CN110819968B - 一种用于pecvd反应腔的复合载板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于PECVD反应腔的复合载板，所述PECVD反应腔用于制备硅基异质结太阳能电池，所述载板表面开槽用以承载硅片，所述载板包括基底和包覆在所述基底表面的涂层，所述基底材料为含碳或者其同组内元素，所述涂层为金属材料且厚度为微米量级，所述涂层材料的膨胀系数大于等于所述基底材料的膨胀系数，该复合载板有助于硅片在PECVD反应腔中获得更纯净的环境，消除硅片上的载板加工刀痕印记，提高电池的转换效率。

Description

一种用于PECVD反应腔的复合载板
技术领域：
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种用于PECVD反应腔的复合载板。
背景技术：
在太阳能电池领域，硅基异质结太阳能电池（HIT太阳能电池）属于第三代硅基高效太阳能电池，是第一代（晶硅）与第二代（薄膜）技术的有机结合，它吸收了晶硅和薄膜电池的优点，具有转换效率高，温度系数低等特点，有着巨大的市场前景。
HIT太阳能电池是典型的三明治结构，如图1所示，中间以晶体硅（Si）为基底，上下层分别是本征非晶硅层(i型α-Si:H)、掺杂非晶硅层(p型α-Si:H或n型α-Si:H)、导电层(TCO或ITO)及电极等。相对于传统晶硅太阳能电池而言，HIT太阳能电池对外界环境非常敏感，一些对于传统晶硅太阳能电池不敏感的问题，在HIT太阳能电池上也凸显出来。比如：由于传统晶硅太阳能电池的开路电压较小，表面钝化效率较低，其对钝化材料的质量要求就不高，此时承载硅片的载板上若有刀痕印记对电池质量也不会有影响。而对于HIT太阳能电池来说，由于其开路电压偏高，用于钝化硅片表面的非晶硅材料的质量也偏高，造成载流子表面复合速度降低，从而使载流子扩散长度增加，此时，若非晶硅材料受载板刀痕印记影响产生了微缺陷，就会造成晶硅表面载流子复合速度增加，载流子扩散长度降低，导致EL亮度偏暗，电池质量下降。
除此之外，工业上为了提高产能，人们也倾向于将HIT太阳能电池组件面积做大，而这又带来其他一些问题，比如采用金属铝板作为电池载板的传统做法将因其热变形及加工应力变形严重而不再适用，因此，对于面积较大的HIT太阳能电池组件（大于1m2），业界目前多采用石墨作为HIT太阳能电池的载板。然而，由于石墨孔隙多易吸附及挥发杂质使得非晶硅钝化效果减弱，且石墨载板对电磁场的干扰性较大使得载板的加工印记体现在工艺膜层上等缺点，使得石墨载板作为与硅片表面直接接触的承载装置对HIT太阳能电池的质量产生了不良影响。为此，寻找一种适合大面积HIT太阳能电池组件的载板成为业内亟待解决的问题。
发明内容：
为解决上述问题，本发明提供了一种适用于HIT太阳能电池量产使用的PECVD反应腔复合载板，其包括基底材料和涂层材料，通过对基底材料和涂层材料的设计，克服了现有技术中载板所带来的一系列缺点。该复合载板有助于硅片在PECVD反应腔中获得更纯净的环境，能够消除硅片上的载板加工刀痕印记，提高电池的转换效率。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于PECVD反应腔的复合载板，所述PECVD反应腔用于制备硅基异质结太阳能电池，所述载板表面开槽用以承载硅片，所述载板包括基底和包覆在所述基底表面的涂层，所述基底材料为含碳或者其同组内元素，所述涂层为金属材料且厚度为微米量级，所述涂层材料的膨胀系数大于等于所述基底材料的膨胀系数。
可选地，所述涂层材料与基底材料的膨胀系数比值小于10。
可选地，所述基底材料为石墨、碳纤维、碳化硅中的任意一种。
可选地，所述涂层材料为铝、银、铜、或其合金类材料中的任意一种。
可选地，所述复合载板的面积大于1m2 。
相对于现有技术，本发明具有如下的技术效果。
1、通过对基底材料和涂层材料的设计，可以改善电磁场稳定性，消除硅片上的载板加工刀痕印记，优化HIT太阳能电池的电学性能，从而提高电池的转换效率。
2、本发明所使用的复合载板，具有如下特点：致密性好，在真空或大气下不易释放或吸附气体杂质；热稳定性能好，能够经受住25-300C不断的冷热温度往复循环；热变形小，满足工艺腔工艺的需求；强度好，满足长期硬件自动化传输的需要；抗氟腐蚀能力强且不易吸附F元素，可以满足NF3清洗的需求。
3、本发明中复合载板因其表面的涂层，能够实现NF3清洗后的载板的快速恢复，减少镀膜时间和清洗时间，提高设备的产能。
附图说明：
附图1： HIT太阳能电池的结构示意图。
附图2：复合载板的侧面结构示意图。
附图3：复合载板①的硅片在工艺镀膜后的EL照片。
附图4：复合载板②的硅片在工艺镀膜后的EL照片。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方法来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明所涉及的PECVD反应腔的复合载板，用于制备HIT太阳能电池,尤其用于制备面积较大的HIT太阳能电池组件，如面积大于1m2，此时对应的复合载板的面积也大于1m2 。如图2所示，载板100的表面开槽用以承载硅片，载板100包括基底101和包覆在基底表面的涂层102。
由于PECVD反应腔内的电磁场稳定性会直接影响硅片表面的镀膜工艺质量，所以为获得较稳定的电磁场，所选用载板的基底材料的电磁性质应与硅片的电磁性质近似，优选地，基底材料为含碳或者其同组内元素。例如：对于相对介电常数为11.8的N型单晶硅片，所选用基底材料的相对介电常数应在8-15之间为宜，例如可选硅(11.8)、石墨(10-15)、碳化硅（9.72）、碳纤维（9-12）等。
由于HIT太阳能电池的载板需要在约25 – 300℃的温度范围循环工作（25℃为常见腔外温度，300℃为常见腔内工艺温度），且进行反复的冷热切换，所以载板将会产生明显的热胀冷缩现象。在温度升高时，基底和涂层材料均有膨胀，为缩小二者之间的膨胀差异，就需要涂层材料的膨胀系数大于或等于基底材料的膨胀系数，否则薄的涂层会因基底材料的拉伸而损坏；并且，涂层材料与基底材料的膨胀系数比值也需要小于一定数值（如小于10），否则，涂层材料的大幅变形也会导致基底材料整体变形，造成载板无法使用。基于上述原因，基底材料与涂层材料的选择应相互匹配，当基底材料为石墨、玻璃等时，涂层材料可为铝、氧化铝、碳化硅等。
为了防止硅片在载板运动过程中大范围跑动，硅片需设在载板上的槽内。而在加工制作带槽的载板时，槽内极易出现加工刀痕及纹路印记，若不能妥善处理，将会导致刀痕及纹路印记印在硅片膜层中，引起膜层微缺陷，导致该膜层位置的电致发光（EL）亮度偏暗，影响产品质量。为解决该问题，本发明中复合载板的涂层材料必须具有强的电磁波反射作用，让电磁波“看不到”基底材料的加工印记，这是因为：由于真空波阻抗为120π，理想导体波阻抗为0，则在PECVD反应腔中当电磁波从近似真空（Z1）的腔内投射到理想导体（Z2）时，反射系数R=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)= -1，透射系数T=2*Z2/(Z1+Z2)=0，这说明电磁波全部反射，此时就可以避免刀痕及纹路印记印到硅片膜层内，从而保证电池质量。显然，上述只是一种理想状态，但由于涂层材料的电导率越大，电磁波的反射越强，电磁波看到基底加工印记的可能性就越小，所以实际选择时载板涂层材料应选择电阻率小于10E-6 Ω.m的材料，比如铝、银、铜等金属或其合金类材料等。
以下以石墨作为基底材料来搭配不同导电性的涂层材料进行详细说明：
图3和图4为通过EL电致发光成像太阳能电池生产检测设备所得到的不同复合载板上的硅片在相同工艺条件下镀膜后的EL照片。其中，图3对应的是导电性较差的涂层石墨复合载板①，其主要参数包括：载板基底材料：石墨，厚度5mm，介电常数12左右，热膨胀系数4.7*10-6/℃；载板涂层材料：氧化铝陶瓷，厚度0.2mm，电阻率10e6Ω.m，热膨胀系数7.2*10-6/℃。图4对应的是导电性较好金属铝涂层石墨复合载板②，其主要参数包括：载板基底材料：石墨，厚度5mm，介电常数12左右，热膨胀系数4.7*10-6/℃；载板涂层材料：金属铝涂层，厚度0.2mm，电阻率2.83e-8Ω.m，热膨胀系数23.6 *10-6/℃。
从图中可以看出：涂层为导电性较差的氧化铝陶瓷的石墨复合载板①会在硅片上留下回字型的刀口加工印记，但使用涂层为导电性较好的金属铝的石墨复合载板②，则可彻底解决回字型的刀口加工印记问题，除金属铝之外，银、铜及其合金类材料也能取得类似较好的效果。
更进一步地，将上述复合载板①和复合载板②应用于同等条件下的HIT太阳能电池的制程中，用以对所制备的HIT太阳能电池的电学性能进行比较。所述HIT太阳能电池的制程包括：1）利用同批N型单晶硅片进行制绒清洗；2）在PECVD设备里面，分别利用复合载板①和复合载板②，进行钝化层（I/I）和掺杂层(N/P)的制备；3）利用PVD制备TCO导电膜层；4）利用丝网印刷制备电极。表1中数据为利用IV测试仪对不同的HIT太阳能电池的电学性能进行比较的结果。
Figure 913632DEST_PATH_IMAGE002
表1、 用复合载板①和②制备的HIT太阳能电池的电学性能比较
从表1中可以看出，不同材料载板的电池性能差异主要集中在开路电压（Voc）和填充因子（FF）上，而载板的选择会直接影响非晶硅膜层质量，从而影响Voc和FF，降低太阳能电池的电池效率。通过选择导电较好的金属铝涂层石墨复合载板②，可以使得HIT太阳能电池的转换效率得到提高。
另外，在采用PECVD反应腔镀膜时，载板未被硅片覆盖住的边缘的表面也会随着硅片一起沉积上薄膜，因此实际上，工业连续的PECVD反应腔的工艺环境包括了边缘表面覆盖非晶硅薄膜的载板。随着PECVD反应腔工艺循环的增加，载板边缘表面的非晶硅膜层将持续变厚并导致脱落，影响电池转化效率，为解决该问题，就需要在一定工艺循环次数完成后对PECVD腔体进行NF3清洗。同时，工业上为了降低不同批次PECVD反应腔内所镀薄膜的差异性，又会尽量使不同批次的工艺条件和环境趋于一致，这就要求在每次NF3清洗结束后和再次PECVD反应腔镀膜之前，对载板进行预处理，即在载板表面上再镀一层非晶硅的恢复膜层，而该恢复膜层的厚度、镀膜的时间又会影响后续NF3的清洗时间，继而影响到设备的产能。具体地，以表2为例进行说明。
（1）对于普通的石墨载板而言，由于石墨表面疏松多孔，容易吸附氟等杂质，在NF3清洗中必然会有部分氟被吸入石墨中，在NF3清洗结束后，为防止这部分氟从石墨中溢出影响到后续PECVD工艺，就需要在预处理时沉积较厚的非晶硅恢复膜层，通常而言，该恢复膜层厚度需要0.7-2μm。当该载板在PECVD反应腔内又经过一段工作时间后，其表面不断沉积的非晶硅膜又会面临脱落的问题，此时需要再进行NF3清洗，在清洗过程中，为去除0.7-2μm厚的恢复膜层需要的时间约为1000s。
（2）对于复合载板而言，由于石墨基底的表面覆盖有致密性较好的陶瓷涂层，不易吸附氟等杂质，所以在预处理时只需沉积较薄的非晶硅恢复膜层即可，通常而言，该恢复膜层厚度仅需0.05-0.3um。此时后续再进行NF3清洗时，为去除0.05-0.3um厚的恢复膜层的时间约为150s。
由此可以看出，复合载板因其表面的涂层，能够实现NF3清洗后的载板的快速恢复，减少镀膜时间和清洗时间，提高设备的产能。基于上述原因以及对材料致密性因素和抗氟离子腐蚀性的考虑，优选的涂层材料为金属铝、氧化铝陶瓷材料。
载板类型 载板NF3清洗后恢复需要的膜层厚度 去除恢复膜层需要额外原位NF3清洗时间
普通载板（石墨） 0.7-2 um 1000s
复合载板（石墨基底和陶瓷涂层） 0.05-0.3um 150s
表2 NF3清洗后不同载板对应的膜层厚度及清洗时间
综上所述，本发明所涉及的复合载板，通过对基底材料和涂层材料的设计，可以改善电磁场稳定性，消除硅片上的载板加工刀痕印记，优化HIT太阳能电池的电学性能，从而提高电池的转换效率。并且，该复合载板具有如下特点：致密性好，在真空或大气下不易释放或吸附气体杂质；热稳定性能好，能够经受住25-300C不断的冷热温度往复循环；热变形小，满足工艺腔工艺的需求；强度好，满足长期硬件自动化传输的需要；抗氟腐蚀能力强且不易吸附F元素，可以满足NF3清洗的需求。
虽然本发明已以较佳的实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本法明的精神和范围内，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 (5)

1.一种用于PECVD反应腔的复合载板，所述PECVD反应腔用于制备硅基异质结太阳能电池，其特征在于：所述载板表面开槽用以承载硅片，所述载板包括基底和包覆在所述基底表面的涂层，所述基底材料为含碳或者其同组内元素，所述涂层为金属材料且厚度为微米量级，所述涂层材料的膨胀系数大于等于所述基底材料的膨胀系数，所述涂层材料的电阻率小于10E-6Ω.m。
2.根据权利要求1所述的一种用于PECVD反应腔的复合载板，其特征在于：所述涂层材料与基底材料的膨胀系数比值小于10。
3.根据权利要求1所述的一种用于PECVD反应腔的复合载板，其特征在于：所述基底材料为石墨、碳纤维、碳化硅中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于PECVD反应腔的复合载板，其特征在于：所述涂层材料为铝、银、铜、或其合金类材料中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于PECVD反应腔的复合载板，其特征在于：所述复合载板的面积大于1m2。
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GR01 Patent grant
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CP03 Change of name, title or address
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Address after: 201306 plant 3, Lane 2699, Jiangshan Road, Lingang xinpian District, China (Shanghai) pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai

Patentee after: Ideal Wanlihui Semiconductor Equipment (Shanghai) Co.,Ltd.

Patentee after: Ideal Wan Li Hui vacuum equipment (Taixing) Co.,Ltd.

Address before: 201620, Room 403, room 3255, Si Xian Road, Songjiang District, Shanghai

Patentee before: SHANGHAI LIXIANG WANLIHUI FILM EQUIPMENT Co.,Ltd.

Patentee before: Ideal Wan Li Hui vacuum equipment (Taixing) Co.,Ltd.