CN114823969A - 一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法和TOPCon太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法和TOPCon太阳能电池，该退火方法是以氢气或含氢气的混合气体为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理。本发明中，在高温烧结之后，通过在氢等离子体下进行退火处理，既可以通过低温退火修复晶界缺陷和杂质，还可以通过引入H等离子体使得薄膜界面和晶体内部晶界处的悬挂键饱和，减少界面和晶界处的载流子复合，从而达到很好的钝化效果，进而有利于提升太阳能电池的光电转换效率。本发明低温氢等离子体辅助退火方法，具有易于批量处理、运营成本低等优点，可广泛用于提升钝化接触结构的钝化性能，对于提升TOPCon太阳能电池的产能具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法和TOPCon太阳能电池。
背景技术
目前，基于晶体硅(c-Si)的太阳能电池在商业太阳能电池中市场份额在95％以上。要进一步提高光伏与传统能源的竞争力，必须持续提高c-Si太阳能电池的转换效率(PCE)。在此背景下，太阳能电池生产技术从传统的铝背表面场(Al-BSF)电池逐渐过渡到钝化发射极和背电池(PERC)技术，其中现有生产的PERC电池效率已经超过23％。然而，PERC电池具有局部金属硅接触，这增加了工艺复杂性和接触处的高度复合，从而使得PERC电池的效率已经达到瓶颈，很难再有提升。
为了提升太阳能电池的效率，开发了钝化接触的概念，以最大限度地减少接触区域的复合损失。工业界普遍认为取代PERC电池技术的下一代晶体硅太阳能电池将会是基于先进的钝化接触技术的太阳能电池。一般而言，钝化接触技术可分为2种不同类型：硅异质结技术(SHJ)和多晶硅基钝化接触。多晶硅基钝化接触由超薄隧穿氧化硅层和掺杂多晶硅层组成，有时也将它们称为TOPCon。硅异质结(SHJ)接触，由本征和掺杂氢化非晶硅(a-Si:H)叠层组成，提供出色的表面钝化，已实现了26.7％的世界纪录效率。然而，SHJ技术只适用于低温技术(<250℃)、具有相对较窄的工艺窗口和需要昂贵的沉积系统，此外，使用传统的双面接触设计，SHJ电池会受到a-Si:H的寄生吸收的影响，这限制了短路电流密度Jsc。相比之下，超薄隧穿氧化硅层/掺杂多晶硅钝化接触表现出非常好的耐高温性能，也具有非常高的效率潜力，其效率与SHJ技术相当。目前，通过采用全面积多晶硅背面接触，其电池效率已达到25.8％，同时，这种接触可以与当前的太阳能电池生产线兼容，作为空穴选择性钝化背面接触，取代PERC型接触结构。
目前，在隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳能电池领域，不管是低压化学气相(LPCVD)技术，还是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，它们在制备超薄隧穿氧化硅+掺杂多晶硅钝化接触时，其形成的SiO2/poly-Si(n+)/SiNx:H双面钝化接触结构在经过高温烧结后都会出现钝化性能严重衰减的现象，少子寿命和隐含开路电压(iVoc)均出现严重下降，饱和电流密度(J0)显著提高，而电池的钝化性能与电池转换效率是密切相关的，因而也会造成TOPCon电池效率的下降。现有技术中针对n型电池中钝化接触结构的提效一般采用与p型PERC电池相同的生产设备，即在印刷烧结后，采用光恢复炉来退火，即使用高光强的LED灯和加热设备实现退火提效，这是由于p型电池普遍存在光致衰减效应(LID)，所以需要使用光照来进行恢复，但是n型电池中不存在光致衰减，因而光照对n型电池来说提效有限，若采用光恢复炉对n型电池进行退火，则容易耗费大量的能量用于提供高光强，增大运营成本，且这种方法对于钝化性能的提升比较有限。此外，如表1所示，现有的超薄隧穿氧化硅层和掺杂多晶硅钝化接触结构的低温退火技术只能修复高温烧结后产生的晶体缺陷，同时，难以克服因多晶硅和减反钝化膜中的H原子会在高温烧结时大量溢出而造成界面态缺陷密度和晶界内缺陷增多并导致H钝化效果降低的缺陷，因而在高温烧结后只进行低温退火，仍然难以有效提高电池的钝化性能以及电学性能。因此，如何获得一种既可以修复晶界缺陷和杂质，还可以减少界面和晶界处的载流子复合的退火方法，对于提高电池的钝化性能以及电学性能具有十分重要意义。
表1双面对称结构的N型TOPCon电池烧结前后对应的少子寿命、iVoc的数据变化
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法和TOPCon太阳能电池。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，以氢气或含氢气的混合气体为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，所述退火处理过程中，采用的工艺气体为氢气时，氢气的流量为500sccm～2000sccm；
或，所述退火处理过程中，采用的工艺气体为含氢气的混合气体时，所述工艺气体为氢气和氩气的混合气体；所述氢气和氩气的混合气体中，所述氢气的流量为500sccm～2000sccm，所述氩气的流量为500sccm～2000sccm。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，所述退火处理的温度为300℃～500℃；所述退火处理的时间为10min～60min。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用管式PECVD设备对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理；所述退火处理过程中，管式PECVD设备的工艺参数为：等离子电源频率为40kHz，功率为1000W～5000W，射频通断比1∶10～1∶30。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，所述制备有钝化接触结构的硅片，由以下方法制备得到：
(1)对硅片进行清洗和制绒；
(2)在硅片表面依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；
(3)对本征非晶硅层进行磷掺杂，制备磷掺杂多晶硅层；
(4)在制备有超薄隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅层的硅片的两面制备减反射钝化膜；
(5)对制备有减反射钝化膜的硅片进行高温快速烧结，得到制备有钝化接触结构的硅片。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用低压化学气相沉积技术依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；采用低压化学气相沉积技术制备超薄隧穿氧化层时，制备工艺条件为：温度为500℃～700℃，工艺气体为O2，流量为5000sccm～10000sccm，工艺压力为20Pa～200Pa，工艺时间为10min～60min；采用低压化学气相沉积技术制备本征非晶硅层，制备工艺条件为：温度为500℃～700℃，工艺气体为SiH4，流量为500sccm～2000sccm，工艺压力为20Pa～100Pa，工艺时间为10min～30min。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用离子体增强化学气相沉积技术依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；采用等离子体增强化学气相沉积技术制备超薄隧穿氧化层时，制备工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间10s～100s，工艺压力50Pa～300Pa，工艺气体为N2O与Ar的混合气体，所述N2O与Ar的混合气体中N2O、Ar的体积比为1～5:1～10，工艺功率为1000～10000W，射频通断比1:10～1:30；采用等离子体增强化学气相沉积技术制备本征非晶硅层时，制备工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间100s～1000s，工艺压力100Pa～300Pa，工艺气体为SiH4与Ar的混合气体或SiH4与H2的混合气体，所述SiH4与Ar的混合气体中SiH4、Ar的体积比为1:1～1:10，所述SiH4与H2的混合气体中SiH4、H2的体积比1:1～1:10，工艺功率为5000～10000W，射频通断比1:10～1:30。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，所述超薄隧穿氧化层的厚度为1nm～3nm；所述超薄隧穿氧化层为SiO2；所述本征非晶硅层的厚度为50nm～200nm。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用低压扩散技术对本征非晶硅层进行磷掺杂，掺杂工艺条件为：扩散温度700℃～800℃，扩散压力100mbar～300mbar，扩散小氮流量500sccm～2000sccm，扩散大氮流量1000sccm～5000sccm，扩散氧气500sccm～2000sccm，扩散时间10min～30min；推进温度850℃～900℃，大氮流量2000sccm～5000sccm，氧气流量500sccm～2000sccm，推进时间20min～40min。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用等离子体增强化学气相沉积技术对本征非晶硅层进行磷掺杂，掺杂工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间100s～1000s，工艺压力100Pa～300Pa，工艺气体为SiH4、Ar与PH3的混合气体或SiH4、H2与PH3的混合气体，所述SiH4、Ar与PH3的混合气体中SiH4、Ar、PH3的体积比为1:1:1～1:10:1，所述SiH4、H2与PH3的混合气体SiH4、H2、PH3的体积比为1:1:1～1:10:1，工艺功率为5000W～10000W，射频通断比1:10～1:30。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，采用等离子体增强化学气相沉积技术对本征非晶硅层进行磷掺杂时，还包括对制备有超薄隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅层的硅片进行高温退火处理；所述高温退火处理的温度为700℃～1000℃；所述高温退火处理的时间为30min～60min。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述硅片为N型硅片；所述硅片的电阻率为1Ωcm～3Ωcm；所述硅片在进行清洗之前，还包括对硅片进行预清洗；所述预清洗过程中采用的溶液为氢氧化钾水溶液；所述氢氧化钾水溶液的浓度为10wt％～20wt％；所述预清洗过程中溶液的温度为8005℃；所述预清洗过程中溶液的处理时间为300050s。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，步骤(3)中，采用管式PECVD设备制备减反射钝化膜；所述减反射钝化膜为SiNx:H薄膜。
上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，进一步改进的，步骤(4)中，所述高温快速烧结的温度为700℃～900℃；所述高温快速烧结的时间为5～30s。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种TOPCon太阳能电池，所述TOPCon太阳能电池是通过上述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法制备得到。
上述的TOPCon太阳能电池，进一步改进的，所述TOPCon太阳能电池包括硅衬底，所述硅衬底的正面由内向外依次设有正面氧化铝层、正面减反射钝化层；所述过衬底的背面由内向外依次设有超薄隧穿氧化层、磷掺杂多晶硅层、背面减反射钝化层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
针对现有退火工艺中存在的钝化接触结构钝化性能提升效果不明显、电池电学性能提升效果不明显等缺陷，本发明创造的提出了一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，以氢气或含氢气的混合气体为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理，在高温烧结之后，通过在氢等离子体下进行退火处理，既可以通过低温退火修复晶界缺陷和杂质，还可以通过引入H等离子体使得薄膜界面和晶体内部晶界处的悬挂键饱和，减少界面和晶界处的载流子复合，从而达到很好的钝化效果，进而有利于提升太阳能电池的光电转换效率。另外，本发明不需要光照条件，可减少能源消耗，而且本发明用于低温H等离子体辅助退火的设备为常规的工业化管式PECVD设备，与现有产线兼容。本发明提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，具有易于批量处理、运营成本低等优点，可广泛用于提升背面钝化接触结构、超薄隧穿氧化层和掺杂多晶硅层双面钝化接触结构的钝化性能，且钝化性能提升幅度较大，对于提升TOPCon太阳能电池的产能具有十分重要的意义。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火的工艺流程图。
图2为本发明实施例1中双面钝化接触结构的结构示意图。
图3为本发明实施例1中TOPCon太阳能电池的结构示意图。
图4为本发明实施例2中提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火的工艺流程图。
图例说明：
1、N型硅衬底；2、正面氧化铝层；3、正面减反射钝化层；4、超薄隧穿氧化层；5、磷掺杂多晶硅层；6、背面减反射钝化层；7、电极。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中，若无特别说明，所采用的原料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备。
实施例1：
一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，具体是以氢气为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)将电阻率为1Ωcm、尺寸为158.75mm*158.75mm的N型硅片置于在槽式机中进行预清洗和去损伤层，溶液为氢氧化钾水溶液，氢氧化钾浓度为10％wt，处理时间为300s，处理温度为80℃，处理后以去离子水清洗并烘干。
(2)将硅片进行清洗，制绒，烘干。
(3)将清洗和制绒后的硅片放到管式LPCVD炉中，在硅片的正反面依次沉积1.5nm超薄隧穿氧化层和150nm本征非晶硅层，其中超薄隧穿氧化层的沉积工艺为：工艺温度600℃，工艺时间30min，工艺压力200Pa，工艺气体为O2，O2流量8000sccm。本征非晶硅层的沉积工艺条件如下：工艺温度600℃，工艺时间30min，工艺压力26Pa，工艺气体为SiH4，采用分段进气方式，流量比为250sccm：350sccm。
(4)采用低压扩散技术对本征非晶硅层进行磷掺杂，将硅片转移到磷扩散炉中进行磷扩散掺杂，得到磷掺杂多晶硅层，掺杂工艺如下：扩散温度780℃，扩散压力150mbar，扩散小氮流量800sccm，扩散大氮流量2000sccm，扩散氧气800sccm，扩散时间15min；推进温度890℃，大氮流量3000sccm，氧气流量800sccm，推进时间30min。
(5)磷扩散掺杂完成后，制备减反射钝化膜，具体为将硅片转移到管式PECVD炉中进行双面SiNx:H沉积。减反射钝化膜制备完成后，进行少子寿命测试。
(6)测试完少子寿命后，将硅片放入链式高温烧结炉中进行高温快速烧结，峰值温度为800℃，时间5s。然后测试烧结后的少子寿命。经高温快速烧结处理后，形成SiO2+poly-Si(n+)双面钝化接触结构，如图2所示。
(7)将烧结后的硅片放入管式PECVD炉进行低温氢等离子体辅助退火，退火温度为400℃，退火时间为20min，等离子电源频率为40kHz，功率为2000W，射频通断比1:30，工艺气体为H2，H2流量2000sccm，完成对钝化接触结构的处理。
采用Sinton WCT-120测试样品烧结前，烧结后和进行低温氢等离子体退火后的表面钝化效果，测试结果如表2所示。
表2 LPCVD法制备的双面对称结构的N型TOPCon电池烧结前后和低温氢等离子体退火后对应的少子寿命、iVoc、J0和iFF的数据变化
由表2可知：样品烧结前的平均隐含开路电压iVoc≈735mV，iVoc分布为728～739mV，对应的少子寿命4829微秒。样品烧结后少子寿命和iVoc明显下降。但是经过低温氢等离子体退火后，少子寿命和iVoc显著提高，说明钝化效果明显提升。
经低温氢等离子体辅助退火处理后，进一步将硅片制成TOPCon太阳能电池，如图3所示，所制得的TOPCon太阳能电池包括硅N型衬底1，N型硅衬底1的正面由内向外依次设有正面氧化铝层2、正面减反射钝化层3；所述N型衬底1的背面由内向外依次设有超薄隧穿氧化层4、磷掺杂多晶硅层5、背面减反射钝化层6。上述的TOPCon太阳能电池中，N型硅衬底1为N型硅片，正面氧化铝层2为Al2O3薄膜，正面减反射钝化层3为SiNx:H薄膜，超薄隧穿氧化层4为SiO2薄膜，磷掺杂多晶硅层5为poly-Si(n+)，背面减反射钝化层6为SiNx:H薄膜。该TOPCon太阳能电池的正反面还设有电极，电极为Ag电极。
实施例2
一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，具体是以氢气为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理，其工艺流程图如图4所示，包括以下步骤：
(1)将电阻率为1Ωcm、尺寸为158.75mm*158.75mm的N型硅片置于在槽式机中进行预清洗和去损伤层，溶液为氢氧化钾水溶液，氢氧化钾浓度为10％wt，处理时间为300s，处理温度为80℃，处理后以去离子水清洗并烘干。
(2)将硅片进行清洗，制绒，烘干。
(3)将清洗和制绒后的硅片放到管式PECVD炉中，在硅片的正反面依次沉积超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂非晶硅层。
制备1.5nm的超薄隧穿氧化硅层，沉积工艺为：电源频率为150kHz，工艺温度480℃，工艺时间20s，工艺压力120Pa，工艺气体为N2O和Ar，N2O/Ar＝2000sccm:2000sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。
掺杂非晶硅为多层梯度掺杂，沉积主要分两步，第一步是沉积70nm本征非晶硅层，工艺条件如下：电源频率为40kHz，工艺温度480℃，工艺时间600s，工艺压力200Pa，工艺气体为SiH4和Ar，SiH4/Ar＝1000sccm:4000sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。第二步沉积80nm掺杂非晶硅层，工艺条件如下：电源频率为40kHz，工艺温度480℃，工艺时间600s，工艺压力200Pa，工艺气体为SiH4、Ar和PH3，SiH4/Ar/PH3＝1000sccm:4000sccm:800sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。
单面制备完成后，将硅片翻面，重复上述操作，在另一面再做一遍超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂非晶硅层。
(4)将制备好的双面超薄隧穿氧化硅层+a-Si:H(n+)结构的硅片放入退火炉中，在氮气气氛下进行高温退火处理，退火温度为850℃，N2流量5000sccm，退火时间为60min。
(5)退火完成后，制备减反射钝化膜，具体为将硅片转移到管式PECVD炉中进行双面SiNx:H沉积。减反射钝化膜制备完成后，进行少子寿命测试。
(6)测试完少子寿命后，将硅片放入链式高温烧结炉中进行快速高温退火处理，峰值温度为800℃，时间5s。然后测试烧结后的少子寿命。经高温快速烧结处理后，形成SiO2+poly-Si(n+)双面钝化接触结构，如图2所示。
(7)烧结后的硅片放入管式PECVD炉进行低温氢等离子体辅助退火，退火温度为400℃，退火时间为20min，等离子电源频率为40kHz，功率为2000W，射频通断比1:30，工艺气体为H2，H2流量2000sccm。
采用Sinton WCT-120测试样品烧结前，烧结后和进行低温氢等离子体退火后的表面钝化效果，测试结果如表3所示。
表3 PECVD法制备的双面对称结构的N型TOPCon电池烧结前后和低温H等离子体退火后对应的少子寿命、iVoc、J0和iFF的数据变化
由表3可知，样品烧结前的平均隐含开路电压iVoc≈724mV，iVoc分布为721～726mV，对应的少子寿命2986微秒。样品烧结后少子寿命和iVoc明显下降。但是经过低温H等离子体退火后，少子寿命和iVoc显著提高，说明钝化效果明显提升。
经低温氢等离子体辅助退火处理后，进一步将硅片制成TOPCon太阳能电池，如图3所示，所制得的TOPCon太阳能电池包括硅N型衬底1，N型硅衬底1的正面由内向外依次设有正面氧化铝层2、正面减反射钝化层3；所述N型衬底1的背面由内向外依次设有超薄隧穿氧化层4、磷掺杂多晶硅层5、背面减反射钝化层6。上述的TOPCon太阳能电池中，N型硅衬底1为N型硅片，正面氧化铝层2为Al2O3薄膜，正面减反射钝化层3为SiNx:H薄膜，超薄隧穿氧化层4为SiO2薄膜，磷掺杂多晶硅层5为poly-Si(n+)，背面减反射钝化层6为SiNx:H薄膜。该TOPCon太阳能电池的正反面还设有电极7，电极为Ag电极。
对比例
一种钝化接触结构的低温退火方法，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理时，无氢气气氛，包括以下步骤：
(1)将电阻率为1Ωcm、尺寸为158.75mm*158.75mm的N型硅片置于在槽式机中进行预清洗和去损伤层，溶液为氢氧化钾水溶液，氢氧化钾浓度为10％wt，处理时间为300s，处理温度为80℃，处理后以去离子水清洗并烘干。
(2)将硅片进行清洗，制绒，烘干。
(3)将清洗和制绒后的硅片放到管式PECVD炉中，在硅片的正反面依次沉积超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂非晶硅层。
超薄隧穿氧化硅层的沉积工艺为：电源频率为150kHz，工艺温度480℃，工艺时间20s，工艺压力120Pa，工艺气体为N2O和Ar，N2O/Ar＝2000sccm:2000sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。
掺杂非晶硅为多层梯度掺杂，沉积主要分两步，第一步是沉积本征非晶硅层，工艺条件如下：电源频率为40kHz，工艺温度480℃，工艺时间600s，工艺压力200Pa，工艺气体为SiH4和Ar，SiH4/Ar＝1000sccm:4000sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。第二步是掺杂非晶硅沉积，工艺条件如下：电源频率为40kHz，工艺温度480℃，工艺时间600s，工艺压力200Pa，工艺气体为SiH4，Ar和PH3，SiH4/Ar/PH3＝1000sccm:4000sccm:800sccm，工艺功率为8000W，射频通断比1:20。
单面制备完成后，将硅片翻面，重复上述操作，在另一面再做一遍超薄隧穿氧化硅层和磷掺杂非晶硅层。
(4)将制备好的双面超薄隧穿氧化硅层+a-Si:H(n+)结构的硅片放入退火炉中进行N2退火，退火温度为850℃，N2流量5000sccm，退火时间为60min。
(5)退火完成后，将硅片转移到管式PECVD炉中进行双面SiNx:H沉积，进行少子寿命测试。
(6)测试完少子寿命后放入链式高温烧结炉中进行快速高温退火处理，峰值温度为800℃，时间5s，然后测试烧结后的少子寿命。
(7)烧结后的硅片放入退火炉进行低温退火，退火温度为400℃，退火时间为20min，工艺气体为N2，N2流量2000sccm。
采用Sinton WCT-120测试样品烧结前，烧结后和进行低温退火后的表面钝化效果，测试结果如表4所示。
表4 PECVD法制备的双面对称结构的N型TOPCon电池烧结前后和低温退火后对应的少子寿命、iVoc、J0和iFF的数据变化
由表4可知，样品烧结前的平均隐含开路电压iVoc≈719mV，iVoc分布为716～722mV，对应的少子寿命2333微秒。样品烧结后少子寿命和iVoc明显下降，少子寿命和iVoc分别为1473微妙和707mV。但是经过低温退火后，少子寿命和iVoc有较小幅度的提升，少子寿命提升至1541微妙，iVoc提升至709mV，说明钝化效果相比与低温H等离子体退火不太明显。
综合表2-4可知，通过对比例和实施例1与实施例2的对比可以发现，采用LPCVD和PECVD制备的SiO2+poly-Si(n+)+SiNx：H的双面钝化接触结构在烧结后都会出现少子寿命和iVoc的明显下降，但是经过低温氢等离子退火后，少子寿命和iVoc均出现明显恢复甚至提高，而只经过低温退火的电池少子寿命和iVoc没有明显恢复，这是由于只进行低温退火，对晶体缺陷修复和钝化有一定的益处，但是多晶硅和减反钝化膜中的H原子会由于高温烧结而大量溢出，从而造成界面态缺陷密度和晶界内缺陷增多而导致H钝化效果降低，可见，单纯的低温退火方法对于钝化性能的提升比较有限，进而对TOPCon太阳能电池效率的进一步提升作用也不大。与之完全不同的是，本发明中，经过低温氢等离子体退火后，由于氢等离子体可以对多晶硅和减反钝化膜中的缺陷和悬挂健进行饱和，从而使得多晶硅和减反钝化膜中的缺陷态密度降低，从而提升其钝化效果。
另外，经对比例、实施例1、实施例2的退火方法处理后，进一步制得的TOPCon太阳能电池的转换效率，如表5所示。
表5不同退火工艺下制备的TOPCon电池的电学参数对比
| 电池数量 | 退火前效率 | 退火后效率 | 效率变化 | |
| 实施例1 | 50 | 22.95 | 23.28 | 0.33％ |
| 实施例2 | 50 | 22.87 | 23.25 | 0.38％ |
| 对比例 | 50 | 22.84 | 22.98 | 0.14％ |
| 对比例(无退火) | 50 | 22.85 | 22.85 | 0％ |
由表5可以可知，本发明中采用低温氢等离子体退火处理可以显著提高TOPCon太阳能电池的转换效率，其中传统的低温退火可以得到平均0.14％的效率提升，而低温氢等离子体退火可以得到0.3％以上的效率提升。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，以氢气或含氢气的混合气体为工艺气体，对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，所述退火处理过程中，采用的工艺气体为氢气时，氢气的流量为500sccm～2000sccm；
或，所述退火处理过程中，采用的工艺气体为含氢气的混合气体时，所述工艺气体为氢气和氩气的混合气体；所述氢气和氩气的混合气体中，所述氢气的流量为500sccm～2000sccm，所述氩气的流量为500sccm～2000sccm。
3.根据权利要求2所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，所述退火处理的温度为300℃～500℃；所述退火处理的时间为10min～60min。
4.根据权利要求3所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，采用管式PECVD设备对制备有钝化接触结构的硅片进行退火处理；所述退火处理过程中，管式PECVD设备的工艺参数为：等离子电源频率为40kHz，功率为1000W～5000W，射频通断比1∶10～1∶30。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，所述制备有钝化接触结构的硅片，由以下方法制备得到：
(1)对硅片进行清洗和制绒；
(2)在硅片表面依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；
(3)对本征非晶硅层进行磷掺杂，制备磷掺杂多晶硅层；
(4)在制备有超薄隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅层的硅片的两面制备减反射钝化膜；
(5)对制备有减反射钝化膜的硅片进行高温快速烧结，得到制备有钝化接触结构的硅片。
6.根据权利要求5所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，采用低压化学气相沉积技术依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；采用低压化学气相沉积技术制备超薄隧穿氧化层时，制备工艺条件为：温度为500℃～700℃，工艺气体为O2，流量为5000sccm～10000sccm，工艺压力为20Pa～200Pa，工艺时间为10min～60min；采用低压化学气相沉积技术制备本征非晶硅层，制备工艺条件为：温度为500℃～700℃，工艺气体为SiH4，流量为500sccm～2000sccm，工艺压力为20Pa～100Pa，工艺时间为10min～30min；
或，采用离子体增强化学气相沉积技术依次制备超薄隧穿氧化层和本征非晶硅层；采用等离子体增强化学气相沉积技术制备超薄隧穿氧化层时，制备工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间10s～100s，工艺压力50Pa～300Pa，工艺气体为N2O与Ar的混合气体，所述N2O与Ar的混合气体中N2O、Ar的体积比为1～5:1～10，工艺功率为1000～10000W，射频通断比1:10～1:30；采用等离子体增强化学气相沉积技术制备本征非晶硅层时，制备工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间100s～1000s，工艺压力100Pa～300Pa，工艺气体为SiH4与Ar的混合气体或SiH4与H2的混合气体，所述SiH4与Ar的混合气体中SiH4、Ar的体积比为1:1～1:10，所述SiH4与H2的混合气体中SiH4、H2的体积比1:1～1:10，工艺功率为5000～10000W，射频通断比1:10～1:30；
所述超薄隧穿氧化层的厚度为1nm～3nm；所述超薄隧穿氧化层为SiO2；所述本征非晶硅层的厚度为50nm～200nm。
7.根据权利要求6所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，采用低压扩散技术对本征非晶硅层进行磷掺杂，掺杂工艺条件为：扩散温度700℃～800℃，扩散压力100mbar～300mbar，扩散小氮流量500sccm～2000sccm，扩散大氮流量1000sccm～5000sccm，扩散氧气500sccm～2000sccm，扩散时间10min～30min；推进温度850℃～900℃，大氮流量2000sccm～5000sccm，氧气流量500sccm～2000sccm，推进时间20min～40min；
或，采用等离子体增强化学气相沉积技术对本征非晶硅层进行磷掺杂，掺杂工艺条件为：电源频率为40kHz～300kHz，工艺温度300℃～600℃，工艺时间100s～1000s，工艺压力100Pa～300Pa，工艺气体为SiH4、Ar与PH3的混合气体或SiH4、H2与PH3的混合气体，所述SiH4、Ar与PH3的混合气体中SiH4、Ar、PH3的体积比为1:1:1～1:10:1，所述SiH4、H2与PH3的混合气体SiH4、H2、PH3的体积比为1:1:1～1:10:1，工艺功率为5000W～10000W，射频通断比1:10～1:30；
采用等离子体增强化学气相沉积技术对本征非晶硅层进行磷掺杂时，还包括对制备有超薄隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅层的硅片进行高温退火处理；所述高温退火处理的温度为700℃～1000℃；所述高温退火处理的时间为30min～60min。
8.根据权利要求7所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅片为N型硅片；所述硅片的电阻率为1Ωcm～3Ωcm；所述硅片在进行清洗之前，还包括对硅片进行预清洗；所述预清洗过程中采用的溶液为氢氧化钾水溶液；所述氢氧化钾水溶液的浓度为10wt％～20wt％；所述预清洗过程中溶液的温度为8005℃；所述预清洗过程中溶液的处理时间为300050s；
步骤(3)中，采用管式PECVD设备制备减反射钝化膜；所述减反射钝化膜为SiNx:H薄膜；
步骤(4)中，所述高温快速烧结的温度为700℃～900℃；所述高温快速烧结的时间为5～30s。
9.一种TOPCon太阳能电池，其特征在于，所述TOPCon太阳能电池是通过权利要求1～8中任一项所述的提升钝化接触结构性能的低温氢等离子体辅助退火方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的TOPCon太阳能电池，其特征在于，所述TOPCon太阳能电池包括硅衬底，所述硅衬底的正面由内向外依次设有正面氧化铝层、正面减反射钝化层；所述过衬底的背面由内向外依次设有超薄隧穿氧化层、磷掺杂多晶硅层、背面减反射钝化层。
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