CN103094366A - 一种太阳电池钝化减反射膜及其制备工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池钝化减反射膜及其制备工艺方法。该制备工艺方法采用PECVD，在硅片表面沉积一层二氧化硅膜，再在做好的二氧化硅膜上沉积一层折射率较高的氮化硅层，最后在高折射率氮化硅层上再沉积一层折射率较低的氮化硅层。该制备工艺方法其操作方便、作业成本低、可对电池表面进行良好钝化和良好减反射性能，由该工艺制备的钝化减反射膜，其比传统单层或双层氮化硅膜更显著地提高太阳电池的开路电压、短路电流以及电池效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池片加工过程中的电池片处理技术领域，尤其涉及对太阳电池片表面进行镀膜处理的一种工艺。
背景技术
要提高晶体硅太阳电池的效率，应尽量提高硅基底对太阳光的吸收，降低硅片表面的反射率，而为了达到这个目的，除了对硅片进行制绒形成绒面，增加光在硅片表面的入射次数外，还可以在电池表面镀一层或多层减反射膜，目前工业上大规模生产的方法是采用管式PECVD设备在扩散后的硅片表面沉积氮化硅薄膜。氮化硅薄膜具有两个主要作用：良好的减反射效果，降低硅片表面反射率；薄膜内丰富的氢离子可以钝化表面悬挂键、晶界等缺陷态，减少非平衡载流子的复合中心，从而降低表面复合速率，提高电池的开路电压、短路电流。
在PECVD过程中，氮化硅膜的折射率、消光系数和钝化效果主要由硅的含量来决定，随着反应气体中硅烷含量的增加，膜的折射率增大，消光系数增大，更多的光会被膜吸收而难以到达硅表面，减小了电池的短路电流，但钝化效果增强了，减少了表面复合几率；反之，如果反应气中氨气含量增加，则膜的折射率和消光系数变小，钝化效果较差，前表面复合速率增加，但光的透过率也增大。
所以，目前工厂普遍采用双层镀膜工艺，内层采用高折射率氮化硅层以获得良好的钝化效果，外层采用低折射率氮化硅层以获得高透光率，如上海索日新能源科技有限公司公开了申请号为201120425191.8的专利，在硅片表面镀内层高折射率、外层低折射率的双层氮化硅。然而，氮化硅减反射膜的反射率还不是很低，常规的单层或双层减反射层都很难达到很好的减反射效果，膜结构较不合理，使得电池的钝化效果较差，而且在氮化硅沉积过程中，产生的氨和氢离子对硅片表面有一定的刻蚀作用，会带来一定的损伤，使得最终电池的效率不高。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种太阳电池钝化减反射膜，其比传统单层或双层氮化硅膜更显著地提高太阳电池的开路电压、短路电流以及电池效率。
本发明的另一目的在于提供一种太阳电池钝化减反射膜的制备工艺方法，其操作方便、作业成本低、可对电池表面进行良好钝化和良好减反射性能。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种太阳电池钝化减反射膜，包括：沉积在硅片表面的一二氧化硅膜层；沉积在所述二氧化硅膜层上的折射率较高的第一氮化硅层；以及沉积在所述第一氮化硅层上的折射率较低的第二氮化硅层。
本发明的太阳电池钝化减反射膜，所述二氧化硅膜层的折射率n为1.3≤n≤1.7；所述第一氮化硅层的折射率n为2.0≤n≤2.5；所述第二氮化硅层的折射率1.5≤n<2.0。
另外，本发明还提出了一种太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其采用PECVD，在硅片表面沉积一层二氧化硅膜，再在做好的二氧化硅膜上沉积一层折射率较高的第一氮化硅层，最后在高折射率氮化硅层上再沉积一层折射率较低的第二氮化硅层。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其包括以下步骤：
1）将扩散后的硅片插在石墨舟上；
2）石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管，管内通入反应气体硅烷，其流量为100-1000sccm，CO2流量为1-5slm，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2膜；
3）在上述的二氧化硅膜层上再沉积一层折射率较高的第一氮化硅层；
4）在上述折射率较高的第一氮化硅层上再沉积一层折射率较低的第二氮化硅层；
5）镀膜工艺结束，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，是在管式PECVD设备炉管中进行。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，步骤1）中，石墨舟每一格中的两片硅片扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，所述炉管的温度设定在450-550℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率为5000-7000W。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，步骤2）中，镀膜时间为100-200s，设计膜厚在3-20nm，折射率为1.3-1.7。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，步骤3）中，镀膜温度为400-500℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率5000-7000W，硅烷流量为700-1200sccm，氨气流量在4.5-5.5slm，镀膜时间为200-350s；所述第一氮化硅层的折射率n为2.0≤n≤2.5。
本发明的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，步骤4）中，镀膜温度为400-500℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率5000-7000W，硅烷流量为250-450sccm，氨气流量在4.5-5.5slm，镀膜时间为250-450s；所述第二氮化硅层的折射率1.5≤n<2.0。
借由上述技术方案，本发明具有的优点和有益效果如下：
1、本发明能进一步降低硅片表面的反射率，在太阳光谱300nm-1200nm之间的反射率比常规片更低，使得电池的光电转换效率得到提高；
2、电池在短波和长波光吸收进一步增强，尤其是短波段，因此本工艺非常适用于选择性发射极电池，能大大增强电池的短波响应；
3、靠近硅片表面的薄二氧化硅层具有良好的钝化效果，可钝化硅片表面的悬挂键、位错、晶界、点缺陷等，减少少子的复合，提高载流子迁移率，延长少子的寿命，提高电池的短路电流和开路电压，从而提高晶体硅太阳电池的转化效率；
4、增加了一层二氧化硅膜不仅提供了良好的表面钝化，还使减反膜系从两层变成三层，压低了三个波长的反射率，压低了整个太阳光谱在电池表面的反射率；
5、本发明工艺没有增加额外的设备，只增加了一路工作气体和一步镀膜工艺，本发明与现有晶体硅电池生产技术兼容。
附图说明
图1为本发明钝化减反射膜的膜层结构图。
图2为本发明不同实施例的硅片与常规工艺镀膜片的反射率对比图。
1：前电极
2：第二氮化硅层
3：第一氮化硅层
4：二氧化硅层
5：硅片
6：背电极
具体实施方式
如图1所述，为本发明的膜层结构示意图。本发明的钝化减反射膜，其结构包括：硅片5；沉积在该硅片5表面的一二氧化硅膜层4；沉积在该二氧化硅膜层上的折射率较高的第一氮化硅层3；以及沉积在该第一氮化硅层3上的折射率较低的第二氮化硅层2。该二氧化硅膜层4的折射率n设计为1.3≤n≤1.7；该第一氮化硅层3的折射率2.0≤n≤2.5；该第二氮化硅层2的折射率1.5≤n<2.0。此外，1为电池前电极，6为背电极。
另外，本发明的钝化减反射膜的制备工艺方法为：采用PECVD，在硅片表面沉积一层二氧化硅膜，再在做好的二氧化硅膜上沉积一层折射率较高的氮化硅层，最后在高折射率氮化硅层上再沉积一层折射率较低的氮化硅层。
以下通过具体较佳实施例结合附图，对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
实施例1
1.将扩散后的硅片插在石墨舟上，石墨舟每一格中的两片硅片要扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上；
2.石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管；
3.炉管的温度设定在510℃，真空度为1500毫托，射频源功率为6500W，管内通入反应气体硅烷流量为100sccm，CO2流量为1slm，镀膜时间为100s，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2；
4.在上述的二氧化硅层上再沉积一层折射率n为2.3的第一氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为800sccm，氨气流量在4.6slm，镀膜时间为100s；
5.在上述第一氮化硅层上再沉积一层折射率n为1.6的第二氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为250sccm，氨气流量在4.6slm，镀膜时间为250s；
6.镀膜工艺结束后，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
实施例2
1.将扩散后的硅片插在石墨舟上，石墨舟每一格中的两片硅片要扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上；
2.石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管；
3.炉管的温度设定在510℃，真空度为1500毫托，射频源功率为6500W，管内通入反应气体硅烷流量为500sccm，CO2流量为3slm，镀膜时间为150s，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2；
4.在上述的二氧化硅层上再沉积一层折射率n为2.1的第一氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为900sccm，氨气流量在5.0slm，镀膜时间为150s；
5.在上述折射率较高的氮化硅层上再沉积一层折射率n为1.7的第二氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为300sccm，氨气流量在5.0slm，镀膜时间为300s；
6.镀膜工艺结束，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
实施例3
1.将扩散后的硅片插在石墨舟上，石墨舟每一格中的两片硅片要扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上；
2.石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管；
3.炉管的温度设定在510℃，真空度为1500毫托，射频源功率为6500W，管内通入反应气体硅烷流量为1000sccm，CO2流量为5slm，镀膜时间为200s，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2；
4.在上述的二氧化硅层上再沉积一层折射率n为2.0的第一氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为1000sccm，氨气流量在5.5slm，镀膜时间为200s；
5.在上述折射率较高的氮化硅层上再沉积一层折射率n为1.8的第二氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为450sccm，氨气流量在5.5slm，镀膜时间为350s；
6.镀膜工艺结束，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
实施例4（最佳实施例）
1.将扩散后的硅片插在石墨舟上，石墨舟每一格中的两片硅片要扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上；
2.石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管；
3.炉管的温度设定在510℃，真空度为1500毫托，射频源功率为6500W，管内通入反应气体硅烷流量为800sccm，CO2流量为4slm，镀膜时间为190s，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2；
4.在上述的二氧化硅层上再沉积一层折射率n为2.2的第一氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为870sccm，氨气流量在5.3slm，镀膜时间为180s；
5.在上述折射率较高的氮化硅层上再沉积一层折射率n为1.8的第二氮化硅层，温度为510℃，真空度为1500毫托，射频源功率6500W，硅烷流量为350sccm，氨气流量在5.0slm，镀膜时间为320s；
6.镀膜工艺结束，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
上述四个实施例做出来的薄膜与采用常规双层镀膜工艺做出来的薄膜进行反射率对比，如图2所示。
另外，各实施例与常规工艺镀膜片最后分别做成电池成品，其各自的电性能数据如下表1所示：
表1实施例硅片与常规工艺镀膜片电性能对比
由上述表格中的各实施例与常规片的电性能对比来看，实施例1-4的镀膜片的开路电压、短路电流及转换效率均比常规片都有明显提升，平均效率可以比常规镀膜片高0.2%左右。
综上所述，本发明的制备工艺方法进一步降低了硅片表面的反射率，在太阳光谱300nm到1200nm之间的反射率比常规片更低，使得电池的光电转换效率得到提高；电池在短波和长波光吸收进一步增强，尤其是短波段。
因此本工艺非常适用于选择性发射极电池，能大大增强电池的短波响应；靠近硅片表面的薄二氧化硅层具有良好的钝化效果，可钝化硅片表面的悬挂键、位错、晶界、点缺陷等，减少少子的复合，提高载流子迁移率，延长少子的寿命，提高电池的短路电流和开路电压，从而提高晶体硅太阳电池的转化效率。
本发明的制备工艺方法先在硅片表面沉积一层二氧化硅膜可以避免常规工艺沉积氮化硅过程中氨离子和氢离子对硅片表面造成的损伤。
本发明不局限于应用在P型衬底的晶硅电池，还可应用在N型衬底的晶硅电池上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种太阳电池钝化减反射膜，其特征在于其包括：沉积在硅片表面的一二氧化硅膜层；沉积在所述二氧化硅膜层上的折射率较高的第一氮化硅层；以及沉积在所述第一氮化硅层上的折射率较低的第二氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜，其特征在于：所述二氧化硅膜层的折射率n为1.3≤n≤1.7；所述第一氮化硅层的折射率n为2.0≤n≤2.5；所述第二氮化硅层的折射率1.5≤n<2.0。
3.权利要求1或2所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：采用PECVD，在硅片表面沉积一层二氧化硅膜，再在做好的二氧化硅膜上沉积一层折射率较高的第一氮化硅层，最后在高折射率氮化硅层上再沉积一层折射率较低的第二氮化硅层。
4.根据权利要求3所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将扩散后的硅片插在石墨舟上；
2）石墨舟上桨，在导轨带动下进入镀膜炉管，管内通入反应气体硅烷，其流量为100-1000sccm，O2流量为1-5slm，射频源放电使反应气体电离并发生化合反应，从而在硅片表面沉积一层SiO2膜；
3）在上述的二氧化硅膜层上再沉积一层折射率较高的第一氮化硅层；
4）在上述折射率较高的第一氮化硅层上再沉积一层折射率较低的第二氮化硅层；
5）镀膜工艺结束，桨进入炉管将石墨舟退出，待硅片冷却后用真空笔从舟中取出。
5.根据权利要求3所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：所述制备工艺方法是在管式PECVD设备炉管中进行。
6.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：步骤1）中，石墨舟每一格中的两片硅片扩散面相对，非扩散面紧靠在石墨舟的电极板上。
7.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：所述炉管的温度设定在450-550℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率为5000-7000W。
8.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：步骤2）中，镀膜时间为100-200s，设计膜厚在3-20nm，折射率为1.3-1.7。
9.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：步骤3）中，镀膜温度为400-500℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率5000-7000W，硅烷流量为700-1200sccm，氨气流量在4.5-5.5slm，镀膜时间为200-350s；所述第一氮化硅层的折射率n为2.0≤n≤2.5。
10.根据权利要求1所述的太阳电池钝化减反射膜制备工艺方法，其特征在于：步骤4）中，镀膜温度为400-500℃，真空度为1000-2000毫托，射频源功率5000-7000W，硅烷流量为250-450sccm，氨气流量在4.5-5.5slm，镀膜时间为250-450s；所述第二氮化硅层的折射率1.5≤n<2.0。
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