專利名稱：一種在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法
一種在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及晶體硅太陽電池前表面具有減反射和鈍化功能的薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
提升轉(zhuǎn)換效率以及降低制作成本一直是太陽電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對于晶體硅太陽電池而言，降低硅片表面復(fù)合速率可以有效地提升硅片電學(xué)性能；同時(shí)可以在電池表面制作陷光結(jié)構(gòu)，減少入射光的反射。
由于晶體硅的表面并不是理想的晶格周期性結(jié)構(gòu)，存在許多表面懸掛鍵，會增加硅片的表面復(fù)合速率，降低電池的短路電流密度。因此，需要在電池表面沉積一層鈍化膜， 以飽和表面懸掛鍵，降低表面態(tài)密度。
若采用含氫原子的氮化硅薄膜為鈍化層，一方面其中的氫原子可以飽和表面懸掛鍵；另一方面由于氮化硅薄膜具有較高的固定正電荷密度，可以通過場效應(yīng)鈍化來降低表面的少數(shù)載流子濃度。對于多晶硅電池，在隨后的高溫?zé)Y(jié)過程中，薄膜中的氫原子還可以擴(kuò)散到硅片體內(nèi)，填充晶格間的缺陷中心，實(shí)現(xiàn)體鈍化效果。
電池表面的減反射膜可以提升電池對入射光的利用。氮化硅薄膜由于折射率介乎于硅和空氣之間，可以作為減反射膜沉積在硅片前表面。同時(shí)經(jīng)過厚度的優(yōu)化，減反射層可以使太陽光中可見光波段在硅片表面的反射率有極小值。
由于兼具鈍化與減反射的優(yōu)點(diǎn)，含氫的氮化硅薄膜已經(jīng)廣泛用于太陽電池前表面。目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法進(jìn)行制備。然而， PECVD法所用的硅烷是一種易燃易爆的氣體，對儲存和使用的安全防護(hù)要求極其嚴(yán)格；并且硅烷目前尚不能完全國產(chǎn)，原料依賴于進(jìn)口，成本高昂。PECVD法的另一個(gè)缺點(diǎn)是在同腔室里連續(xù)鍍膜時(shí)，膜厚均勻性很難保證，硅片之間會有色差。
采用磁控濺射沉積含氫的氮化硅薄膜，其能克服上述的不足。相對于射頻磁控濺射而言，中頻孿生靶磁控濺射大幅減少了等離子體對襯底的轟擊，在沉積過程中襯底表面的損傷更小，可以得到更高的少數(shù)載流子壽命。由于磁控濺射可以方便地引入離子源， 因此在沉積前可以對硅片表面進(jìn)行預(yù)處理，去除表面雜質(zhì)，改善表面結(jié)構(gòu)。專利申請?zhí)枮?200610022062. 8，公開號為CN101165205發(fā)明名稱為一種采用中頻孿生靶磁控濺射法制備摻氫氮化硅薄膜的方法的發(fā)明專利申請，該方法是在200 400°C范圍對太陽能電池片進(jìn)行加溫情況下，在磁控濺射鍍膜工作室中充入反應(yīng)性氣體氮?dú)?，同時(shí)充入氨氣，利用旋轉(zhuǎn)的孿生中頻靶對其磁控濺射，同時(shí)利用等離子體發(fā)射譜強(qiáng)度監(jiān)測器閉環(huán)平衡控制裝置對充入反應(yīng)氣體氮?dú)膺M(jìn)行閉環(huán)流量控制，用質(zhì)量流量計(jì)控制氨氣流量，在電池片上沉積摻氫氮化硅的抗反射鈍化膜。該方法沒有使用離子源對硅片表面進(jìn)行預(yù)處理；此外，為了在薄膜內(nèi)加入氫原子，反應(yīng)氣體采用了氨氣，這將無法單獨(dú)控制氫原子的比例，并且沉積速度較慢， 其表面反射率高，晶體硅太陽電池的光學(xué)及電學(xué)性能差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，該制備方法原料來源廣泛、成本較低且使用安全，制備工藝的溫度以及能耗較低，大面積沉積的均勻性好，此外沉積出的薄膜能顯著增加太陽電池的少子壽命， 降低表面反射率，提升晶體硅太陽電池的光學(xué)及電學(xué)性能。
為了克服上述技術(shù)目的，本發(fā)明是按以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所述的一種在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其具體步驟是
(1)電池前期工藝選用襯底為織構(gòu)化的單晶或多晶硅片的基板，并進(jìn)行擴(kuò)散制備p-n結(jié)；
(2)離子表面轟擊在高真空環(huán)境下充入氬氣，用離子源對襯底進(jìn)行表面處理；
(3)薄膜沉積在基板被加熱的情況下，充入反應(yīng)氣體，采用中頻孿生靶磁控濺射，在襯底上沉積出氮化硅薄膜于襯底上；
(4)高溫?zé)Y(jié)印刷電池后對電池進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。
在本發(fā)明中，所述步驟(3)的薄膜沉積步驟中氮化硅薄膜為有兩種形式
第一，所述氮化硅薄膜含有氫原子的氮化硅薄膜，該沉積出含有氫原子的氮化硅薄膜的厚度為40 120nm，折射率為1. 90 2. 20，且氮化硅薄膜中含有原子比8% 20% 的氫原子。所述反應(yīng)氣體為氮?dú)馀c氫氣組成的混合氣體。
第二，所述氮化硅薄膜為二氧化硅/含氫的氮化硅的雙層薄膜。
在基板被加熱的情況下，先充入氧氣，采用中頻孿生靶磁控濺射，沉積出二氧化硅薄膜于硅襯底上；然后再重新充入氮?dú)馀c氫氣，在二氧化硅薄膜上沉積含氫的氮化硅薄膜， 以形成二氧化硅/含氫的氮化硅的雙層薄膜。且沉積出的二氧化硅薄膜厚度為5 25nm ； 沉積出的二氧化硅薄膜折射率為1. 35 1. 65 ；沉積出的含氫氮化硅薄膜厚度為40 150nm ；沉積出的含氫氮化硅薄膜折射率為1. 85 2. 35 ；沉積出的含氫氮化硅薄膜中含有原子比10% 20%的氫原子。
述步驟(3)中基板加熱溫度為150 300°C。
所述步驟(4)中高溫?zé)Y(jié)時(shí)溫度為400 900°C。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)本發(fā)明晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法所采用的原料來源廣泛、成本較低，使用安全可靠；
(2)本發(fā)明的制備方法采用的加熱溫度較低，其能耗少，其大面積沉積的均勻性好，沉積出的薄膜能顯著增加太陽電池的少子壽命，降低表面反射率，提升晶體硅太陽電池的光學(xué)及電學(xué)性能。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)的說明
圖1是本發(fā)明所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法流程圖2是本發(fā)明實(shí)施例一所述在晶體硅太陽電池單層鈍化減反射薄膜示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例二所述的晶體硅太陽電池雙層鈍化減反射薄膜示意圖4是本發(fā)明所采用的結(jié)合離子源的中頻孿生靶磁控濺射設(shè)備的俯視圖5是本發(fā)明所采用的鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
以下通過兩個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法予以詳細(xì)說明
實(shí)施例一
本實(shí)施例一是在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，具體提供的是采用中頻孿生靶磁控濺射制備晶體硅太陽電池前表面單層鈍化減反射膜的方法。如圖2所示，所述晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)不局限于常規(guī)的單晶硅或者多晶硅太陽電池，其具體包括層狀設(shè)置的p-n結(jié)1、鈍化減反射膜層2、前表面柵線金屬電極3、背面電極4，其中鈍化減反射膜層2所采用的薄膜材料為含氫原子的氮化硅層(SiNx:H)，此外，該晶體硅太陽電池，還可以具有背面鈍化層，金屬卷繞貫穿以及背面指叉等新型結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的具體步驟如下(如圖1、圖2、圖4、圖5所示)
(1)電池前期工藝選用襯底為織構(gòu)化的單晶或多晶硅片的基板，將單晶硅片或者多晶硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA濕化學(xué)清洗，去除損傷層，隨后進(jìn)行制絨、擴(kuò)散制備p-n結(jié)；
(2)離子表面轟擊在高真空環(huán)境下充入氬氣，用離子源對襯底進(jìn)行表面處理；具體是將硅片1放入磁控濺射真空室7的小車15上，開啟真空泵9，將真空抽至lX10_3Pa。 通入氬氣(Ar)，開啟真空泵9的節(jié)流閥，將工作氣壓調(diào)至0.2 0.6Pa。開啟離子源12的電源，將功率穩(wěn)定至300W。將載有硅片1的小車15以500mm/min的速度沿著導(dǎo)軌14的方向水平往復(fù)移動，對硅片表面轟擊5min，可以將樣品表面減薄10 20nm。
(3)薄膜沉積在基板被加熱的情況下，充入反應(yīng)氣體，采用中頻孿生靶磁控濺射，在襯底上沉積出鈍化減反射膜層2 (含氫氮化硅層(SiNx:H))于襯底上，，具體操作步驟是關(guān)閉離子源12，打開中頻孿生硅靶13的電源，逐漸將功率提升至2 3W/cm2，預(yù)濺射 5min。在混氣室11內(nèi)加入一定比例的氮?dú)?N2)和氫氣(H2)，隨后將氣體通入真空室7，重新調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使工作氣壓穩(wěn)定在0. 4 1. 3Pa間的某個(gè)值。將小車15溫度恒定在150 300°C，預(yù)濺射結(jié)束以后，小車15以500mm/min的速度沿著導(dǎo)軌14的方向水平往復(fù)移動。根據(jù)前期試驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)，在薄膜達(dá)到40 120nm厚度之后，停止濺射，對晶體硅襯底進(jìn)行水冷降溫后取出。
(4)上述薄膜根據(jù)實(shí)際需要，可以調(diào)整氮?dú)庠诠ぷ鳉怏w中的比例，以使薄膜的折射率介于1. 90 2. 20之間；可以調(diào)整氫氣在工作氣體中的比例，以使氫原子在薄膜中的原子比達(dá)到8 20%，其中原子比可用傅里葉變換紅外譜(FTIR)以及二次離子質(zhì)譜(SIMS)測出ο
(5)高溫?zé)Y(jié)印刷電池后對電池進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以使氫原子充分?jǐn)U散進(jìn)硅片體內(nèi)。為了提升電池片的產(chǎn)量，本實(shí)施例未單獨(dú)采用快速熱退火進(jìn)行硅片的體鈍化，而是結(jié)合了電極制備后的高溫?zé)Y(jié)工藝，讓電池只經(jīng)受一次高溫過程。如圖5所示，高溫?zé)Y(jié)爐為鏈?zhǔn)饺郎貐^(qū)燒結(jié)爐，分別為烘干區(qū)16、燒結(jié)區(qū)17和冷卻區(qū)18。高溫?zé)Y(jié)區(qū)溫度范圍為400 900°C，燒結(jié)時(shí)間為20 50s。將鍍膜后的硅片進(jìn)行絲網(wǎng)印刷制備前表面金屬柵線3以及背電極4，再送入燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)后通過光束誘導(dǎo)電流(LBIC)測試可以發(fā)現(xiàn)晶體硅體缺陷大幅減少。
實(shí)施例二
本實(shí)施例與上述實(shí)施例一基本相同，其不同之處是所述鈍化減反射膜層所采用的薄膜材料依次為二氧化硅5 (即SiO2)和含氫的氮化硅6 (即SiNx: H)，這即鈍化減反射膜層即為二氧化硅/含氫的氮化硅的雙層薄膜。
本實(shí)施例的具體步驟如下(如圖1、圖3、圖4、圖5所示)
(1)電池前期工藝將單晶硅片或者多晶硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA濕化學(xué)清洗，去除損傷層。隨后進(jìn)行制絨、擴(kuò)散制備p-n結(jié)。
(2)離子表面轟擊將硅片1放入預(yù)抽室8的小車15上，開啟真空泵9，將真空室7 氣壓抽至1 X 10_3pa。通入氬氣(Ar)，開啟真空泵9的節(jié)流閥，將工作氣壓調(diào)至0. 2 0. 6Pa ； 開啟離子源12電源，將功率穩(wěn)定至300W。將載有硅片1的小車15以500mm/min的速度沿著導(dǎo)軌14的方向水平往復(fù)移動，對硅片表面轟擊5min，可以將樣品表面減薄10 20nm。
(3)薄膜沉積關(guān)閉離子源12，打開中頻孿生硅靶13的電源，逐漸將功率提升至 2 3W/cm2，預(yù)濺射5min。在真空室7內(nèi)通入氧氣(O2)，重新調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使工作氣壓穩(wěn)定在0. 4 1. 3Pa間的某個(gè)值。將小車15溫度恒定在150 300°C，預(yù)濺射結(jié)束以后，小車 15以500mm/min的速度沿著導(dǎo)軌14的方向水平往復(fù)移動。沉積約5 25nm的二氧化硅層5后關(guān)閉中頻電源，移開小車15。關(guān)閉氧氣閥門，在混氣室11內(nèi)通入氮?dú)夂蜌錃?，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使工作氣壓穩(wěn)定在0. 4 1. 3Pa間的某個(gè)值。打開中頻電源后，小車15以500mm/ min的速度沿著導(dǎo)軌14的方向水平往復(fù)移動，與二氧化硅薄膜5上沉積含氫的氮化硅薄膜 6。根據(jù)前期試驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)，在薄膜達(dá)到40 150nm厚度之后，停止濺射，對晶體硅襯底進(jìn)行水冷降溫后取出。
(4)上述薄膜根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整氧氣在混合氣體中的比例，以使二氧化硅薄膜的折射率介于1. 35 1. 65之間；調(diào)整氮?dú)庠诠ぷ鳉怏w中的比例，以使薄膜的折射率介于1. 85 2. 35之間；調(diào)整氫氣在工作氣體中的比例，以使氫原子在薄膜中的原子比達(dá)到 10 20%，其中原子比可用傅里葉變換紅外譜(FTIR)以及二次離子質(zhì)譜(SIMS)測出。
(5)高溫?zé)Y(jié)采用與實(shí)施例一相同的高溫?zé)Y(jié)爐。將鍍膜后的硅片進(jìn)行絲網(wǎng)印刷制備前表面金屬柵線以及背電極，再送入燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，高溫?zé)Y(jié)區(qū)溫度范圍為 400 900°C，燒結(jié)時(shí)間為20 50s，燒結(jié)后通過光束誘導(dǎo)電流(LBIC)測試可以發(fā)現(xiàn)晶體硅體缺陷大幅減少。
權(quán)利要求
1.一種在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其具體步驟是(1)電池前期工藝選用襯底為織構(gòu)化的單晶或多晶硅片的基板，并進(jìn)行擴(kuò)散制備Ρ-Π結(jié)；(2)離子表面轟擊在高真空環(huán)境下充入氬氣，用離子源對襯底進(jìn)行表面處理；(3)薄膜沉積在基板被加熱的情況下，充入反應(yīng)氣體，采用中頻孿生靶磁控濺射，在襯底上沉積出氮化硅薄膜于襯底上；(4)高溫?zé)Y(jié)印刷電池后對電池進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述步驟(3)的薄膜沉積步驟中氮化硅薄膜為含有氫原子的氮化硅薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述反應(yīng)氣體為氮?dú)馀c氫氣組成的混合氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述薄膜沉積步驟中沉積出含有氫原子的氮化硅薄膜的厚度為40 120nm，折射率為1. 90 2. 20，且氮化硅薄膜中含有原子比8% 20%的氫原子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述步驟C3)的薄膜沉積步驟中氮化硅薄膜為二氧化硅/含氫的氮化硅的雙層薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于在基板被加熱的情況下，先充入氧氣，采用中頻孿生靶磁控濺射，沉積出二氧化硅薄膜于硅襯底上；然后再重新充入氮?dú)馀c氫氣，在二氧化硅薄膜上沉積含氫的氮化硅薄膜，以形成二氧化硅/含氫的氮化硅的雙層薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于沉積出的二氧化硅薄膜厚度為5 25nm ；沉積出的二氧化硅薄膜折射率為1. 35 1.65 ；沉積出的含氫氮化硅薄膜厚度為40 150nm;沉積出的含氫氮化硅薄膜折射率為1. 85 2. 35 ；沉積出的含氫氮化硅薄膜中含有原子比10% 20%的氫原子。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述離子源與襯底互相平行設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述基板加熱溫度為150 300°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在晶體硅太陽電池前表面制備鈍化減反射膜的方法，其特征在于所述步驟中高溫?zé)Y(jié)時(shí)溫度為400 900°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在晶體硅太陽電池前表面具有減反射和鈍化功能的薄膜的制備方法。其具體步驟是(1)電池前期工藝選用襯底為織構(gòu)化的單晶或多晶硅片的基板，并進(jìn)行擴(kuò)散制備p-n結(jié)；(2)離子表面轟擊在高真空環(huán)境下充入氬氣，用離子源對襯底進(jìn)行表面處理；(3)薄膜沉積在基板被加熱的情況下，充入反應(yīng)氣體，采用中頻孿生靶磁控濺射，在襯底上沉積出含氫的氮化硅薄膜或者二氧化硅/含氫的氮化硅薄膜；(4)高溫?zé)Y(jié)印刷電池后對電池進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。該制備方法原料來源廣泛、成本較低且使用安全，制備工藝的溫度以及能耗較低，大面積沉積的均勻性好，此外沉積出的薄膜能顯著增加太陽電池的少子壽命，降低表面反射率，提升晶體硅太陽電池的光學(xué)及電學(xué)性能。
文檔編號H01L31/18GK102569533SQ201210077168
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者洪瑞江, 陶路平 申請人:中山大學(xué)