CN205194711U - 物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构,所述钝化减反射结构包括:二氧化硅层,覆盖于所述太阳能电池的表面;第一氮化硅层,覆盖于所述二氧化硅层的上表面;第二氮化硅层,覆盖于所述第一氮化硅层的上表面;以及第三氮化硅层,覆盖于所述第二氮化硅层的上表面。本实用新型的钝化减反射结构应用于物理冶金多晶硅电池中,既能对电池表面起到良好的钝化减反射作用,提高电池少子寿命,降低电池因复合造成的效率损失;还能从电池工艺端有效降低电池漏电,同时还能增强电池抗腐蚀、防潮性能,延长电池的使用寿命。

Description

物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构
技术领域
本实用新型涉及多晶硅太阳电池制备技术领域,特别涉及一种具有抗PID效应(电势诱导衰减)的物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构。
背景技术
目前,世界范围内制备太阳能级多晶硅材料的主要技术路线有:改良西门子法,硅烷法,物理冶金法,其中改良西门子法需要在1100℃左右的高温条件下,利用高纯氢还原高纯三氯氢硅,使生成的多晶硅沉积在高纯硅芯上,但该方法存在设备工艺复杂、投资成本过高、能耗高、产能低、反应副产物难以处理等一系列问题,严重限制着光伏行业的发展;硅烷法就是将制得的硅烷(SiH4)提纯后,再进行热分解制备较高纯度多晶硅的技术,该方法生产效率高,具有低电耗、低成本的优点,但是唯一的缺点是安全性差,生产操作时危险性大,其次是产品纯度不高。并且以上两种方法在得到纯度较高的多晶硅后,又要重新熔融掺杂高纯硼(B),这样就意味着能源的双重浪费。相比较而言物理冶金法提纯多晶硅,直接把硅材料中的硼提纯到所需纯度,并且具有生产周期短、能耗低、污染小、成本低、产能大的优点,作为一种生产低成本太阳能级多晶硅的新兴工艺,近年来一直是世界各国竞相研究的重点技术。
但在物理冶金多晶硅中,往往会存在较多的金属杂质和较高密度的晶界、位错等微缺陷,这些金属杂质和缺陷最终都有可能形成复合中心,导致材料少子寿命明显低于化学法提纯的多晶硅。为了提高物理冶金法提纯的多晶硅原始片的少子寿命,现在普遍采用的方法是,在制作太阳能电池前会对硅片进行950℃左右的中高温磷吸杂处理,但是这样会在硅体内产生新的缺陷,影响电池性能,降低其转换效率。
因此从电池制备方面考虑,良好的表面钝化已经成为制备高效物理冶金多晶硅电池必不可少的条件。目前,多晶硅太阳电池生产商主要利用氮化硅(SixNy)作为钝化减反射结构,这也是PV工业中仅有的可以在一步工艺条件下同时实现电池表面钝化、体钝化和表面减反射的材料。但是,SixNy-Si结构界面态密度高、界面应力大,并且氮化硅与硅表面的附着能力较差,又会影响电池表面的钝化效果。而且传统晶硅电池表面的SixNy钝化减反射结构层几乎都因折射率较低使得电池组件PID衰减较为严重。对于本身材料质量较差、漏电流较大的物理冶金多晶硅电池,PID现象往往会更加严重。更多的晶硅电池片生产商通过平衡提高减反层折射率和不降低电池效率的关系来开发具有抗PID衰减的电池片。为了追求PIDFree,都是采用高Si/N比率的SixNy提高钝化减反射结构层的折射率,导致晶硅电池转换效率较常规工艺降低1-2%。
因此形成具有良好钝化效果、并能降低电池漏电流的钝化减反射结构显得尤为重要。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的不足,提供一种物理冶金多晶硅太阳电池钝化减反射结构。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现:
一种物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构,包括:
二氧化硅层,覆盖于所述太阳能电池的表面;
第一氮化硅层,覆盖于所述二氧化硅层的上表面;
第二氮化硅层,覆盖于所述第一氮化硅层的上表面;以及
第三氮化硅层,覆盖于所述第二氮化硅层的上表面。
在本实用新型的钝化减反射结构的一个实施方式中,所述第一氮化硅层的折射率大于所述第二氮化硅层的折射率,所述第二氮化硅层的折射率大于所述第三氮化硅层的折射率。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述二氧化硅层的折射率为1.45-1.50。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述二氧化硅层的厚度为2-10nm。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第一氮化硅层的折射率为2.30-2.60。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第一氮化硅层的厚度为20-50nm。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第二氮化硅层的折射率为2.10-2.40。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第二氮化硅层的厚度为5-30nm。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第三氮化硅层的折射率为1.90-2.30。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述第三氮化硅层的厚度为40-60nm。
在本实用新型的钝化减反射结构的另一个实施方式中,所述二氧化硅层、所述第一氮化硅层、所述第二氮化硅层以及所述第三氮化硅层的等效膜厚为72-88nm,总折射率为2.00-2.20。
本实用新型的钝化减反射结构应用于物理冶金多晶硅电池中,既能对电池表面起到良好的钝化减反射作用,提高电池少子寿命,降低电池因复合造成的效率损失;还能从电池工艺端有效降低电池漏电,同时还能增强电池抗腐蚀、防潮性能,延长电池的使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型的一个实施方式的钝化减反射结构的结构示意图。
其中,附图标记说明如下:
1.硅片;
2.二氧化硅层;
3.第一氮化硅层;
4.第二氮化硅层;
5.第三氮化硅层。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步说明。本实用新型的保护范围不限于以下实施例,列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本实用新型。
下面具体介绍本实用新型优选实施例的钝化减反射结构。
如图1所示,本实用新型的钝化减反射结构,包括经制绒扩散去周边PN结后的硅片1,覆盖于硅片1表面的二氧化硅层2,覆盖于二氧化硅层2上表面的第一氮化硅层3,覆盖于第一氮化硅层3上表面的第二氮化硅层4,以及覆盖于第二氮化硅层4上表面的第三氮化硅层5。
本实用新型的钝化减反射结构,利用PECVD方法在二氧化硅层上沉积三层氮化硅层,制备的SiO2-SixNy叠层结构把二氧化硅与硅之间良好的界面性质及其优良的电学性能同氮化硅层的化学惰性和低渗透率结合了起来,形成稳定的钝化减反射结构。
硅片1为冶金法提纯的多晶硅硅片,但不限于此。
二氧化硅层2沉积在冶金多晶硅太阳能电池的表面上,其折射率为1.45-1.50,厚度为2-10nm,可通过在热硝酸液体中生长形成。由于SiO2层较SixNy层有优良的导电性,底层引入SiO2层,可以将一部分富集的外来电荷引走,防止因电荷堆积而导致钝化减反射结构失效,而且SiO2钝化层也可以提高电池的Voc,明显降低电池反向漏电流,提高电池性能和转换效率,降低电池组件发生PID的风险。
第一氮化硅层3、第二氮化硅层4和第三氮化硅层5均为氮化硅(SixNy)减反射层,其中,SixNy可有多种不同的形式,例如y=4,x=3,或者其他的比例。
本实用新型的钝化减反射结构中,SiO2-Si界面态密度要比SixNy-Si界面态密度低,使SiO2-SixNy叠层既具有SixNy层的氢钝化效果,又具有较低的SiO2-Si界面态密度,综合了两者之间的优势,表现出更好的钝化与减反射效果。此外,二氧化硅的热膨胀系数比硅小,SixNy-SiO2界面的应力要比SixNy-Si界面小,SixNy-SiO2下面的SiO2层还可改善SixNy的附着力,形成一个连续的界面,这种界面在高温下有更好的热稳定性。
在电池表面的SiO2氧化膜上淀积氮化硅层,一方面阻止了外界的钠离子对器件的玷污,另一方面还能将氧化膜中已含有的钠转移到氮化硅膜中。另外,在二氧化硅膜中由于氧空位造成了大量的正电荷中心,而在氮化硅膜中存在负电荷中心,因此在复合SixNy-SiO2钝化膜中,SiO2膜中的正电荷就有可能被吸收到SiO2-SixNy界面上来,这点对控制可动电荷是有贡献的。在这种结构中,SiO2不但起到一个缓冲和中介的作用,也作为优良的表面钝化膜,在同减反射涂层结合时它足够薄不干扰SixNy减反射膜光学系统。而且制作的电池不易被腐蚀、防潮,从而提高了太阳能电池的使用寿命。
根据光学原理,只有三层氮化硅层的折射率从上到下依次减少,减反射膜才能起到减反射效果,因此第一氮化硅层3的折射率大于第二氮化硅层4的折射率,第二氮化硅层4的折射率大于第三氮化硅层5的折射率。其中,第一氮化硅层3的折射率为2.30-2.60,厚度为20-50nm;第二氮化硅层4的折射率为2.10-2.40,厚度为5-30nm;第三氮化硅层5的折射率为1.90-2.30,厚度为40-60nm。
沉积在二氧化硅层上的三层氮化硅结构中,第一层高折射率的钝化SixNy层可以进一步的降低PID衰减,顶层低折射率的SixNy层可以提高钝化减反射结构的含H量,减小高折射率SixNy层对Isc和FF产生的不良影响,使银浆可以更有效的蚀穿钝化减反射结构层,中间层氮化硅折射率适中,且膜厚较小,可在第一层氮化硅与顶层氮化硅之间起到一个缓冲层作用,降低因第一层膜的高折射率而产生高消光系数的影响,并减少第一层氮化硅和顶层氮化硅界面之间的光反射。
在多层膜结构的镀膜过程中,沉积之前会设定各层膜的厚度,此厚度是指单独沉积该层膜时所形成的膜的厚度(理论厚度)。而在连续进行多层镀膜时,由于上下层挤压等原因,使得各单层膜的厚度相比单独沉积时的厚度有所缩减,导致最终得到的多层膜的实际总厚度略低于各层膜的理论厚度的总和,因此,在实际应用中,通常以等效膜厚来表征最终形成的多层膜的实际厚度。
最终得到的钝化减反射结构中,二氧化硅层2、第一氮化硅层3、第二氮化硅层4以及第三氮化硅层5的等效膜厚为72-88nm,总折射率为2.00-2.20。
以下介绍本实用新型的钝化减反射结构的生产工艺及工艺参数,所涉及的工艺均为本领域技术人员所公知的,在此对工艺的具体步骤不再赘述。
对硅片1进行去磷硅玻璃后,硅片1进行刻边,将硅片1放入氟化氢液体去磷硅玻璃,在热氧化液体中浸泡硅片生长二氧化硅层2,再在二氧化硅层2上依次镀上第一氮化硅层3、第二氮化硅层4以及第三氮化硅层5,从而形成物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构。
其中采用的热氧化液体可为热浓硝酸、双氧水、次氯酸、浓硫酸等。
本实用新型通过目前发展的低温液体氧化工艺的实现及与目前液体E-etched工艺的整合,来实现在硅片扩散后及氮化硅镀膜间的边刻,去磷硅玻璃及超薄二氧化硅超薄膜制备,作为达到低成本提高太阳能电池性能作用的方法。
实施例1
将硅片放入具有一体化液体环境的设备中,对硅片依次进行清洗、制绒、扩散、湿法刻蚀去周边PN结及表层磷硅玻璃,然后将硅片放入氧化液体中浸泡生长二氧化硅层,在经过上述步骤处理的硅片表面利用PECVD设备沉积三层折射率与厚度均不相同的氮化硅层,形成四叠层钝化减反射结构。
沉积第一层氮化硅层的工艺条件为:NH3流量为3000sccm,SiH4流量为1000sccm,控制压力为193Pa;射频功率为4000W,沉积时间为100-120s;得到厚度为27~33nm,折射率为2.4~2.6的第一层氮化硅层;
之后在第一层氮化硅层上沉积第二层氮化硅层,工艺条件为:NH3流量为3429sccm,SiH4流量为571sccm,控制压力为187Pa;射频功率为4000W,沉积时间为70-90s;得到厚度为21~29nm,折射率为2.1~2.3的第二层氮化硅层;
最后在第二层氮化硅层上沉积第三层氮化硅层,工艺条件为:NH3流量为3750sccm,SiH4流量为250sccm,控制压力为184Pa;射频功率为4000W,沉积时间为420-470s,得到厚度为47~56nm,折射率为2.0~2.2的第三层氮化硅层。
实施例2
将硅片放入具有一体化液体环境的设备中,对硅片依次进行清洗、制绒、扩散、湿法刻蚀去周边PN结及表层磷硅玻璃,然后将硅片放入氧化炉中在650℃条件下生长一层二氧化硅层,再在经过上述步骤处理的硅片表面利用PECVD设备沉积三层折射率与厚度均不相同的氮化硅层,形成四叠层钝化减反射结构。
沉积第一层氮化硅层的工艺条件为:NH3流量为3000sccm,SiH4流量为1000sccm,控制压力为197Pa;射频功率为4000W,沉积时间为100-120s;得到厚度为26~33nm,折射率为2.5~2.6的第一层氮化硅层;
之后在第一层氮化硅层上沉积第二层氮化硅层,工艺条件为:NH3流量为3429sccm,SiH4流量为571sccm,控制压力为186Pa;射频功率为4000W,沉积时间为70-90s;得到厚度为20~29nm,折射率为2.1~2.4的第二层氮化硅层;
最后在第二层氮化硅层上沉积第三层氮化硅层,工艺条件为:NH3流量为3750sccm,SiH4流量为250sccm,控制压力为183Pa;射频功率为4000W,沉积时间为420-470s;得到厚度为47~56nm,折射率为2.0~2.2的第三层氮化硅层。
本领域技术人员应当注意的是,本实用新型所描述的实施方式仅仅是示范性的,可在本实用新型的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而,本实用新型不限于上述实施方式,而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种物理冶金多晶硅太阳电池的钝化减反射结构,其特征在于,所述钝化减反射结构包括:
二氧化硅层,覆盖于所述太阳能电池的表面;
第一氮化硅层,覆盖于所述二氧化硅层的上表面;
第二氮化硅层,覆盖于所述第一氮化硅层的上表面;以及
第三氮化硅层,覆盖于所述第二氮化硅层的上表面。
2.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第一氮化硅层的折射率大于所述第二氮化硅层的折射率,所述第二氮化硅层的折射率大于所述第三氮化硅层的折射率。
3.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述二氧化硅层的折射率为1.45-1.50,厚度为2-10nm。
4.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第一氮化硅层的折射率为2.30-2.60。
5.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第一氮化硅层的厚度为20-50nm。
6.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第二氮化硅层的折射率为2.10-2.40。
7.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第二氮化硅层的厚度为5-30nm。
8.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第三氮化硅层的折射率为1.90-2.30。
9.根据权利要求1所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述第三氮化硅层的厚度为40-60nm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的钝化减反射结构,其特征在于,所述二氧化硅层、所述第一氮化硅层、所述第二氮化硅层以及所述第三氮化硅层的等效膜厚为72-88nm,总折射率为2.00-2.20。
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