利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法及背面
全钝化接触太阳电池
技术领域
背景技术
[0002] 隧穿
氧化物/多晶
硅钝化接触(TOPCon)太阳电池作为一种背面全钝化接触太阳电池，其结构示意图如图1所示，其最重要的便是超薄隧穿氧化层和
多晶硅层，这两层的
质量直接决定了电池的钝化质量和电池效率。
[0003] 目前，以SiO2/多晶硅为背面全钝化接触结构的TOPCon太阳电池，通常是采用LPCVD的方法进行制备，其制备工艺
流程图如图2所示，存在以下问题：(1)由于LPCVD设备中
硅片是采用背靠背的方法插入
石英槽中，在高温分解硅烷来制备多晶硅时不可避免的会产生绕
镀现象，即不仅电池背面沉积了多晶硅，电池的扩散面也沉积了部分多晶硅，这部分多出的多晶硅会严重影响
太阳能电池的性能，因而需要额外增加专
门的多晶硅清洗设备和清洗工艺，从而增加了生产复杂度，降低产品的良率，且多晶硅清洗设备属于新研发设备，设备价格较高，提高了制备成本。(2)现有背面全钝化接触结构中，SiO2层一般采用热氧化法生长，这种方法制备出的SiO2中的硅来源于硅片表面，当硅片表面形成一定厚度的SiO2层后，
氧化剂必须以扩散的形式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成SiO2，然而，随着SiO2层的增厚，
薄膜的生长速率将逐渐下降，从而很难控制氧化速率，特别是难以制备出极薄的氧化层，如1-5nm的氧化层，而且很容易导致过渡族金属玷污。(3)现有背面全钝化接触结构中，在采用LPCVD设备制备多晶硅时，多晶硅会附着在石英管舟和石英管壁上，由于多晶硅和石英的
热膨胀系数不一样，当多晶硅生长到一定厚度时，会使得石英管和石英舟在应
力作用下炸裂，极大增加了生产成本，目前产业上生产500次左右的多晶硅薄膜后需要更换石英管，这造成极大的资源浪费和成本提升。(4)采用LPCVD制备背钝化接触结构，多晶硅是在低压的条件下生长，所以生长速度比较慢，生长100nm的非晶硅需要60-80min左右的时间；同时制备本征非晶硅后还需要对其进行扩散掺杂以获得掺杂多晶硅，因而新增了扩散掺杂工艺，而扩散又需要90-100min左右的时间，使得生长整个钝化接触结构要3个小时以上的时间，这大大降低了电池产能。(5)LPCVD制备多晶硅薄膜需要较高的
温度(600℃以上)，提高了成本，安全性也较差。由此可见，现有背面全钝化接触太阳电池的制备工艺存在具有工艺复杂、绕镀现象严重、工艺时间长、
工作温度高、生产成本高等缺点。此外，板式PECVD制备非晶硅/掺杂非晶硅表面全钝化结构的缺点由：低温沉积工艺，与现有产线不兼容，目前采用平板式PECVD制备的非晶硅
钝化层一般沉积温度在200-300℃，不能耐受高温，而现有的产线工艺都是高温工艺，因而与现有产线不兼容。为此，需要对现有产线做出比较大的改变，设备投资等成本太高；由于是低温工艺，现有的用于制备
电极的
银浆也要使用成本更加高昂的低温银浆，从而又增加了成本。因此，如何克服
现有技术中存在的上述问题，以获得一种工艺简单、操作方便、成本低廉、与现有产线兼容好、制备可控性好、制备效率高、安全性好的背面全钝化接触太阳电池的制备方法，对于获得高质量的背面全钝化接触结构、高效率的背面全钝化接触太阳电池及扩大背面全钝化接触太阳电池的应用范围具有十分重要意义。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、成本低廉、与现有产线兼容好、制备可控性好、制备效率高、安全性好的利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法及由此制得的高效率的背面全钝化接触太阳电池。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法，包括以下步骤：
[0007] S1、依次对硅片进行预清洗、双面制绒、
正面硼扩散、正面激光选择性掺杂、二次清洗、背面
抛光；
[0008] S2、利用管式PECVD设备在抛光后的硅片背面沉积
二氧化硅薄膜层；
[0009] S3、利用管式PECVD设备在二氧化硅层上沉积磷掺杂非晶
碳化硅薄膜层；
[0010] S4、对沉积有掺磷的非晶碳化硅薄膜层的硅片进行
退火处理，使非晶碳化硅转变为微晶碳化硅；
[0011] S5、在硅片正面依次沉积Al2O3钝化层和减反射层；
[0012] S6、对硅片进行丝网印刷和
烧结，得到背面全钝化接触太阳电池。
[0013] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述二氧化硅薄膜层的沉积过程中工艺参数为：等离子
频率为40kHz或13.56MHz，衬底温度为400℃～500℃，以氧气或一氧化二氮为反应气体，反应气体的流量为4000sccm～5000sccm，压力为200Pa～220Pa，沉积功率为3000W～5000W，占空比为5～10ms∶80～100ms，沉积时间为180s～300s。
[0014] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述磷掺杂非晶碳化硅薄膜层的沉积过程中工艺参数为：等离子频率为40kHz或13.56MHz，温度为300℃～400℃，以硅烷、甲烷、氢气和磷烷为反应气体，硅烷的流量为300sccm～900sccm，甲烷的流量为5000sccm～9000sccm，氢气的流量为500sccm～2000sccm，磷烷的流量为300sccm～3000sccm，硅烷、甲烷、氢气和磷烷的流量比为1∶10～30∶1～5∶1～10，气压为200Pa～220Pa，沉积功率为5000W～10000W，占空比5～10ms∶80～100ms，沉积时间为900s～1800s。
[0015] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S4中，所述退火处理在氮气气氛下进行；所述退火处理的温度为600℃～800℃；所述退火处理的时间为10min～20min。
[0016] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述硅片为N型
单晶硅片，
电阻率1Ω·cm～3Ω·cm。
[0017] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述预清洗采用的清洗液为氢氧化
钾和双氧
水混合水溶液；所述氢氧化钾和双氧水混合水溶液由氢氧化钾溶液和双氧水溶液混合而得；所述氢氧化钾溶液和双氧水溶液的体积比为1∶2～4；所述氢氧化钾溶液的质量浓度为45％～47％；所述双氧水溶液的质量浓度为30％～32％；所述预清洗在温度为60℃～70℃下进行；所述预清洗的时间为160s～200s。
[0018] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述双面制绒为将预清洗后的硅片置于KOH溶液中；所述KOH溶液的浓度为45％～47％；所述双面制绒在温度为75℃～85℃下进行；所述双面制绒的时间为800s～1000s。
[0019] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述正面硼扩散在温度为800℃～850℃下进行；所述正面硼扩散的时间为85min～95min。
[0020] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述二次清洗采用的
刻蚀液为HF和HNO3混合溶液；所述HF和HNO3混合溶液由HF溶液和HNO3溶液混合而得；所述HF溶液和HNO3溶液的体积比为1∶2.5～1∶2.1；所述HF溶液的质量浓度为49％～50％；所述HNO3溶液的质量浓度为65％～68％；所述二次清洗在温度为8℃～15℃下进行；所述二次清洗的时间为50s～70s。
[0021] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S5中，所述Al2O3钝化层在ALD设备中进行制备；所述Al2O3钝化层的沉积过程中工艺参数为：温度为250℃～350℃，反应气体为TMA和H2O，TMA的脉冲时间为0.01s～20s，H2O的脉冲时间为0.01s～20s，，单次沉积Al2O3钝化层的厚度为0.1nm～0.15nm，共循环沉积15次～20次，总沉积厚度1.5nm～3nm。
[0022] 上述的方法，进一步改进的，所述步骤S5中，所述减反射层在管式PECVD设备中进行制备；所述减反射层的沉积过程中工艺参数为：温度为400℃～500℃，反应气体为硅烷、
氨气，硅烷和氨气的流量比为1∶1～20，沉积时间900s～1000s。
[0023] 作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种背面全钝化接触太阳电池，由上述的方法制备得到。
[0024] 上述的背面全钝化接触太阳电池，进一步改进的，所述背面全钝化接触太阳电池包括硅片；所述硅片的正面依次设有P+-Si层、Al2O3钝化层、减反射层和正面电极；所述硅片的背面依次设有二氧化硅薄膜层、磷掺杂微晶碳化硅薄膜层和背面电极。
[0025] 上述的背面全钝化接触太阳电池，进一步改进的，所述二氧化硅薄膜层的厚度为1nm～5nm；所述磷掺杂微晶碳化硅薄膜层的厚度为100nm～200nm。
[0026] 上述的背面全钝化接触太阳电池，进一步改进的，所述P+-Si层的厚度为2μm～3μm；所述Al2O3钝化层的厚度为1.5nm～3nm；所述减反射层为SiNx薄膜、SiOxNy薄膜或是由二者构成的叠层薄膜；所述减反射层的厚度为75nm～85nm；所述正面电极为银电极；所述背面电极为银电极。
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028] (1)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，采用的是管式PECVD设备及方法制备背面全钝化接触结构，这种方法是将硅片嵌入
石墨舟的卡槽中，然后在两个硅片之间进行放电，
等离子体沉积到硅片的背面上，正面不会有沉积，所以不会出现绕镀现象。
[0029] (2)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，碳化硅沉积到石英管或石英舟表面时不会造成其炸裂，从而节约了生产成本。
[0030] (3)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，采用的是管式PECVD设备及方法制备超薄SiO2层，在等离子体的作用下，激发氧分子或N2O分子得到氧等离子体，然后氧
等离子体氧化硅衬底，在硅衬底上制备二氧化硅薄膜，这种方法仅适用气源(氧气或N2O)，成本低，对环境无污染，且在低温下运行，操作安全，通过控制氧气或N2O的流量、射频和氧化时间可以获得超薄的二氧化硅薄膜，且厚度可控。
[0031] (4)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，采用管式PECVD设备及方法制备的SiO2+微晶碳化硅的结构，所需的时间大大降低，生长氧化硅只需要2-10min，且由于采用了原位掺杂，在制备非晶碳化硅的过程中就对其进行了掺杂，同时PECVD方法沉积速率快，只需要30min左右就能生长100nm的非晶碳化硅，因而生长整个钝化接触结构只需要1个小时左右的时间，极大地提升了产线的效率，从而提升电池产能。
[0032] (5)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，采用管式PECVD设备及方法温度较低(300-400℃)，可以降低成本，安全性较高。
[0033] (6)本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法中，采用的管式PECVD设备与用于正面镀SiNx膜的管式PECVD设备类似，只是调整气路即可实现将用于正面镀SiNx膜的管式PECVD设备用于制备SiO2+微晶碳化硅的结构，现有产线及设备兼容性好，因而能够充分利用现有成熟装备制造技术和成熟生产工艺的
基础上实现全钝化接触，有效降低的设备采购/改造成本。
[0034] 由此可见，本发明利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉、与现有产线兼容好、制备可控性好、制备效率高、安全性好等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用，有着很高的使用价值和很好的应用前景。
[0035] (7)本发明提供了一种背面全钝化接触太阳电池，由上述的制备方法制备得到。该电池中以二氧化硅薄膜层/磷掺杂微晶碳化硅薄膜层为背面全钝化接触结构，带来的好处有工艺时间短，可以通过调节碳化硅中碳的含量改善薄膜钝化质量和薄膜的热
稳定性，从而提高电池效率等。
附图说明
[0036] 为使本发明
实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0037] 图1为现有常规TOPCon太阳电池的结构示意图。
[0038] 图2为现有常规TOPCon太阳电池的制备工艺流程图。
[0039] 图3为本发明实施例1中利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的工艺流程图。
[0040] 图4为本发明实施例1中制得的背面全钝化接触太阳电池的结构示意图。
[0041] 图例说明：
[0042] 1、硅片；2、P+-Si层；3、Al2O3钝化层；4、减反射层；5、正面电极；6、背面电极；7、二氧化硅层；8、磷掺杂微晶碳化硅薄膜层；9、n+多晶硅层。
具体实施方式
[0043] 以下结合
说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0044] 以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。本发明的实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上试验的平均值。
[0045] 实施例1：
[0046] 一种利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法，其制备工艺流程图如图3所示，包括以下步骤：
[0047] (1)将硅片(具体为N型单晶硅片，电阻率1Ω·cm～3Ω·cm)在槽式机中进行预清洗，去损伤层，其中溶液为氢氧化钾(KOH)和双氧水(H2O2)混合水溶液，该氢氧化钾(KOH)和双氧水(H2O2)混合水溶液由氢氧化钾溶液和双氧水溶液混合而得，其中氢氧化钾溶液和双氧水溶液的体积比为1∶3，且氢氧化钾溶液的质量浓度45％，双氧水溶液的质量浓度30％。该步骤中预清洗在温度为60℃下进行，时间为160s。
[0048] (2)将步骤(1)中经预清洗后的硅片进行双面制绒，其中双面制绒所采用的溶液为氢氧化钾和异丙醇的混合溶液(该混合溶液中氢氧化钾的质量浓度为10％，异丙醇的浓度为0.5wt％)。该步骤中，双面制绒在温度为80℃下进行，时间为900s。
[0049] (3)将步骤(2)中制绒后的硅片放入硼扩散炉中进行正面硼扩散，形成P+-Si层，其中扩散的温度为850℃，时间90min。
[0050] (4)将步骤(3)中扩散后硅片的扩散面朝上进行激光选择性掺杂，在正面制备激光选择性发射极(SE)。
[0051] (5)将步骤(4)中激光SE后的硅片进行二次清洗，设备为链式设备，二次清洗工艺与常规晶硅电池二次清洗工艺完全相同，扩散制绒面朝上，刻蚀液为HF和HNO3混合水溶液，该HF和HNO3混合水溶液由HF溶液和HNO3溶液混合而得；所述HF溶液和HNO3溶液的体积比为1∶2.5，HF溶液的质量浓度为49％，HNO3溶液的质量浓度为65％。该步骤中，二次清洗在刻蚀温度为8℃下进行，时间为60s，在采用二次清洗去除BSG的同时将本征的氧化硅层也去除。
[0052] (6)将步骤(5)中二次清洗的硅片背面将二次清洗的硅片背面进行化学抛光。
[0053] (7)将步骤(6)中背面化学抛光后的硅片进行放入管式PECVD设备中沉积二氧化硅层，其中等离子体频率40kHz，衬底温度450℃，以氧气(O2)为反应气体，氧气流量2000sccm，压力200Pa，沉积功率5000W，占空比5ms：80ms，沉积时间为200s。
[0054] (8)步骤(7)中沉积二氧化硅层完成后，在同一个管式PECVD反应炉中沉积磷掺杂非晶碳化硅(α-SiCx:H)薄膜层，其中等离子体频率40kHz，温度300℃，以硅烷、甲烷、氢气和磷烷为反应气体，硅烷的流量300sccm，甲烷的流量6000sccm，氢气的流量600sccm，磷烷的流量1500sccm，即四种气体的流量比为1∶20∶2∶5，气压为220Pa，沉积功率10000W，占空比5:80，沉积时间为1800s。
[0055] (9)步骤(8)中沉积磷掺杂非晶碳化硅(α-SiCx:H)薄膜层完成后，将硅片放入
退火炉中进行高温退火，使非晶碳化硅(α-SiCx:H)转变为微晶碳化硅(μ-SiCx:H)，退火条件：温度800℃，N2气氛，常压，时间20min。
[0056] (9)将骤(8)中退火处理后的硅片放入ALD设备中在硅片正面的P+-Si层沉积Al2O3钝化层，沉积条件：温度为300℃，反应气体为TMA和H2O，TMA的脉冲时间为0.01s，H2O的脉冲时间为10秒，单次沉积时间50s，共循环沉积20次，总沉积厚度2nm。
[0057] (10)将骤(9)中沉积有Al2O3钝化层的硅片放入PECVD反应炉中在Al2O3钝化层上沉积SiNx减反层薄膜，沉积条件：温度为450℃，反应气体为硅烷和氨气，流量分别为5500sccm和1500sccm，沉积时间900s。
[0058] (11)将骤(9)中沉积有SiNx减反层薄膜的硅片进行丝网印刷和烧结制成背面全钝化接触太阳电池。
[0059] 如图4所示，本发明制得的背面全钝化接触太阳电池，包括硅片1，其中硅片1的正面依次设有P+-Si层2、Al2O3钝化层3、减反射层4和正面电极5；硅片1的背面依次设有二氧化硅薄膜层7、磷掺杂微晶碳化硅(n+-SiC)薄膜层7和背面电极6。
[0060] 本实施例中，二氧化硅薄膜层7的厚度为1.5nm；磷掺杂微晶碳化硅薄膜层8的厚度为100nm；P+-Si层2的厚度为2.5μm；Al2O3钝化层3的厚度为2nm；减反射层4为SiNx薄膜；减反射层4的厚度为80nm；正面电极5为银电极；背面电极6为银电极。
[0061] 对本实施例中制得的背面全钝化接触
太阳能电池进行电性能测试，结果如表1所示。
[0062] 本发明中采用SiO2+SiCx:H背面全钝化结构制得N型TOPCon太阳能电池(背面全钝化接触太阳能电池)，经过测试，最高效率达到22.81％，相比传统SiO2+PolySi全钝化结构电池(现有常规TOPCon太阳能电池)提高0.32％，主要是开路
电压和
短路电流的提升，说明SiCx相比多晶硅具有更好的钝化作用。
[0063] 表1本发明背面全钝化接触太阳能电池的电性能数据
[0064]
[0065] 实施例2：
[0066] 一种利用管式PECVD制备背面全钝化接触太阳电池的方法，包括以下步骤：
[0067] (1)将硅片(具体为N型单晶硅片，电阻率1Ω·cm～3Ω·cm)在槽式机中进行预清洗，去损伤层，其中溶液为氢氧化钾(KOH)和双氧水(H2O2)混合水溶液，该氢氧化钾(KOH)和双氧水(H2O2)混合水溶液由氢氧化钾溶液和双氧水溶液混合而得，其中氢氧化钾溶液和双氧水溶液的体积比为1∶3，且氢氧化钾溶液的质量浓度45％，双氧水溶液的质量浓度30％。该步骤中预清洗在温度为60℃下进行，时间为160s。
[0068] (2)将步骤(1)中经预清洗后的硅片进行双面制绒，双面制绒所采用的溶液为氢氧化钾和异丙醇的混合溶液(该混合溶液中氢氧化钾的质量浓度为10％，异丙醇的浓度为0.5wt％)。该步骤中，双面制绒在温度为80℃下进行，时间为900s。
[0069] (3)将步骤(2)中制绒后的硅片放入硼扩散炉中进行正面硼扩散，形成P+-Si层，其中扩散的温度为850℃，时间90min。
[0070] (4)将步骤(3)中扩散后硅片的扩散面朝上进行激光选择性掺杂，在正面制备激光选择性发射极(SE)。
[0071] (5)将步骤(4)中激光SE后的硅片进行二次清洗，设备为链式设备，二次清洗工艺与常规晶硅电池二次清洗工艺完全相同，扩散制绒面朝上，刻蚀液为HF和HNO3混合水溶液，该HF和HNO3混合水溶液由HF溶液和HNO3溶液混合而得；所述HF溶液和HNO3溶液的体积比为1∶2.5，HF溶液的质量浓度为49％，HNO3溶液的质量浓度为65％。该步骤中，二次清洗在刻蚀温度为8℃下进行，时间为60s，在采用二次清洗去除BSG的同时将本征的氧化硅层也去除。
[0072] (6)将步骤(5)中二次清洗的硅片背面将二次清洗的硅片背面进行化学抛光。
[0073] (7)将步骤(6)中背面化学抛光后的硅片进行放入管式PECVD设备中沉积二氧化硅层，其中等离子体频率40kHz，衬底温度450℃，以一氧化二氮(N2O)为反应气体，N2O流量4000sccm，压力200Pa，沉积功率3000W，占空比5ms：80ms，沉积时间为180s。
[0074] (8)步骤(7)中沉积二氧化硅层完成后，在同一个管式PECVD反应炉中沉积磷掺杂非晶碳化硅(α-SiCx:H)薄膜层，其中等离子体频率40kHz，温度300℃，以硅烷、甲烷、氢气和磷烷为反应气体，硅烷的流量300sccm，甲烷的流6000sccm，氢气的流600sccm，磷烷的流1500sccm，即四种气体的流量比为1∶20∶2∶5，气压为220Pa，沉积功率10000W，占空比5:80，沉积时间为1800s。
[0075] (9)步骤(8)中沉积磷掺杂非晶碳化硅(α-SiCx:H)薄膜层完成后，将硅片放入退火炉中进行高温退火，使非晶碳化硅(α-SiCx:H)转变为微晶碳化硅(μ-SiCx:H)，退火条件：温度800℃，N2气氛，常压，时间20min。
[0076] (9)将骤(8)中退火处理后的硅片放入ALD设备中在硅片正面的P+-Si层沉积Al2O3钝化层，沉积条件：温度为300℃，反应气体为TMA和H2O，TMA的脉冲时间为0.01s，H2O的脉冲时间为10秒，单次沉积时间50s，共循环沉积20次，总沉积厚度2nm。
[0077] (10)将骤(9)中沉积有Al2O3钝化层的硅片放入PECVD反应炉中在Al2O3钝化层上沉积SiNx减反层薄膜，沉积条件：温度为450℃，反应气体为硅烷和氨气，流量分别为5500sccm和1500sccm，沉积时间900s。
[0078] (11)将骤(9)中沉积有SiNx减反层薄膜的硅片进行丝网印刷和烧结制成背面全钝化接触太阳能电池。
[0079] 对本实施例中制得的背面全钝化接触太阳能电池进行电性能测试，结果如表2所示。
[0080] 表2本发明背面全钝化接触太阳能电池的电性能数据
[0081]
[0082]
[0083] 以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
