件，具体如下：
底层(接近硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3500-4500sccm，TMA流量：30-60sccm；射频功率：4000-6000W；脉冲开关比20：(1200-1500)；工艺时间20-50s；
中层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3000-4000sccm，TMA流量：40-80sccm；射频功率：5000-7000W；脉冲开关比20：(1000-1200)；工艺时间40-60s；
顶层(远离硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：2000-3000sccm，TMA流量：50-1000sccm；射频功率：6000-8000W；脉冲开关比20：(800-1000)；工艺时间50-70s。
本发明的一种PERC电池的多层AlOx背钝化方法，其步骤为：
步骤一、采用单插(双面长氧化硅)、正靠正(背面朝外)或背靠背加大氧流量工艺，在硅片基体上制备氧化硅层；
步骤二、采用所述的镀膜工艺制备AlOx多层/渐变钝化膜；
步骤三、对PECVD设备腔体进行升温，同时通入NH3和N2O，对AlOx多层/渐变钝化膜进行H钝化和氧化处理；
步骤四、在腔体升温到400-550℃时，制备氮化硅膜，或氮化硅与氮氧化硅、氧化硅中的一种或多种的复合膜。
更进一步地，步骤一采用背靠背方式，热氧化工艺条件为：温度650-750℃，氧气流量2500-4000sccm，时间20-40min。
更进一步地，步骤三所述的对AlOx多层/渐变钝化膜进行H钝化和氧化处理的工艺条件为：NH3和N2O的流量控制在1000-4000sccm，真空压强500-2000mtorr，射频功率：2500-5000W，脉冲开关比30：(100-500)，工艺时间100-300s。
本发明的一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，包括硅片基体、氧化硅层，所述的氧化硅层设置在硅片基体上，所述的氧化硅层上设置AlOx多层/渐变钝化膜，该AlOx多层/渐变钝化膜采用所述工艺条件制备。
更进一步地，所述的AlOx多层/渐变钝化膜优选三层膜结构，其AlOx底层、AlOx中层、AlOx顶层采用所述的底层AlOx膜工艺条件、中层AlOx膜工艺条件、顶层AlOx膜工艺条件制备。
更进一步地，该背钝化结构采用所述的背钝化方法制得。
本发明的一种PERC电池，包括所述的背钝化结构。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明在镀AlOx钝化膜之前，通过热氧化退火工艺，增加了硅片背面氧化硅的厚度和致密性；同时，AlOx钝化膜采用多层/渐变膜方式，底层采用低功率和脉冲开关比工艺，降低了对硅片表面氧化硅的破坏，提升了背面钝化层的表面化学钝化效果。
(2)本发明采用AlOx多层/渐变膜，底层和中层通过低沉积速率和高氧含量的工艺条件，增加了AlOx的负电荷密度，提高了硅片背表面的场钝化效果。同时外层采用高沉积速率工艺，确保了整体工艺时间不受影响。
(3)本发明采用NH3和N2O同时对AlOx膜进行氢化和氧化处理，增加了AlOx膜的H钝化效果和负电荷密度引起的场钝化效果。
(4)通过本发明提供的技术路线制备的PERC电池片，转换效率可以提升0.05-0.08％。
附图说明
图1为本发明中电池结构切面图。
示意图中的标号说明：
1、硅片基体；2、氧化硅层；3、AlOx底层；4、AlOx中层；5、AlOx顶层；6、氮化硅复合层。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，包括硅片基体1、氧化硅层2、AlOx层和氮化硅复合层6，所述的氧化硅层2设置在硅片基体1背面，氧化硅层2上设置AlOx层，该AlOx层为AlOx多层/渐变钝化膜，其中，底层AlOx膜采用低功率和低脉冲开关比工艺条件制备，且底层AlOx膜和中层AlOx膜(在AlOx层采用两层结构的情况下，可没有中层AlOx膜)采用低沉积速率和高氧含量的工艺条件制备，顶层AlOx膜采用高沉积速率工艺条件制备。
本实施例优先三层膜结构，具体工艺如下：
将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，将腔体抽真空到100mtorr的压强下并将腔体温度加热到300℃后，通入笑气和TMA的反应气体，打开射频电源制备AlOx钝化膜。
其中，底层(接近硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3500sccm，TMA流量：30sccm；射频功率：4000W；脉冲开关比20：1200；工艺时间20s；
中层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3000sccm，TMA流量：40sccm；射频功率：5000W；脉冲开关比20：1000；工艺时间40s；
顶层(远离硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：2000sccm，TMA流量：50sccm；射频功率：6000W；脉冲开关比20：800；工艺时间50s。
实施例2
本实施例的一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的AlOx镀膜工艺条件，如下：
将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，将腔体抽真空到2000mtorr的压强下并将腔体温度加热到400℃后，通入笑气和TMA的反应气体，打开射频电源制备AlOx钝化膜。
其中，底层(接近硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：4500sccm，TMA流量：60sccm；射频功率：6000W；脉冲开关比20：1500；工艺时间50s；
中层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：4000sccm，TMA流量：80sccm；射频功率：7000W；脉冲开关比20：1200；工艺时间60s；
顶层(远离硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3000sccm，TMA流量：1000sccm；射频功率：8000W；脉冲开关比20：1000；工艺时间70s。
实施例3
本实施例的一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的AlOx镀膜工艺条件，如下：
将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，将腔体抽真空到200mtorr的压强下并将腔体温度加热到350℃后，通入笑气和TMA的反应气体，打开射频电源制备AlOx钝化膜。
其中，底层(接近硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：4000sccm，TMA流量：50sccm；射频功率：5000W；脉冲开关比20：1300；工艺时间50s；
中层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3500sccm，TMA流量：70sccm；射频功率：6000W；脉冲开关比20：1100；工艺时间50s；
顶层(远离硅片表面)AlOx膜工艺条件为：笑气流量：2500sccm，TMA流量：500sccm；射频功率：7000W；脉冲开关比20：900；工艺时间60s。
实施例1-3底层和中层通过低沉积速率和高氧含量的工艺条件，增加了AlOx的负电荷密度，提高了硅片背表面的场钝化效果。同时外层采用高沉积速率工艺，确保了整体工艺时间不受影响。
实施例4
本实施例的一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的多层AlOx背钝化过程如下：
1.热氧化退火：采用背靠背加大氧流量工艺，增加硅片背面氧化硅的厚度和致密性。热氧化采用650℃下，氧气流量2500sccm，时间20min。
2.多层AlOx膜：采用实施例1所述PECVD方式制备多层AlOx渐变膜，其中底层采用低功率，低脉冲开关比的镀膜工艺条件。
3.AlOx膜氢化和氧化处理：在腔体升温过程中，同时通入NH3和N2O，流量在1000sccm，真空压强500mtorr，射频功率：2500W，脉冲开关比30：100，工艺时间100s。对AlOx膜进行H钝化和氧化处理。
4.氮化硅复合膜：在腔体升温到400℃时，制备氮化硅膜，或氮化硅与氮氧化硅、氧化硅中的一种或多种的复合膜。
实施例5
本实施例的多层AlOx背钝化过程如下：
1.热氧化退火：采用背靠背加大氧流量工艺，增加硅片背面氧化硅的厚度和致密性。热氧化采用750℃下，氧气流量4000sccm，时间40min。
2.多层AlOx膜：采用实施例2所述PECVD方式制备多层AlOx渐变膜，其中底层采用低功率，低脉冲开关比的镀膜工艺条件。
3.AlOx膜氢化和氧化处理：在腔体升温过程中，同时通入NH3和N2O，流量在4000sccm，真空压强2000mtorr，射频功率：5000W，脉冲开关比30：500，工艺时间300s。对AlOx膜进行H钝化和氧化处理。
4.氮化硅复合膜：在腔体升温到550℃时，制备氮化硅膜，或氮化硅与氮氧化硅、氧化硅中的一种或多种的复合膜。
实施例6
本实施例的多层AlOx背钝化过程如下：
1.热氧化退火
采用单插方式，在碱抛工艺后的硅片上双面制备氧化硅，热氧化工艺在700℃下，氧气流量2000sccm，时间25min。
2.多层AlOx膜
将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，将腔体抽真空到1000mtorr的压强下并将腔体温度加热到350℃后，①制备底层AlOx，工艺条件为：笑气流量4000sccm，TMA流量50sccm，射频功率5000W，脉冲开关比20：1400，工艺时间30s；随后②制备中层AlOx，工艺条件为：笑气流量3500sccm，TMA流量60sccm，射频功率6000W，脉冲开关比20：1100，工艺时间50s；紧接着③制备顶层AlOx，工艺条件为：笑气流量2500sccm，TMA流量80sccm，射频功率7000W，脉冲开关比20：1000，工艺时间70s；
3.AlOx膜氢化和氧化处理
制备完AlOx膜后，将腔体进行升温。通入NH3流量3000sccm和N2O流量3000sccm，真空压强1000mtorr，射频功率：4000W，脉冲开关比30：200，工艺时间250s。对AlOx膜进行H钝化和氧化处理。
4.氮化硅复合膜：在腔体升温到480℃时，制备氮化硅膜，或氮化硅与氮氧化硅、氧化硅中的一种或多种的复合膜。
实施例4-6在镀AlOx钝化膜之前，通过热氧化退火工艺，增加了硅片背面氧化硅的厚度和致密性；同时，AlOx钝化膜采用多层/渐变膜方式，底层采用低功率和脉冲开关比工艺，降低了对硅片表面氧化硅的破坏，提升了背面钝化层的表面化学钝化效果。采用NH3和N2O同时对AlOx膜进行氢化和氧化处理，增加了AlOx膜的H钝化效果和负电荷密度引起的场钝化效果。
实施例7
本实施例的一种PERC电池，其可采用如实施例4-6任一的背钝化结构。通过以上技术路线制备的PERC电池片，转换效率可以提升0.05-0.08％。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种PERC电池的AlOx镀膜工艺，其特征在于：将经过热氧化退火后的硅片置入管式PECVD设备中，制备AlOx多层/渐变钝化膜，其中，底层AlOx膜采用低功率和低脉冲开关比工艺条件制备，且底层AlOx膜和中层AlOx膜采用低沉积速率和高氧含量的工艺条件制备，顶层AlOx膜采用高沉积速率工艺条件制备；AlOx多层/渐变钝化膜镀膜工艺条件，具体如下：
底层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3500-4500sccm，TMA流量：30-60sccm；射频功率：4000-6000W；脉冲开关比20：(1200-1500)；工艺时间20-50s；
中层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：3000-4000sccm，TMA流量：40-80sccm；射频功率：5000-7000W；脉冲开关比20：(1000-1200)；工艺时间40-60s；
顶层AlOx膜工艺条件为：笑气流量：2000-3000sccm，TMA流量：50-1000sccm；射频功率：6000-8000W；脉冲开关比20：(800-1000)；工艺时间50-70s。
2.根据权利要求1所述的一种PERC电池的AlOx镀膜工艺，其特征在于：将PECVD设备腔体抽真空到100-2000mtorr的压强下并将腔体温度加热到300-400℃后，通入笑气和TMA的反应气体，打开射频电源制备AlOx多层/渐变钝化膜。
3.一种PERC电池的多层AlOx背钝化方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一、采用单插、正靠正或背靠背加大氧流量工艺，在硅片基体上制备氧化硅层；
步骤二、采用权利要求1或2所述的镀膜工艺制备AlOx多层/渐变钝化膜；
步骤三、对PECVD设备腔体进行升温，同时通入NH3和N2O，对AlOx多层/渐变钝化膜进行H钝化和氧化处理；
步骤四、在腔体升温到400-550℃时，制备氮化硅膜，或氮化硅与氮氧化硅、氧化硅中的一种或多种的复合膜。
4.根据权利要求3所述的一种PERC电池的多层AlOx背钝化方法，其特征在于：步骤一采用背靠背方式，热氧化工艺条件为：温度650-750℃，氧气流量2500-4000sccm，时间20-40min。
5.根据权利要求4所述的一种PERC电池的多层AlOx背钝化方法，其特征在于：步骤三所述的对AlOx多层/渐变钝化膜进行H钝化和氧化处理的工艺条件为：NH3和N2O的流量控制在1000-4000sccm，真空压强500-2000mtorr，射频功率：2500-5000W，脉冲开关比30：(100-500)，工艺时间100-300s。
6.一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，包括硅片基体(1)、氧化硅层(2)，所述的氧化硅层(2)设置在硅片基体(1)上，其特征在于：所述的氧化硅层(2)上设置AlOx多层/渐变钝化膜，该AlOx多层/渐变钝化膜采用权利要求1所述工艺条件制备。
7.一种PERC电池的多层AlOx背钝化结构，其特征在于：该背钝化结构采用如权利要求3-5任一项所述的背钝化方法制得。
8.一种PERC电池，其特征在于：包括如权利要求6或7所述的背钝化结构。
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