CN103050553B - 一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于晶体硅太阳能电池的技术领域，具体地说是一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法。所述结构包括基区、PN结、发射区、第一介质层、第二介质层、第三介质层、铝薄层、第一本征氢化非晶硅层、第二本征氢化非晶硅层、正面电极及背面电极，其中PN结位于基区和发射区之间，第一介质层作为正面减反射层和钝化层，第二介质层作为背面钝化层，所述第三介质层作为背面介质层的盖层，第一本征氢化非晶硅层位于第一介质层和发射区之间，第二本征氢化非晶硅层位于基区和第二介质层之间，铝薄层位于第三介质层的外侧，正面电极和背面电极分别置于晶硅太阳能电池正面和背面。本发明利用微波PECVD方法实现高质量的背表面钝化，可以提高转化效率1％。

Description

一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池的技术领域，具体地说是一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是可以将太阳能直接转换成电能的光电器件。最通用的太阳能电池材料是硅，以单晶或者多晶硅的形式存在。由于利用硅基太阳能电池的发电成本高于传统方法的发电成本，可以通过提高太阳能电池效率的方法降低发电成本。
如图1所示，常规太阳能电池结构包括铝薄层1、基区2、PN结3、发射区4、介质层5、正面电极6以及背面电极7。PN结3布置在太阳能电池片的基区2和发射区4之间，并且当入射光激发产生电子空穴对。介质层5作为太阳能电池片的减反射层，同样用作发射区4表面的钝化层。所述正面电极6和背面电极7分别置于高效晶硅太阳能电池正面和背面。
目前晶硅太阳能电池制作工艺步骤如下：首先将太阳能电池硅片进行清洗和腐蚀金字塔绒面，扩散工艺制作PN结，刻蚀工艺去掉PSG磷硅玻璃，利用PECVD方法进行双面钝化，烧结工艺制作正面电极和背面电极，最后完成太阳能电池的制作。
当光照到太阳能电池上时，在PN结3两侧上产生电子空穴对。电子扩散经过PN结3到更低能带而空穴向相反方向扩散，在发射区产生阳离子，并在基区产生阳离子。当发射区和基区构成回路时，回路中会有电流流过。光电转换效率受若干参数影响，包括太阳能电池中电子和空穴的速率和光反射程度。
当电子和空穴发生复合时，其中，电子和空穴运动方向相反，彼此复合。每次电子-空穴对在太阳能电池复合时，载流子消失，由此可以降低太阳能电池的效率。复合可以发生在电池片的本征硅内或者在电池片的表面上。在本征硅内，复合是由于缺陷的数量决定的。在电池片的表面上，复合由悬挂键的数量决定即存在于表面的未饱和悬挂键。因为电池片的硅晶格终止于电池片表面，所以悬挂键也位于电池片的表面。这些未饱和的化学键起着缺陷的作用，并位于硅的能带范围内，并因此成为电子空穴对的复合位置。
通过减少表面复合，电池片的表面钝化可以极大地提高太阳能太阳能电池片的效率。钝化定义为硅晶格表面上的悬挂键的化学终结。为了钝化电池片的表面，在表面上形成介质层。从而将表面上的悬挂键的数量减少3或者4个数量级。对于太阳能电池应用，介质层通常是氮化硅层。大部分悬挂键用硅或者氮原子饱和。因为氮化硅是非晶材料，发射区之间的硅晶格十分匹配，而介质层的非晶结构却失配。因此，在介质层形成后的表面上悬挂键的数量足以显著减少太阳能电池片的效率，这就要求表面的额外钝化，诸如氢钝化。在多晶硅太阳能电池的情况中，氢可以帮助钝化晶界上的缺陷中心。
当介质层5是氮化硅层时，通过引入本征介质层中的氢原子的最优浓度。最优氢原子浓度受多个因素影响，包括薄膜性质和沉积介质层的方法，在5％和20％之间变化。在沉积完介质层之后，太阳能电池片进行高温退火工艺，有时称为烧结工艺，和电池片形成金属接触。
上述结构的太阳能电池是常规太阳能电池，我们需要提高太阳能电池的效率。众所周知，在本征介质层中的最优氢原子浓度是用于氢原子钝化工艺的关键参数。例如，据估计由于表面缺少氢原子钝化，可以将电池片的效率从大约14-15％降低到12-13％。如何进一步提高效率，降低成本是国内外晶体硅太阳能电池研究领域的基本目标。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双面钝化晶硅太阳能电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双面钝化晶硅太阳能电池，包括基区、PN结、发射区、第一介质层、第二介质层、第三介质层、铝薄层、第一本征氢化非晶硅层、第二本征氢化非晶硅层、正面电极及背面电极，其中PN结位于基区和发射区之间，所述第三介质层作为正面减反射层和钝化层，所述第二介质层作为背面钝化层，所述第一介质层作为所述背面介质层的盖层，所述第二本征氢化非晶硅层位于第三介质层和发射区之间，所述第一本征氢化非晶硅层位于基区和第二介质层之间，所述铝薄层位于第一介质层的外侧，所述正面电极和背面电极分别置于晶硅太阳能电池正面和背面。
所述第三介质层和第一介质层作为钝化层具有阳离子，材料是氮化硅、碳化硅或氧化硅。
所述氮化硅内固定离子浓度为1010-1011cm-3，所述碳化硅内固定离子浓度高达1011cm-3，所述氧化硅内固定离子浓度为1010-1011cm-3。
所述第三介质层和第一介质层含有的H浓度为5－15％。
所述氮化硅膜层折射率在2.15以内，膜层厚度在97nm以内。
所述第二介质层作为钝化层具有阴离子，阴离子浓度高达1013cm-3，材料为氧化铝，所述氧化铝膜层折射率在1.70以内，膜层厚度在60nm以内。
所述第一本征氢化非晶硅层和第二本征氢化非晶硅层的膜层厚度在10nm以内。
一种双面钝化晶硅太阳能电池的制备方法，包括将所述太阳能电池硅片进行清洗和腐蚀金字塔绒面、扩散工艺制作PN结、刻蚀工艺去除掉PSG磷硅玻璃、制造双面钝化层、采用丝网印刷、烧结制备正面电极和背面电极，最后完成太阳能电池的制作。
所述制造双面钝化层在微波PECVD***中进行，包括下述几个步骤：
将电池片传输进装载腔；
降低所述装载腔的真空度；
将所述电池片传输至第一工艺腔；
在所述第一工艺腔内在所述基区和发射区上分别沉
积第一本征氢化非晶硅层和第二本征氢化非晶硅层；
将所述电池片传输至第二工艺腔；
在所述第二工艺腔内，在第一本征氢化非晶硅层上沉积第二介质层；
将所述电池片传输至第三工艺腔；
在所述第三工艺腔内，在第二介质层上沉积第一介质层；
在所述第三工艺腔内，在第二本征氢化非晶硅层上沉积第三介质层；
将所述电池片传输出所述微波PECVD***。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明利用微波PECVD在第一工艺模块使用SiH4(硅烷)和H2作为前驱气体，可以沉积本征硅本征氢化非晶硅层。
2.本发明提供了一种利用微波PECVD方法来沉积AlOx介质层和SiN介质层作为太阳能电池片上钝化层。通过该方法允许***构造成用于处理大面积的电池片以实施太阳能电池片上的AlOx钝化层和SiN钝化层上的沉积，从而利用***的高沉积速率和优良的薄膜均匀性。
3.本发明利用微波PECVD方法实现高质量的背表面钝化，可以提高转化效率1％。
4.本发明微波PECVD特点在于共有七个门阀、10个真空腔体，可同时沉积电池片背表面AlOx/SiN介质复合层和正面SiN介质层，四个预热腔结构完全一致，便于快速拆卸，可以实现不破坏热场和真空的情况下上沉积和下沉积。
附图说明
图1是常规太阳能电池的结构示意图；
图1中：1为铝薄层；2为基区；3为PN结；4为发射区；5为介质层；6为正面电极；7为背面电极。
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明微波PECVD***的结构图。
图2、图3中：8为铝薄层，9为第一介质层，10为第二介质层，11为第一本征氢化非晶硅层，12为基区，13为PN结，14为发射区，15为第二本征氢化非晶硅层，16为第三介质层，17为正面电极，18为背面电极，26为装载腔，28为第一预热腔，29为第一工艺腔，30为第二预热腔，32为第三预热腔，34为第二工艺腔，35为第四预热腔、37为第五预热腔37，39为第三工艺腔，40为冷却腔，42为卸载腔，19、20、21、22、23、24为真空泵组，25、27、31、33、36、38、41、43为门阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
Si表面的钝化方法有两种。第一种降低Si表面的界面缺陷浓度，例如通过H原子钝化Si的悬挂键。这种方法叫化学钝化。第二种方法通过表面的自建电场，即降低Si表面少子浓度，这种方法叫场效应钝化，可以通过界面掺杂或者在Si表面薄膜内沉积固定离子来实现。
AlOx具有浓度非常高的阴离子(高达1013cm-3)。几乎所有的其他材料(特别是SiO2和a-SiNx:H)具有浓度很低的阴离子。对于AlOx来说，阴离子位于Si上SiOx和AlOx交界处。此外，AlOx内的阴离子浓度取决于AlOx的制备方法。通过等离子辅助ALD和PECVD制备的AlOx薄膜内的阴离子浓度高于热ALD制备的AlOx薄膜内的阴离子浓度。
AlOx的另外一个作用是在热处理期间(退火和烧结工艺)可以向Si表面提供氢。从而AlOx薄膜可以起到化学钝化的作用，直接沉积在H终结的Si或者包含沉积SiOx层(例如通过PECVD或ALD)的Si上，SiOx层本身钝化性能很差(即没有AlOx薄膜时)。
如图2所示，本发明包括基区12、PN结13、发射区14、第一介质层9、第二介质层10、第三介质层16、铝薄层8、第一本征氢化非晶硅层11、第二本征氢化非晶硅层15、正面电极17及背面电极18，其中PN结13位于基区12和发射区14之间，第三介质层16作为正面减反射层和钝化层，第二介质层10作为背面钝化层，第一介质层9作为背面介质层10的盖层。第二本征氢化非晶硅层15位于第三介质层16和发射区14之间，第一本征氢化非晶硅层11位于基区12和第二介质层10之间，铝薄层8位于第一介质层9的外侧，正面电极17和背面电极18分别置于晶硅太阳能电池正面和背面。
第三介质层16和第一介质层9作为钝化层具有阳离子，材料是氮化硅、碳化硅或氧化硅。氮化硅内固定离子浓度为1010-1011cm-3，碳化硅内固定离子浓度高达1011cm-3，氧化硅内固定离子浓度为1010-1011cm-3。第三介质层16和第一介质层9含有的H浓度为5－15％。氮化硅膜层折射率在2.15以内，膜层厚度在97nm以内。第二介质层10作为钝化层具有阴离子，阴离子浓度高达1013cm-3，材料为氧化铝，所述氧化铝膜层折射率在1.70以内，膜层厚度在60nm以内。第一本征氢化非晶硅层11和第二本征氢化非晶硅层15的膜层厚度在10nm以内。
双面钝化晶硅太阳能电池的制备方法，包括将所述太阳能电池硅片进行清洗和腐蚀金字塔绒面、扩散工艺制作PN结、刻蚀工艺去除掉PSG磷硅玻璃、制造双面钝化层、采用丝网印刷、烧结制备正面电极和背面电极，最后完成太阳能电池的制作。
所述制造双面钝化层在微波PECVD***中进行，PECVD工艺模块包含第一工艺腔29、第二工艺腔34及第三工艺腔39，其中第一工艺模块29使用SiH4和H2作为前驱气体，可以沉积本征硅本征氢化非晶硅层，第二工艺膜块34使用TMA(三甲基铝)和N2O作为前驱气体，可以沉积AlOx膜层。第三工艺膜块39使用SiH4和NH3(氨气)作为前驱气体，可以先后进行上、下沉积SiN介质层。
制造双面钝化层，包括下述几个步骤：
将电池片传输进装载腔26；
降低所述装载腔26的真空度；
将所述电池片传输至第一工艺腔29；
在所述第一工艺腔29内在所述基区12和发射区14上分别沉积第一本征氢化非晶硅层11和第二本征氢化非晶硅层15；
将所述电池片传输至第二工艺腔34；
在所述第二工艺腔34内，在第一本征氢化非晶硅层11上沉积第二介质层10；
将所述电池片传输至第三工艺腔39；
在所述第三工艺腔39内，在第二介质层10上沉积第一介质层9；
在所述第三工艺腔39内，在第二本征氢化非晶硅层15上沉积第三介质层16；
将所述电池片传输出所述微波PECVD***。
本发明在电阻率为1.3Ωcnm的p型区熔硅片上，首先使用标准线型等离子源结构的PECVD在第一工艺腔29内进行沉积，沉积本征硅本征氢化非晶硅层，工艺条件为前驱气体SiH44sccm、H24sccm，功率12W、沉积功率1Torr，沉积91s，本征层厚度为5nm，该本征层完全可以覆盖硅片表面，饱和硅片表面的硅悬挂键，对硅片表面进行很好的钝化，使硅片表面复合速率降到世界最低3cm/s，从而得到较高的太阳电池转换效率，尤其是得到较高的开路电压。
其次使用标准线型等离子源结构的PECVD在第二工艺腔34内进行沉积，TMA流量为100sccm，N2O流量为2000sccm，设定沉积温度为350℃，功率为2000W，传输速度设定为150cm/min，沉积30nm的氧化铝、折射率为1.64。
再次使用标准线型等离子源结构的PECVD在第三工艺腔39内进行沉积，SiH4流量为300sccm，NH3流量1800sccm，沉积时间30Pa，平均功率2000W，沉积温度400℃，沉积厚度80nm，折射率2.01的SiN盖层。
最后使用标准线型等离子源结构的PECVD在第三工艺腔进行沉积，SiH4流量300sccm，NH3流量为1800sccm，沉积时间30Pa，平均功率为2000W，沉积温度为400℃，沉积厚度为80nm，折射率为2.01的SiN减反射层。
PECVD***构造成处理大面积电池片的***可以高速沉积介质层。一个或者更多电池片位于等离子腔中。前驱气体通入腔室，施加微波功率激发等离子体，流过电池片的表面以沉积期望的介质层材料。本发明在相对短的时间处理大量的太阳能电池片，从而减少介质层沉积的成本。此外，在太阳能电池片上沉积均匀性的微波PECVD***可以提高太阳能电池片的效率。

Claims (1)

1.一种双面钝化晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括将太阳能电池硅片进行清洗和腐蚀金字塔绒面、扩散工艺制作PN结、刻蚀工艺去除掉PSG磷硅玻璃、制造双面钝化层、采用丝网印刷、烧结制备正面电极和背面电极，最后完成太阳能电池的制作；
所述制造双面钝化层在微波PECVD***中进行，包括下述几个步骤：
将电池片传输进装载腔(26)；
降低所述装载腔(26)的真空度；
将所述电池片传输至第一工艺腔(29)；
在所述第一工艺腔(29)内在基区(12)和发射区(14)上分别沉积第一本征氢化非晶硅层(11)和第二本征氢化非晶硅层(15)；
将所述电池片传输至第二工艺腔(34)；
在所述第二工艺腔(34)内，在第一本征氢化非晶硅层(11)上沉积第二介质层(10)；
将所述电池片传输至第三工艺腔(39)；
在所述第三工艺腔(39)内，在第二介质层(10)上沉积第一介质层(9)；
在所述第三工艺腔(39)内，在第二本征氢化非晶硅层(15)上沉积第三介质层(16)；
将所述电池片传输出所述微波PECVD***。
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