在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法及太阳能电池与流程

本发明涉及硅太阳能电池的技术领域，特别涉及一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法和应用该方法获得的太阳能电池。

背景技术：

近来人们逐渐认识到提高晶硅太阳能电池效率的关键因素在于减小电池表面的载流子复合损失。最有效的方法之一是通过在太阳能电池的表面覆盖一层合适的电介质材料以减小硅电池表面硅的缺陷密度，进而减少载流子在表面附近通过缺陷复合，从而达到表面“钝化”的目的。近些年，拥有双面钝化电介质膜的太阳能电池，比如“发射极钝化和局部背接触”电池(perc)和“发射极钝化和背部全扩散”电池(pert)，已经逐渐受到光伏工业界的认可，并且产能逐渐扩大。

用于表面钝化的电介质材料有热氧化硅、等离子增强化学气相沉积氮化硅、氧化铝和非晶硅等，这些电介质材料的性能如下：

1.热氧化硅虽然具有优良的钝化性能，但是通常需要在高温下(大于900摄氏度)生长。高温工艺会增加电池的生产成本，同时造成低纯度硅材料(如多晶硅)的性能衰减。

2.氮化硅对于n型硅表面具有优良的钝化效果，其钝化主要依赖于材料中高浓度的正电荷。但是在钝化p型硅表面的时候，氮化硅中的正电荷会在硅表面由电子聚集而形成反转层。电子会通过反转层流动到有金属接触的地方复合，形成寄生并联电阻，降低电池的效率。

3.氧化铝对于p型硅表面具有优良的钝化效果。但是缺点在于其折射率约为1.7，低于硅电池减反射膜2.0的最优值。所以氧化铝在用于表面钝化时还需要被另一种高折射率的电介质材料所覆盖，从而达到合适的光学特性和稳定的电学特性。

4.非晶硅能够非常有效的钝化n型和p型硅表面。但是非晶硅对可见光的吸收过强，限制了其用于太阳能前表面的应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法和应用该方法获得的太阳能电池，在提高硅太阳能电池的光电转换效率的同时简化了硅太阳能电池的生产工艺，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法，包括：

清洗所述硅衬底的表面；

在温度t1低于350摄氏度下，在所述硅衬底的表面通过原子层沉积法沉积一预定厚度d1的所述电介质薄膜，包括以下步骤：

2.1持续供给含钛反应化合物，通过原子层沉积法使所述含钛反应化合物均一覆盖在所述硅衬底的表面，持续供给所述含钛反应化合物的时长t1；

2.2第一次氮气清洗，清洗时长t2；

2.3在氧化剂气氛下，使所述含钛反应化合物被氧化成高价钛氧化物，持续时长t3；

2.4第二次氮气清洗，清洗时长t4；

2.5当所述电介质薄膜达到预定厚度d1，则完成所述电介质薄膜的沉积；当所述电介质薄膜未达到预定厚度d1，回到步骤2.1；

其中，10ms≤t1≤1000ms，100ms≤t2、t4≤2000ms，10ms≤t3≤500ms。

根据本发明的一个实施例，所述预定厚度d1为50nm～150nm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底是单晶硅衬底或多晶硅衬底。

根据本发明的一个实施例，所述含钛反应化合物是四氯化钛、异丙醇钛和二甲基氨基钛中的一种或几种。

根据本发明的一个实施例，所述在氧化剂气氛下中使用的氧化剂是氧气、去离子水、臭氧和等离子态的氧自由基中的一种或几种。

根据本发明的一个实施例，10ms≤t1≤100ms，500ms≤t2、t4≤1000ms，50ms≤t3≤200ms。

根据本发明的一个实施例，t1小于等于150摄氏度。

本发明还提供了一种太阳能电池，包括硅衬底以及位于所述硅衬底的向光面的表面层和/或位于所述硅衬底的背光面的背面层，所述表面层和/或所述背面层包括至少一层电介质薄膜，所述电介质薄膜通过前述任一种方法沉积在所述硅衬底上。

本发明提供的一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法和应用该方法获得的太阳能电池，在该电介质薄膜中含有钛氧化物，能有效钝化硅衬底的表面，在提高硅太阳能电池的光电转换效率的同时简化了硅太阳能电池的生产工艺，降低生产成本。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示出了本发明在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法的流程框图。

图2示出了本发明在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法的具体步骤的流程框图。

图3示出了本发明的太阳能电池的一个实施例的结构示意图。

图4示出了本发明的太阳能电池的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

由于合适的折射率和对可见光的微弱吸收，二氧化钛在1970至1990年代被作为一种光学减反射膜材料，广泛的应用于丝网印刷太阳能电池的工业生产中。二氧化钛可以用多种制备方法实现，比如溅射、热蒸发、旋涂、裂解、常压化学气相沉积和原子层沉积。早期二氧化钛表面钝化的能力较差。表面钝化一般需要通过二氧化钛和热氧化硅的叠层来实现。

本发明提供的方法是考虑在硅衬底上通过原子层沉积法沉积含有钛氧化物的电介质薄膜，使该电介质膜既可以作为硅衬底的前表面也可以作为硅衬底的后表面，具备较佳的光学和电学属性。

图1示出了本发明在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法的流程框图。图2示出了本发明在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法的具体步骤的流程框图。如图所示，一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法，包括以下两个步骤：

步骤101，清洗硅衬底的表面。硅衬底的表面需要彻底清洁，确保表面没有任何有可能干扰电介质薄膜沉积的杂质和残留物。该硅衬底可以是单晶硅衬底或多晶硅衬底。具体来说，在清洗硅衬底的表面的过程中，可以选用的工业清洗方法包含rca(radiocorporationamerica)、hf/hcl,o3/hf等中的一种或者多种。其中rca标准清洗法是一种湿式化学清洗法。作为举例而非限制，首先采用rca标准清洗法对硅衬底的表面进行清洗，其后通过氢氟酸来除去硅衬底表面的氧化物。这一过程可以去除杂质和残留物，从而彻底清洁硅衬底的表面。

步骤102，在温度t1低于350摄氏度下，在硅衬底的表面通过原子层沉积法来沉积一预定厚度d1的电介质薄膜。其中预定厚度d1的范围可以是50nm～150nm，这里的nm是指纳米。电介质薄膜的预定厚度d1取决于所制备的电介质薄膜的折射率。

步骤102包括以下步骤：

步骤201，持续供给含钛反应化合物，通过原子层沉积法使含钛反应化合物均一覆盖在硅衬底的表面，持续供给含钛反应化合物的时长t1；

步骤202，第一次氮气清洗，清洗时长t2；

步骤203，在氧化剂气氛下，使含钛反应化合物被氧化成高价钛氧化物，持续时长t3；

步骤204，第二次氮气清洗，清洗时长t4；

步骤205，当电介质薄膜达到预定厚度d1，则进入结束206，完成电介质薄膜的沉积；当电介质薄膜未达到预定厚度d1，回到步骤201；

其中，10ms≤t1≤1000ms，100ms≤t2、t4≤2000ms，10ms≤t3≤500ms，ms指毫秒。

需要说明的是，在原子层沉积过程中含钛反应化合物覆盖的均一(均匀一致)度通过控制源供给阀(包括含钛反应化合物供给阀和氧化剂气氛供给阀)和氮气清洗阀的开关时间来控制。以保证含钛反应化合物可以在供给阀打开时均一覆盖硅衬底表面，同时过量的含钛反应化合物在氮气清洗阀关闭之前被清洗干净，因此控制源供给阀和氮气清洗阀的开关时间是原子层沉积致密、高质量的钛氧化物的关键。具体来说，持续供给含钛反应化合物的时长t1就是指含钛反应化合物的供给阀开关时间，t1应该在10-1000毫秒；氧化剂气氛持续时长t3就是指氧化剂气氛的供给阀开时间t3应该在10-500毫秒；第一次、第二次氮气清洗时长t2和t4是指氮气清洗阀开的时间，应该控制在100-2000毫秒。

接上所述，在硅衬底的表面形成的这一层电介质薄膜可以用于硅太阳能电池的前表面和后表面。当用于前表面的时候，电介质薄膜既可以作为表面钝化材料也可以作为光学减反射层。通过控制沉积电介质薄膜的方法的工艺条件，比如温度、沉积循环操作周期数，使得该电介质薄膜的厚度控制在50-150纳米之间，获得所需要的电介质薄膜的折射率。当电介质薄膜用于后表面的时候，该电介质薄膜可以作为表面钝化材料或背反射层。当长波长的光线(比如红外光)穿过太阳能电池以后会被这一电介质薄膜所反射，从而增加光线在太阳能电池中的行程。与用于硅太阳能电池的前表面相同，该电介质薄膜的厚度控制在50-150纳米之间，从而获得所需要的电介质薄膜的折射率。

在原子层沉积法沉积电介质薄膜的方法中，含钛反应化合物先接触硅衬底，并均一覆盖在硅衬底的表面，在氧化剂气氛下被氧化成高价钛氧化物。其中所使用的含钛反应化合物可以是四氯化钛、异丙醇钛和二甲基氨基钛中的一种或几种。

在原子层沉积法沉积电介质薄膜的方法中的氧化剂气氛中使用的氧化剂可以是氧气、去离子水、臭氧和等离子态的氧自由基中的一种或几种。

较佳地，10ms≤t1≤100ms，500ms≤t2、t4≤1000ms，50ms≤t3≤200ms。

另一方面，在电介质薄膜中形成的钛氧化物的晶态会随沉积温度的升高而变化。因此t1应低于350摄氏度。更佳地，t1小于等于150摄氏度。

本发明提供的一种在硅衬底上沉积电介质薄膜的方法与现有的表面钝化工艺和方法比较，具有如下特点：

1.优良的钝化性能可以通过较低工艺温度实现，从而降低制备成本；

2.钝化p型材料时硅表面不会形成反转层，从而不会出现寄生并联电阻损耗；

3.能够钝化非掺杂的n型和p型硅表面，以及重掺杂的p+硅表面；

4.不需要曝光，退火等后续工艺；

5.单层薄膜材料可以既作为光学减反射层也同时作为表面钝化材料，简化太阳能电池的制备工艺。

本发明还提供了一种太阳能电池。该种太阳能电池包括硅衬底以及位于所述硅衬底的向光面的表面层和/或位于所述硅衬底的背光面的背面层，该表面层和/或该背面层包括至少一层电介质薄膜，该电介质薄膜通过上述任一种方法沉积在硅衬底上。

图2示出了本发明的太阳能电池的一个实施例的结构示意图。如图所示，一种p型硅太阳能电池100包括硅衬底107。该硅衬底107包括p型元素掺杂的基底104和设置在基底104上的由n型元素掺杂的发射极103。表面层102位于硅衬底107的向光面，即位于发射极103上。这里的表面层102包括至少一层电介质薄膜，采用本发明提供的方法在硅衬底107的向光面上通过原子层沉积法沉积该电介质薄膜，该电介质薄膜含有钛氧化物。表面层102既可以作为p型硅太阳能电池100的表面钝化材料，同时也可以作为光学减反射层。背面层105位于硅衬底107的背光面。类似的，这里的背面层105包括至少一层电介质薄膜，采用本发明提供的方法在硅衬底107的背光面上通过原子层沉积法沉积该电介质薄膜，该电介质薄膜含有钛氧化物。背面层105既可以作为p型硅太阳能电池100的表面钝化材料，同时也可以作为背反射层。p型硅太阳能电池100的前表面电极101穿过表面层102与硅衬底107接触。p型硅太阳能电池100的背面电极106穿过背面层105与硅衬底107接触。

图3示出了本发明的太阳能电池的另一个实施例的结构示意图。如图所示，一种n型硅太阳能电池200包括硅衬底208。该硅衬底208包括由n型元素掺杂的基底204和设置在基底204上的由p型元素掺杂的发射极203，以及由n型元素重掺杂的接触层205。表面层202位于硅衬底208的向光面，即位于发射极203上。这里的表面层202包括至少一层电介质薄膜，采用本发明提供的方法在硅衬底208的向光面上通过原子层沉积法沉积该电介质薄膜，该电介质薄膜含有钛氧化物。表面层202既可以作为n型硅太阳能电池200的表面钝化材料，同时也可以作为光学减反射层。背面层206位于硅衬底208的背光面，即靠近接触层205的一侧。类似的，这里的背面层206包括至少一层电介质薄膜，采用本发明提供的方法在硅衬底208的背光面上通过原子层沉积法沉积该电介质薄膜，该电介质薄膜含有钛氧化物。背面层206既可以作为n型硅太阳能电池200的表面钝化材料，同时也可以作为背反射层。n型硅太阳能电池200的前表面电极201穿过表面层202与硅衬底208接触。n型硅太阳能电池200的背面电极207穿过背面层206与硅衬底208接触。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。