CN113937192A - 硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，包括如下步骤：a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；b、形成氧化硅钝化层后，向所述反应腔室内通入硅烷气体，沉积第一本征非晶硅薄膜；c、第一本征非晶硅薄膜形成后，向所述反应腔室内通入硅烷和氢气的混合气体，沉积第二本征非晶硅薄膜。本发明的方法能够在抑制外延的基础上降低对衬底表面的损伤，降低界面载流子复合，提高钝化效果，提高了电池开路电压和转换效率。

Description

硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法
技术领域
本发明属于硅异质结太阳电池技术领域，具体涉及一种硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法。
背景技术
在诸多类型的太阳电池中，硅异质结太阳电池因具有转换效率高、温度系数低、无LID 及PID衰减等优点而逐渐在光伏产业确立显著的优势地位。硅异质结电池获得高效率的一个重要原因是本征非晶硅薄膜对晶硅衬底表面的优异钝化作用保证了电池的高开路电压。本征非晶硅薄膜对晶硅表面的钝化效果与薄膜沉积工艺密切相关，通过薄膜沉积工艺的优化以减少载流子在非晶硅/晶硅界面处的复合，提升界面钝化能力，从而提高电池开路电压。
现有技术中涉及制备钝化层的方案主要包括两种：
一种方式是采用单层本征非晶硅薄膜钝化晶硅表面，在沉积过程中通入大量氢气来稀释硅烷，以降低薄膜内缺陷密度，提高薄膜本身质量。该方法中，在晶硅与本征非晶硅界面处极易形成外延生长层，该外延层会导致界面较多的悬挂键未被钝化从而对界面钝化作用产生严重危害。
另一种是采用叠层本征非晶硅薄膜钝化晶硅表面时，靠近晶硅基底的第一层本征非晶硅薄膜为质量较差的多孔结构以避免外延，为保证等离子体稳定和制备3-10nm的第一层非晶硅，第一层工艺所需功率通常在50-80mW/cm2保持20-50s；其上的第二层本征非晶硅薄膜在沉积过程中通入大量氢气，利用氢原子钝化晶硅界面处的悬挂键，以达到较好的钝化效果。该技术在沉积第一层非晶硅过程中较高的功率会对衬底表面的等离子体造成损伤，会增加硅片的表面缺陷密度，从而严重影响非晶硅与晶硅界面的钝化性能，不利于电池开路电压的提高。
因此，需要开发一种能够显著提升电池开路电压并能够避免外延生长层的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：由于现有的本征非晶硅钝化层制备过程中会出现外延生长以及等离子体损伤的技术缺陷，影响界面钝化效果，需要对硅异质结太阳电池的本征非晶硅薄膜的制备方法进行改进。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，该方法能够在抑制外延的基础上降低对衬底表面的损伤，降低界面载流子复合，提高钝化效果。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；
b、形成氧化硅钝化层后，向所述反应腔室内通入硅烷气体，沉积第一本征非晶硅薄膜；
c、第一本征非晶硅薄膜形成后，向所述反应腔室内通入硅烷和氢气的混合气体，沉积第二本征非晶硅薄膜。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法的优点和技术效果， 1、本发明实施例的方法中，采用RF-PECVD技术，分步沉积制备本征非晶硅钝化层，采用二氧化碳对硅片样品进行表面等离子体处理，在样品表面形成极薄的氧化硅隧穿层，为硅片表面提供第一道钝化；2、本发明实施例的方法中，在第一步形成氧化硅隧穿层的钝化基础上，第二步和第三步分别沉积第一本征非晶硅薄膜和第二本征非晶硅薄膜，形成叠层本征非晶硅钝化层，进一步增强了钝化；3、本发明实施例的方法中，第一本征非晶硅薄膜在非常低氢气含量甚至无氢气的环境中沉积，有效抑制了薄膜的外延生长；4、本发明实施例的方法中，第二本征非晶硅薄膜在沉积过程中通入氢气，钝化晶硅界面，形成了高质量的薄膜；5、本发明实施例的方法，简单易操作，有效解决了本征非晶硅薄膜制备过程中的外延生长和高等离子损伤问题，所形成的氧化硅+双层本征非晶硅的三层钝化结构有利于降低晶硅与非晶硅界面处的表面复合速率，提高电池开路电压和转换效率，采用本发明方法钝化的电池开路电压在745mV以上，相对常规钝化，其电池效率提高了0.15％以上。
在一些实施例中，所述步骤a中，所述氧化硅钝化层的厚度为1-5nm。
在一些实施例中，所述步骤a中，所述二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm，所述沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s。
在一些实施例中，所述步骤b中，所述沉积功率为20-60mW/cm2，沉积时间为3-20s，所述硅烷气体流量为1000-5000sccm。
在一些实施例中，所述步骤b中，所述反应腔室中通入氢气，所述氢气与所述硅烷气体流量比为0.1-0.5。
在一些实施例中，所述步骤c中，所述沉积功率为15-50mW/cm2，沉积时间为5-50s，所述氢气流量为3000-20000sccm，所述氢气与硅烷流量比为2～25。
在一些实施例中，所述步骤b中，沉积形成第一本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理；和/或，所述步骤c中，沉积形成第二本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理。
在一些实施例中，所述步骤b和/或步骤c中，所述氢等离子体处理处理功率为 15-160mW/cm2范围，氢气流量为5000～25000sccm，处理时间为5～50s。
在一些实施例中，所述步骤b中，所述第一本征非晶硅薄膜的厚度为2～10nm；和/或，所述步骤c中，所述第二本征非晶硅薄膜的厚度3～15nm。
本发明实施例还提供了一种硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；
b、形成氧化硅钝化层后，沉积第一本征非晶或微晶硅基薄膜；
c、第一本征非晶硅基薄膜形成后，沉积第二本征非晶或微晶硅基薄膜。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法的优点和技术效果，本发明实施例的方法采用二氧化碳先对硅片样品进行表面等离子体处理，在样品表面形成极薄的氧化硅隧穿层，为硅片表面提供第一道钝化，同本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法的优点类似，这里不再赘述。
在一些实施例中，所述第一或第二本征非晶或微晶硅基薄膜为a-SiCx:H、μc-SiCx:H、 a-SiOx:H或μc-SiOx:H。
在一些实施例中，所述步骤a中，所述沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s，所述二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm，所述氧化硅钝化层的厚度为1-5nm。
具体实施方式
下面通过参考描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；
b、形成氧化硅钝化层后，向所述反应腔室内通入硅烷气体，沉积第一本征非晶硅薄膜；
c、第一本征非晶硅薄膜形成后，向所述反应腔室内通入硅烷和氢气的混合气体，沉积第二本征非晶硅薄膜。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，采用RF-PECVD技术，分步沉积制备本征非晶硅钝化层，采用二氧化碳对硅片样品进行表面等离子体处理，在样品表面形成极薄的氧化硅隧穿层，为硅片表面提供第一道钝化；本发明实施例的方法中，在第一步形成氧化硅隧穿层的钝化基础上，第二步和第三步分别沉积第一本征非晶硅薄膜和第二本征非晶硅薄膜，形成叠层本征非晶硅钝化层，进一步增强了钝化；本发明实施例的方法中，第一本征非晶硅薄膜在非常低氢气含量甚至无氢气的环境中沉积，有效抑制了薄膜的外延生长；本发明实施例的方法中，第二本征非晶硅薄膜在沉积过程中通入氢气，钝化晶硅界面，形成了高质量的薄膜；本发明实施例的方法，简单易操作，有效解决了本征非晶硅薄膜制备过程中的外延生长和高等离子损伤问题，所形成的氧化硅+双层本征非晶硅的三层钝化结构有利于降低晶硅与非晶硅界面处的表面复合速率，提高电池开路电压和转换效率，采用本发明方法钝化的电池开路电压在745mV以上，相对常规钝化，其电池效率提高了0.15％以上。
在一些实施例中，所述步骤a中，所述氧化硅钝化层的厚度为1-5nm，优选为1-3nm。本发明实施例中优化了氧化硅钝化层厚度，以进一步提高开路电压和填充因子，如果氧化硅钝化层厚度过大，将会明显降低开路电压和填充因子。
在一些实施例中，所述步骤a中，所述沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s；所述二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm。本发明实施例中，采用低功率沉积形成了极薄的隧穿氧化硅钝化层，为硅片表面提供第一道钝化，如果功率过高会对基底表面造成损伤，并且使电池的开路电压显著降低。本发明实施例中优选了二氧化碳气体的流量，如果流量过高，反应速率太快，使氧化硅钝化层的厚度不易控制，如果流量过低，将会降低氧化硅薄膜质量，使钝化效果下降，进而导致电池的开路电压下降。
在一些实施例中，所述步骤b中，所述沉积功率为20-60mW/cm2，沉积时间为3-20s，所述硅烷气体流量为1000-5000sccm。本发明实施例中，所述步骤b的反应腔室中也可以通入氢气，所述氢气与所述硅烷气体流量比为0.1-0.5。本发明实施例在步骤b中通入微量氢气，能够提高薄膜质量，进一步提升了钝化效果，增加了开路电压和转化效率。
在一些实施例中，所述步骤c中，所述沉积功率为15-50mW/cm2，沉积时间为5-50s，所述氢气流量为3000-20000sccm，所述氢气与硅烷流量比为2～25。本发明实施例中，优化了第二本征非晶硅薄膜的沉积条件，进一步提升了钝化层的质量。
在一些实施例中，所述步骤b中，沉积形成第一本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理；和/或，所述步骤c中，沉积形成第二本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理。优选地，所述氢等离子体处理处理功率为15-160mW/cm2范围，氢气流量为5000～25000sccm，处理时间为5～50s。本发明实施例的方法中，在沉积形成第一本征非晶硅薄膜和/或第二本征非晶硅薄膜之后进行氢等离子体处理能够进一步饱和悬挂键以及刻蚀弱键，从而降低缺陷态密度，提高少子寿命。
在一些实施例中，所述步骤b中，所述第一本征非晶硅薄膜的厚度为2～10nm；和/或，所述步骤c中，所述第二本征非晶硅薄膜的厚度3～15nm。
本发明实施例还提供了一种硅异质结太阳电池非晶硅基钝化层的制备方法，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层，优选地，沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s，二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm，沉积形成的氧化硅钝化层的厚度为1-5nm，优选为1-3nm；
b、形成氧化硅钝化层后，沉积第一本征非晶或微晶硅基薄膜；
c、第一本征非晶硅基薄膜形成后，沉积第二本征非晶或微晶硅基薄膜。
根据本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法，采用二氧化碳先对硅片样品进行表面等离子体处理，在样品表面形成极薄的氧化硅隧穿层，为硅片表面提供第一道钝化，之后再依次沉积第一和第二本征非晶或微晶硅基薄膜，同本发明实施例的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法的优点类似，这里不再赘述。
在一些实施例中，所述第一或第二本征非晶或微晶硅基薄膜为a-SiCx:H、μc-SiCx:H、 a-SiOx:H或μc-SiOx:H。本发明实施例中，第一或第二本征非晶或微晶硅基薄膜的沉积方式采用现有工艺即可，无特别限制。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
在腔室中通入二氧化碳气体，对硅片样品进行表面等离子体处理，沉积功率为15mW/cm2，沉积时间为6s，二氧化碳气体的流量为2000sccm，在样品表面形成厚度1～1.2nm的隧穿氧化硅钝化层；形成氧化硅钝化层后，向反应腔室内通入硅烷(SiH4)气体，沉积第一本征非晶硅薄膜，沉积功率为20mW/cm2，沉积为4s，硅烷气体流量为2000sccm，沉积形成厚度为2.5nm的第一本征非晶硅薄膜；沉积形成第一本征非晶硅薄膜后，向反应腔室内通入硅烷和氢气的混合气体，调节气体流量，使氢气与硅烷流量比5，沉积第二本征非晶硅薄膜，沉积功率为35mW/cm2，沉积时间在42s，氢气流量为5000sccm，沉积形成厚度为6nm的第二本征非晶硅薄膜。
将包含本实施例制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为746.7mV,转换效率为24.66％。
实施例2
与实施例1的方法相同，不同之处在于在腔室中通入二氧化碳气体，对硅片样品进行表面等离子体处理的沉积功率为40mW/cm2，沉积时间为2s。
将包含本实施例制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为746.2mV,转换效率为24.61％。
实施例3
与实施例1的方法相同，不同之处在于在腔室中通入二氧化碳气体的流量为5000sccm。
将包含实施例3制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为746.1mV,转换效率为24.62％。
实施例4
与实施例1的方法相同，不同之处在于氧化硅钝化层的厚度为5nm。
将包含实施例4制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为745.8mV,转换效率为24.61％。
实施例5
与实施例1的方法相同，不同之处在于沉积第一本征非晶硅薄膜时，向反应腔室中通入微量氢气，氢气与硅烷气体流量比为0.2。
将包含本实施例制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为746.5mV,转换效率为24.72％。
实施例6
与实施例1的方法相同，不同之处在于，在沉积第一本征非晶硅薄膜之后，步骤c中向反应腔室内通入硅烷、氢气和二氧化碳的混合气体，形成第二本征非晶硅氧薄膜。
将包含本实施例制得的硅基钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为 745.4mV，转换效率为24.77％。
实施例7
与实施例1的方法相同，不同之处在于，在沉积第一本征非晶硅薄膜之后，步骤c中向反应腔室内通入硅烷、氢气和甲烷的混合气体，形成第二本征非晶碳化硅薄膜。
将包含本实施例制得的硅基钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为 745.6mV，转换效率为24.72％。
对比例1
与实施例1的方法相同，不同之处在于，取消通入二氧化碳沉积氧化硅钝化层步骤，直接在硅片表面沉积第一本征非晶硅薄膜，之后沉积第二本征非晶硅薄膜。
将包含对比例1制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为743.2mV,转换效率为24.48％。
对比例2
与实施例1的方法相同，不同之处在于沉积顺序不同，先在硅片表面沉积第一本征非晶硅薄膜，之后通入二氧化碳沉积氧化硅钝化层，最后沉积第二本征非晶硅薄膜，各沉积步骤的工艺条件与实施例1相同。
将包含对比例2制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为739mV,转换效率为24.36％。
对比例3
与实施例1的方法相同，不同之处在于在腔室中通入二氧化碳气体，对硅片样品进行表面等离子体处理的沉积功率为60mW/cm2，沉积时间为2s。
将包含对比例3制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为730mV,转换效率为24.05％。
对比例4
与实施例1的方法相同，不同之处在于氧化硅钝化层的厚度为8nm。
将包含对比例4制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为722.5mV,转换效率为22.91％。
对比例5
与实施例1的方法相同，不同之处在于在腔室中通入二氧化碳气体的流量为8000sccm。
将包含对比例5制得的非晶硅钝化层的硅异质结太阳电池进行测试，电池的开路电压为742.2mV,转换效率为24.45％。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；
b、形成氧化硅钝化层后，向所述反应腔室内通入硅烷气体，沉积第一本征非晶硅薄膜；
c、第一本征非晶硅薄膜形成后，向所述反应腔室内通入硅烷和氢气的混合气体，沉积第二本征非晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述氧化硅钝化层的厚度为1-5nm。
3.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s，所述二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm。
4.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述沉积功率为20-60mW/cm2，沉积时间为3-20s，所述硅烷气体流量为1000-5000sccm。
5.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述反应腔室中通入氢气，所述氢气与所述硅烷气体流量比为0.1-0.5。
6.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述沉积功率为15-50mW/cm2，沉积时间为5-50s，所述氢气的流量为3000-20000sccm，所述氢气与硅烷流量比为2～25。
7.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，沉积形成第一本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理；和/或，所述步骤c中，沉积形成第二本征非晶硅薄膜之后采用氢等离子体处理。
8.根据权利要求7所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤b和/或步骤c中，所述氢等离子体处理处理功率为15-160mW/cm2范围，氢气流量为5000～25000sccm，处理时间为5～50s。
9.根据权利要求1所述的硅异质结太阳电池非晶硅钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述第一本征非晶硅薄膜的厚度为2～10nm；和/或，所述步骤c中，所述第二本征非晶硅薄膜的厚度3～15nm。
10.一种硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、向载有硅片的反应腔室内通入二氧化碳气体，沉积形成氧化硅钝化层；
b、形成氧化硅钝化层后，沉积第一本征非晶或微晶硅基薄膜；
c、第一本征非晶硅基薄膜形成后，沉积第二本征非晶或微晶硅基薄膜。
11.根据权利要求10所述的硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法，其特征在于，所述第一或第二本征非晶或微晶硅基薄膜为a-SiCx:H、μc-SiCx:H、a-SiOx:H或μc-SiOx:H。
12.根据权利要求10所述的硅异质结太阳电池非晶或微晶硅基钝化层的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述沉积功率为10-40mW/cm2，沉积时间为1-10s，所述二氧化碳气体的流量为1000-5000sccm，所述氧化硅钝化层的厚度为1-5nm。
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