CN114843350A - 超薄氮氧化硅界面材料、遂穿氧化钝化结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超薄氮氧化硅界面材料、遂穿氧化钝化结构及其制备方法和应用，所述超薄氮氧化硅界面材料为SiON薄膜，厚度为1nm‑4nm，所述SiON薄膜中N原子百分含量为1％‑40％。本发明的超薄氮氧化硅界面材料具有高含氮量的特点，相比于氧化硅而言，硼在SiON薄膜中的扩散速率低，从而有效减少了硼对SiON薄膜的破坏作用，提高了SiON薄膜的完整性，保持了化学钝化效果，高氮浓度的SiON薄膜可以显著降低硼在硅表面的浓度，从而降低硼缺陷；另外SiON薄膜的能带结构接近氮化硅，其价带带阶比较小，有利于空穴传输，提升了空穴传输效率和空穴选择性，从而改善了钝化质量，也有利于降低接触电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种超薄氮氧化硅界面材料、遂穿氧化钝化结构及其制备方法和应用。
背景技术
隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact，TOPCon)太阳能电池是2013年由德国弗兰霍夫所提出的一种新型晶硅太阳能电池，其N型电池的典型结构如图1所示，这种结构的核心是采用超薄氧化硅层和掺杂多晶硅叠层结构钝化硅片表面。隧穿氧化硅钝化接触结构的钝化机理主要来源于两方面：一是界面氧化硅层的化学钝化作用，二是掺杂原子的场钝化作用，因此提升界面氧化硅的完整性有利于提高表面的化学钝化效果。
现有技术中，TOPCon电池的制备流程如下：清洗制绒—扩散硼发射极—刻蚀—背面制备SiO2—PECVD重掺杂多晶硅—高温退火—前表面氧化铝、Si3N4—丝网印刷。对于隧穿氧化硅钝化接触技术，其电子收集采用n型的磷掺杂多晶硅薄膜，而空穴收集则采用p型的硼掺杂多晶硅薄膜。由于n型钝化接触技术效果好，已被广泛接受为下一代产业用高效晶体硅电池技术，但是n型TOPCon电池成本高，不利于大规模生产，而p型TOPCon技术则可以兼容铝浆材料，有利于降低成本，因此发展并提升p型TOPCon技术具有现实意义。
中国发明专利CN105742391A公开可一种隧穿硅氧氮层钝化接触太阳能电池及其制备方法，其制备方法为等离子体辅助笑气氧化法，具体方法是利用PECVD对硅表面进行氧化处理，由于反应气体中含有N元素，在此过程中形成含氮的超薄氧化硅层，即SiON薄膜。不过，直接使用等离子体笑气辅助氧化法制备的氧化硅层存在两个显著问题：第一、SiON薄膜中的氮浓度较低，达不到阻挡硼扩散和富集的效果；第二、等离子体直接作用在硅片表面，会引入显著的离子轰击损伤缺陷。上述问题都会影响到氧化硅层对硅片的钝化效果，基于这种含氮的超薄氧化硅层制备的p-TOPCon的最优钝化效果仅能使潜在开路电压达到700mV-705mV。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何提高TOPCon的钝化效果。
为解决上述问题，本发明第一方面提供一种超薄氮氧化硅界面材料，所述超薄氮氧化硅界面材料为SiON薄膜，厚度为1nm-4nm，所述SiON薄膜中N原子百分含量为1％-40％。
本发明的超薄氮氧化硅界面材料具有高含氮量的特点，相比于氧化硅而言，硼在SiON薄膜中的扩散速率低，从而有效减少了硼对SiON薄膜的破坏作用，提高了SiON薄膜的完整性，保持了化学钝化效果，高氮浓度的SiON薄膜可以显著降低硼在硅表面的浓度，从而降低硼缺陷；另外SiON薄膜的能带结构接近氮化硅，其价带带阶比较小，有利于空穴传输，提升了空穴传输效率和空穴选择性，从而改善了钝化质量，也有利于降低接触电阻率。
本发明的第二方面提供上述超薄氮氧化硅界面材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用无离子轰击氧化法在硅片上生长一层SiO2薄膜；
S2、用PECVD方法对SiO2薄膜进行表面氮化处理，处理气氛为含氮气体和含氧气体，生成SiON薄膜。
该制备方法先在硅片上生长一层无轰击损伤的氧化硅层，可以显著降低等离子体氮化过程引入的离子轰击损伤，进而提升钝化质量。该方法有效降低了界面态缺陷，常规等离子体笑气氧化法方法得到的界面态通常为2*1012eV*cm-2，当使用本发明的制备方法时，缺陷态的密度可以下降到0.4*1012eV*cm-2。
优选地，所述步骤S2中，所述含氮气体为NH3，所述含氧气体的为N2O。采用NH3和N2O进行表面氮化处理，一方面，NH3分解过程中，N浓度高，可以显著引入N元素，同时也产生H原子，会对氧化硅进行刻蚀；另一方面引入N2O，可以同时补充氧源，保持SiON薄膜的厚度，避免因H离子的刻蚀作用导致厚度过低。
优选地，所述步骤S2中，所述含氮气体和所述含氧气体的流量比为2:1～8:1。
优选地，所述步骤S1中无离子轰击氧化法为臭氧气氧化法或硝酸氧化法。
本发明方法可以根据实际需求，调整氧化硅厚度、NH3和N2O混合气比例，从而调控SiON薄膜的厚度和组分。
本发明第三方面提供一种遂穿氧化钝化结构，包括硅片、钝化遂穿层和掺杂多晶硅层，所述钝化遂穿层的材料为上述的超薄氮氧化硅界面材料，所述钝化遂穿层位于所述硅片和所述掺杂多晶硅层之间。
优选地，所述掺杂多晶硅层的材料为硼掺杂非晶硅薄膜。
本发明的遂穿氧化钝化结构由超薄氮氧化硅界面材料作为钝化遂穿层，能减少了硼对隧穿氧化层的破坏作用，提高提高钝化质量，降低接触电阻率，实现优异的接触性能，该遂穿氧化钝化结构应用于P-TOPCon，潜在开路电压可以达到720mV以上，接触电阻率小于5mΩcm2。
本发明第四方面提供一种上述遂穿氧化钝化结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用无离子轰击氧化法在硅片上生长一层SiO2薄膜；
S2、用PECVD方法对SiO2薄膜进行表面氮化处理，处理气氛为含氮气体和含氧气体，生成SiON薄膜；
S3、用PECVD方法在SiON薄膜上沉积掺杂非晶硅薄膜；
S4、进行退火处理，得到遂穿氧化钝化结构。
该制备方法操作简单，兼容现有的量产装备技术，尤其是兼容PECVD装备，所采用的气体耗材成本低，几乎不增加额外耗材成本。
优选地，所述步骤S4中，退火温度为820-1100℃。
氮氧化硅比氧化硅具有更高的热稳定性，可以承受更高、变温速度更快的退火处理；根据实际需求，可以调整氧化硅厚度、含氮气体和含氧气体混合比例，调控SiON薄膜的厚度和组分，进而匹配不同的高温退火温度。
本发明第五方面提供上述遂穿氧化钝化结构的应用，将所述遂穿氧化钝化结构应用于N型或P型隧穿氧化层钝化接触太阳能电池。
附图说明
图1为隧穿氧化层钝化接触太阳能电池结构图；
图2为实施例1中SiON薄膜的微观结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的实施例提供一种遂穿氧化钝化结构，包括硅片、钝化遂穿层和掺杂多晶硅层，钝化遂穿层的材料为超薄氮氧化硅界面材料，钝化遂穿层位于所述硅片和掺杂多晶硅层之间。超薄氮氧化硅界面材料为SiON薄膜，厚度为1nm-4nm，且SiON薄膜中N原子百分含量为1％-40％。
该遂穿氧化钝化结构可以应用于N型或P型隧穿氧化层钝化接触太阳能电池。应用于P型隧穿氧化层钝化接触太阳能电池时，掺杂多晶硅层的材料为硼掺杂非晶硅薄膜，高含氮量的氮氧化硅界面材料有利于提升p-TOPCon的钝化质量，其原理包括：1)相比于氧化硅而言，硼在SiON薄膜中的扩散速率低，从而有效减少了硼对SiON薄膜的破坏作用，提高了SiON薄膜的完整性，保持了化学钝化效果；2)高氮浓度的SiON薄膜可以显著降低硼在硅表面的浓度，从而降低硼缺陷；3)SiON薄膜的能带结构接近氮化硅，其价带带阶比较小，有利于空穴传输，提升了空穴传输效率和空穴选择性，从而改善了钝化质量，也有利于降低接触电阻率。P型TOPCon的潜在开路电压可以达到720mV以上，接触电阻率小于5mΩcm2。
本发明的实施例还提供上述遂穿氧化钝化结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用无离子轰击氧化法在硅片上生长一层SiO2薄膜；
S2、用PECVD方法对SiO2薄膜进行表面氮化处理，处理气氛为含氮气体和含氧气体，生成SiON薄膜；
S3、用PECVD方法在SiON薄膜上沉积掺杂非晶硅薄膜；
S4、进行退火处理，得到遂穿氧化钝化结构。
本发明的具体实施方式中，步骤S1中无离子轰击氧化法为臭氧气氧化法或硝酸氧化法，优选臭氧气氧化法。步骤S2中，含氮气体为NH3，含氧气体的为N2O，含氮气体和含氧气体的流量比为2:1～8:1。步骤S3中，退火温度为820-1100℃。
以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中所以硅片是厚为160μm的N型单晶硅片，双面化学抛光处理，电阻率为0.8Ω·cm。以下实施例和对比例所采用的钝化结构为双面p型隧穿氧化硅钝化结构。
实施例1
本实施例制备一种遂穿氧化钝化结构，包括以下步骤：
(1)将硅片切成4cm×4cm的尺寸，进行标准RCA清洗。
(2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层约1.5nm的SiO2薄膜。
(3)将样品放入PECVD中处理，用N2O和NH3为处理气氛，N2O和NH3的流量比为4:1，功率为5W，处理时间为300S，生成SiON薄膜。SiON薄膜的厚度为1.7nm，微观结构如图2所示。
(4)用PECVD在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
(5)将样品放置在管式退火炉中进行退火，退火温度为880-1000℃，时间为30分钟。
实施例2
本实施例制备一种遂穿氧化钝化结构，包括以下步骤：
(1)将硅片切成4cm×4cm的尺寸，进行标准RCA清洗。
(2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层约1.5nm的SiO2薄膜。
(3)将样品放入PECVD中处理，用N2O和NH3为处理气氛，N2O和NH3的流量比为2:1，功率为5W，处理时间为300S，生成SiON薄膜。
(4)用PECVD在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
(5)将样品放置在管式退火炉中进行退火，退火温度为880-1000℃，时间为30分钟。
实施例3
本实施例制备一种遂穿氧化钝化结构，包括以下步骤：
(1)将硅片切成4cm×4cm的尺寸，进行标准RCA清洗。
(2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层约1.5nm的SiO2薄膜。
(3)将样品放入PECVD中处理，用N2O和NH3为处理气氛，N2O和NH3的流量比为8:1，功率为5W，处理时间为300S，生成SiON薄膜。
(4)用PECVD在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
(5)将样品放置在管式退火炉中进行退火，退火温度为880-1000℃，时间为30分钟。
对比例1
对比例制备一种遂穿氧化钝化结构，包括以下步骤：
(1)将硅片切成4cm×4cm的尺寸，进行标准RCA清洗。
(2)将硅片放入硝酸中，形成SiO2薄膜。
(3)将硅片清洗吹干之后，接着用PECVD在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
(4)将样品放置在管式退火炉中进行退火，退火温度为880-1000℃，时间为30分钟。
对比例2
对比例制备一种遂穿氧化钝化结构，包括以下步骤：
(1)将硅片切成4cm×4cm的尺寸，进行标准RCA清洗。
(2)将硅片放入PECVD中处理，用N2O和NH3为处理气氛，N2O和NH3的流量比为2:1，N2O和NH3的流量比为2:1，功率为5W，处理时间为300S，生成SiON薄膜。
(3)将硅片清洗吹干之后，接着用PECVD在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
(4)将样品放置在管式退火炉中进行退火，退火温度为880-1000℃，时间为30分钟。
用X射线光电子能谱分析实施例和对比例遂穿氧化钝化结构中钝化遂穿层的成分，分析结果如下表1所示。
| 成分 | Si原子含量百分比 | O原子含量百分比 | N原子含量百分比 |
| 实施例1 | 50.74 | 43.59 | 5.67 |
| 实施例2 | 50.68 | 38.94 | 10.38 |
| 实施例3 | 49.67 | 47.59 | 2.74 |
| 对比例1 | 51.65 | 48.25 | 0.1 |
| 对比例2 | 50.31 | 48.93 | 0.76 |
表1钝化遂穿层中Si、O、N的含量表
测试钝化性能实施例和对比例遂穿氧化钝化结构的钝化性能结果如下表2所示。
| 退火温度 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 |
| 880℃ | 717mV | 713mV | 710mV | 678mV | 612mV |
| 920℃ | 720mV | 715mV | 713mV | 694mV | 664mV |
| 980℃ | 726mV | 722mV | 708mV | 653mV | 698mV |
| 1000℃ | 696mV | 687mV | 623mV | 612mV | 662mV |
表2遂穿氧化钝化结构的钝化性能
从测试结果可知，实施例1-3的制备的遂穿氧化钝化结构的钝化性能要优于对比例1-2，选择合适的退火温度，实施例1-3的钝化效果能使潜在开路电压达到720mV以上。用实施例1的工艺制备背结电池，效率可达22.04％。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超薄氮氧化硅界面材料，其特征在于，所述超薄氮氧化硅界面材料为SiON薄膜，厚度为1nm-4nm，所述SiON薄膜中N原子百分含量为1％-40％。
2.如权利要求1所述的超薄氮氧化硅界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用无离子轰击氧化法在硅片上生长一层SiO2薄膜；
S2、用PECVD方法对SiO2薄膜进行表面氮化处理，处理气氛为含氮气体和含氧气体，生成SiON薄膜。
3.根据权利要求2所述的超薄氮氧化硅界面材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述含氮气体为NH3，所述含氧气体的为N2O。
4.根据权利要求2所述的超薄氮氧化硅界面材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述含氮气体和所述含氧气体的流量比为2:1～8:1。
5.根据权利要求2所述的超薄氮氧化硅界面材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中无离子轰击氧化法为臭氧气氧化法或硝酸氧化法。
6.一种遂穿氧化钝化结构，其特征在于，包括硅片、钝化遂穿层和掺杂多晶硅层，所述钝化遂穿层的材料为如权利要求1所述的超薄氮氧化硅界面材料，所述钝化遂穿层位于所述硅片和所述掺杂多晶硅层之间。
7.根据权利要求5所述的遂穿氧化钝化结构，其特征在于，所述掺杂多晶硅层的材料为硼掺杂非晶硅薄膜。
8.如权利要求6所述的遂穿氧化钝化结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用无离子轰击氧化法在硅片上生长一层SiO2薄膜；
S2、用PECVD方法对SiO2薄膜进行表面氮化处理，处理气氛为含氮气体和含氧气体，生成SiON薄膜；
S3、用PECVD方法在SiON薄膜上沉积硼掺杂非晶硅薄膜；
S4、进行退火处理，得到遂穿氧化钝化结构。
9.根据权利要求8所述的遂穿氧化钝化结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，退火温度为820-1100℃。
10.如权利要求6所述的遂穿氧化钝化结构的应用，其特征在于，将所述遂穿氧化钝化结构应用于N型或P型隧穿氧化层钝化接触太阳能电池。
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