CN114203832A - 具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构，以n型铸造单晶硅为基底，在基底两侧对称地由内到外依次生长有超薄氧化硅层(SiOx)、磷掺杂多晶硅层(poly‑Si(n))、氧化铝层(AlOx)和氢化氮化硅层(SiNx:H)。本发明采用性能优异的钝化层，有效钝化铸造单晶硅的表面缺陷，能够降低载流子复合损失，有利于制造高转换效率的铸造单晶硅太阳电池。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种太阳电池领域的技术，具体是一种具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构。
背景技术
现有的太阳电池用材料包括铸造多晶硅和直拉单晶硅，各有优劣势。而铸造单晶硅是用铸造方法制备出的单晶硅材料，兼具多晶硅的低成本和单晶硅的高效率双重优势，一度成为行业研究热点。虽然铸造单晶硅的成本相比直拉单晶硅较低，但是目前铸造单晶硅太阳电池的转换效率与直拉单晶硅电池相比还有一定差距，针对其先进电池工艺的研究尚处于起步阶段。铸造单晶硅的缺陷比直拉单晶硅要高，因此开发适合铸造单晶硅的钝化方法对铸造单晶的表面缺陷进行钝化，对提升铸造单晶硅电池的转换效率至关重要。
现有以铸锭单晶或多晶为衬底的非晶硅异质结太阳电池技术，由于铸造单晶硅的表面缺陷较高，仅凭薄层氧化硅和磷掺杂多晶硅层的钝化层组合不足以良好地钝化铸造单晶硅的表面缺陷，需要进一步组合其他钝化层才能进一步减少表面缺陷密度，从而实现优异钝化性能，为获得高效率太阳电池打下基础。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构，采用性能优异的钝化层，有效钝化铸造单晶硅的表面缺陷，能够降低载流子复合损失，有利于制造高转换效率的铸造单晶硅太阳电池。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构，以n型铸造单晶硅为基底，在基底两侧对称地由内到外依次生长有超薄氧化硅层(SiOx)、磷掺杂多晶硅层(poly-Si(n))、氧化铝层(AlOx)和氢化氮化硅层(SiNx:H)。
所述的铸造单晶硅钝化结构，在铸造单晶硅中同时实现钝化接触、场效应钝化和氢钝化，通过厚度在2nm以下超薄氧化硅直接接触铸造单晶硅表面，能很好地钝化铸造单晶硅表面且能允许电子的隧穿，而磷掺杂多晶硅薄膜实现电子选择性接触，氧化硅层和磷掺杂多晶硅层形成电子选择性接触钝化层。在磷掺杂多晶硅层上的氧化铝层具有较高的固定负电荷密度，通过场效应来钝化铸锭单晶硅；氧化铝层上的氢化氮化硅层含有大量的氢，烧结退火后进一步钝化铸锭单晶硅。氧化铝层和氢化氮化硅层组成复合钝化层，其中氧化铝层实现场效应钝化，氢化氮化硅层实现氢钝化。
本发明涉及上述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，通过热氧化工艺在n型铸造单晶硅的正反面各生长一层厚度在2nm以下的超薄SiOx层，然后通过低压化学气相沉积(Lowpressure chemical vapor deposition，LPCVD)方法在正反面的SiOx层上各生长一层本征多晶硅poly-Si(i)，并通过磷掺杂形成磷掺杂多晶硅层poly-Si(n)，再原子层沉积(ALD)沉积氧化铝钝化层，并用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在正反面分别沉积氢化氮化硅层SiNx:H，形成双面对称的SiNx:H/AlOx/poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)/AlOx/SiNx:H的钝化接触并叠加复合钝化层的钝化结构，最后经烧结实现氢钝化完成制备。
所述的n型铸造单晶硅，优选先经去损伤层的碱抛光处理，具体为：将硅片放入温度为75℃，浓度为10％的KOH溶液中刻蚀10min，而后直接进行表面清洗。
所述的n型铸造单晶硅片的电阻率为1Ω·cm。
所述的热氧化工艺温度为550～650℃，所述的SiOx层厚度为1～2nm。
所述的LPCVD方法中所用的反应气体是硅烷，所述的poly-Si(i)的厚度是50～150nm。
所述的扩散温度为800～900℃，所述的poly-Si(n)厚度为50～150nm，磷掺杂浓度大于1×1020cm-3。
所述的氧化铝层厚度为10～20nm，所述ALD沉积的沉积温度为200℃，所述沉积的反应原料为三甲基铝和水蒸汽。
所述的PECVD沉积温度为300～400℃，所述PECVD沉积的反应气体为硅烷和氨气，所述的氢化氮化硅层厚度为70～200nm。
所述的烧结温度为400～500℃。
技术效果
本发明中运用超薄氧化硅层和磷掺杂多晶硅层组成的钝化接触、叠加氧化铝层的场效应钝化、氢化氮化硅层的氢钝化，在铸锭单晶硅中同时实现三种钝化手段来钝化铸造单晶硅，能显著降低铸造单晶硅的表面缺陷密度。相比现有常规技术手段一般仅使用钝化接触来钝化单晶硅，或者一般仅使用AlOx/SiNx:H复合钝化层的场效应钝化和氢钝化，而本发明仅以超薄氧化硅层和磷掺杂多晶硅层组成的钝化接触层来钝化铸造单晶硅，测量其少子寿命为1841μs。而综合运用超薄氧化硅层和磷掺杂多晶硅层组成的钝化接触层及氧化铝层和氢化氮化硅层组成的复合钝化层，同时实现钝化接触、场效应钝化和氢钝化，将铸锭单晶硅的少子寿命提升到3154μs，实现了70％以上的增长，表明显著降低铸造单晶硅的表面缺陷密度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1为n型铸造单晶硅、2和6为氧化硅层、3和7为磷掺杂多晶硅层、4和8为氧化铝层、5和9为氢化氮化硅层。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种以n型铸造单晶硅为基底的具有钝化接触层并叠加复合钝化层的钝化结构，包括：n型铸造单晶硅基底、双面对称的由内到外依次为氧化硅层、磷掺杂多晶硅层、氧化铝层和氢化氮化硅层。
本实施例中的钝化结构，通过以下步骤制备得到：
步骤一，铸造单晶硅基底：选取电阻率为1Ω·cm的n型铸造单晶硅片作为基底1，放入温度为75℃，浓度为10％的KOH溶液中刻蚀10min，进行去损伤层的碱抛光处理，而后直接进行表面清洗。
步骤二，氧化硅层：将清洗后的硅片直接放入氧化炉炉管中，在600℃通过热氧化工艺在硅片的正反面各生成一层厚度为1.5nm的SiOx层。
步骤三，磷掺杂多晶硅层：采用LPCVD方法在SiOx层生长一层厚度为120nm的本征多晶硅；再在850℃进行POCl3扩散，形成磷掺杂多晶硅层，磷掺杂多晶硅层厚度优选为200nm，磷掺杂浓度为4×1020cm-3。
步骤四，氧化铝层：采用ALD方法在磷掺杂多晶硅层表面沉积氧化铝层，氧化铝层厚度优选为15nm。
步骤五，氢化氮化硅层：采用PECVD方法在氧化铝层表面沉积氢化氮化硅层，氢化氮化硅层厚度优选为80nm.
步骤六，烧结：对SiNx:H/AlOx/poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)/AlOx/SiNx:H钝化结构进行烧结，以实现氢钝化，烧结温度优选为400℃。
对各钝化结构进行少子寿命、隐开路电压iVoc和表面复合电流J0的测量，其结果如表1。由表1可见，n型铸造单晶硅用SiOx/poly-Si(n)钝化接触层钝化后少子寿命可达1800μs以上，进一步叠加AlOx/SiNx:H复合钝化层后少子寿命突破了3000μs，更进一步烧结氢化化后少子寿命还能提高。相应的iVoc不断提高，而J0不断减小。这钝化参数的变化趋势表明钝化性能在不断地提高。
表1各钝化结构的钝化参数对比
经过具体实际实验，用SintonWCT120少子寿命仪测量钝化样品的少子寿命，隐开路电压iVoc和表面复合电流J0，得到的结果是：仅有钝化接触层的poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)钝化结构，其少子寿命、iVoc和J0分别为1841μs、718mV和15fA/cm2；进一步叠加复合钝化层AlOx/SiNx:H后，SiNx:H/AlOx/poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)/AlOx/SiNx:H钝化结构的少子寿命、iVoc和J0分别为3085μs、731mV和8.7fA/cm2；进一步烧结并氢钝化后，SiNx:H/AlOx/poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)/AlOx/SiNx:H钝化结构的少子寿命、iVoc和J0分别为3154μs、737mV和5.36fA/cm2。表明SiOx/poly-Si(n)钝化接触层并叠加AlOx/SiNx:H复合钝化层，能显著提高n型铸造单晶硅的钝化性能，进一步的烧结氢钝化，能进一步提高其钝化性能。钝化性能的改善有利于提高n型铸造单晶硅太阳电池的转换效率。
与现有技术相比，本方法在铸锭单晶硅上运用超薄氧化硅层和磷掺杂多晶硅层组成的钝化接触、叠加氧化铝层/氢化氮化硅层的复合钝化层，同时实现钝化接触、场效应钝化和氢钝化，得到的钝化结构的表面钝化特性更优越，利用此钝化结构的结果指导制备n型铸造单晶硅电池将有利于提高电池的性能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种具有钝化接触层并叠加复合钝化层的铸造单晶硅钝化结构，其特征在于，以n型铸造单晶硅为基底，在基底两侧对称地由内到外依次生长有超薄氧化硅层(SiOx)、磷掺杂多晶硅层(poly-Si(n))、氧化铝层(AlOx)和氢化氮化硅层(SiNx:H)；
所述的铸造单晶硅钝化结构，在铸造单晶硅中同时实现钝化接触、场效应钝化和氢钝化，通过厚度在2nm以下超薄氧化硅直接接触铸造单晶硅表面，氧化硅层和磷掺杂多晶硅层形成电子选择性接触钝化层；氧化铝层和氢化氮化硅层组成复合钝化层，其中氧化铝层实现场效应钝化，氢化氮化硅层实现氢钝化。
2.一种如权利要求1所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征在于，通过热氧化工艺在n型铸造单晶硅的正反面各生长一层厚度在2nm以下的超薄SiOx层，然后通过低压化学气相沉积方法在正反面的SiOx层上各生长一层本征多晶硅poly-Si(i)，并通过磷掺杂形成磷掺杂多晶硅层poly-Si(n)，再原子层沉积沉积氧化铝钝化层，并用等离子增强化学气相沉积在正反面分别沉积氢化氮化硅层SiNx:H，形成双面对称的SiNx:H/AlOx/poly-Si(n)/SiOx/n-Si/SiOx/poly-Si(n)/AlOx/SiNx:H的钝化接触并叠加复合钝化层的钝化结构，最后经烧结实现氢钝化完成制备。
3.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的n型铸造单晶硅，先经去损伤层的碱抛光处理，具体为：将硅片放入温度为75℃，浓度为10％的KOH溶液中刻蚀10min，而后直接进行表面清洗。
4.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的热氧化工艺温度为550～650℃，所述的SiOx层厚度为1～2nm。
5.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的LPCVD方法中所用的反应气体是硅烷，所述的poly-Si(i)的厚度是50～150nm。
6.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的扩散温度为800～900℃，所述的poly-Si(n)厚度为50～150nm，磷掺杂浓度大于1×1020cm-3。
7.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的氧化铝层厚度为10～20nm，所述ALD沉积的沉积温度为200℃，所述沉积的反应原料为三甲基铝和水蒸汽。
8.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的PECVD沉积温度为300～400℃，所述PECVD沉积的反应气体为硅烷和氨气，所述的氢化氮化硅层厚度为70～200nm。
9.根据权利要求2所述铸造单晶硅钝化结构的制备方法，其特征是，所述的烧结温度为400～500℃。
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