一种钝化接触结构的制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种钝化接触结构的制备方法。

背景技术：

在晶体硅太阳能电池中，由于金属和半导体接触区域无钝化层，导致半导体表面裸露的悬挂键较容易捕获电子，使其金属接触区域的复合增加。为了降低此类复合，目前市场上主流的晶体硅电池，大多采用浅结高方阻的发射极设计，但仍有很大的复合损失，对于p型硅电池，前表面金属接触区域的暗饱和电流密度为800～1000fa/cm²，对于n型硅电池，前表面接触区域的暗饱和电流密度为1000～2000fa/cm²。同时，前表面金属与半导体的接触属于局域接触，载流子需要通过二维传输才能被金属电极收集，存在一个横向传输的过程，导致载流子传输损耗，也会增加非接触区域的复合增加。

随着太阳电池技术的发展，人们对效率的要求越来越高。为了进一步降低金属接触复合，同时实现载流子的一维传输，钝化接触的概念引起了大家的关注。它的结构主要是将超薄隧穿氧化层与重掺杂的多晶硅层相结合沉积在硅衬底表面。硅衬底和多晶硅层之间的界面复合可以通过氧化硅的化学钝化作用降低。在这种钝化接触的结构中多数载流子可以以隧穿的方式实现输运，而少子则因为势垒和多晶硅的场效应作用无法穿过，故此种结构也可称之为选择性接触结构。

在太阳电池领域，应用钝化接触结构较为广泛的电池主要是topcon电池，同时它也是未来n型太阳电池的发展方向。但在制备topcon电池中，会存在很多问题。目前主流的topcon电池的多晶硅层生长方式主要是cvd法，工艺过程中反应气体会沿衬底表面分散，可侵入衬底背面，形成所谓的绕镀，严重影响电池成品的外观。同时，绕镀也会在电池正面引起边缘寄生性吸收，导致电性能下降；必须在550℃以上的高温下反应，如若衬底较薄将会导致弯曲变形，不利于后面工艺的进行；cvd反应过程多使用特气，尾气排放会造成环境污染。而本发明所选用的pvd法可有效解决此类问题，实现单面成膜，且无有害污染排放，同时也可根据工艺要求调试所需的掺杂配比。未来将会成为钝化接触结构电池中钝化接触结构的主要制备工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钝化接触结构的制备方法。该方法可以很好的制备出单面多晶硅薄膜，且另一面无绕镀产生，并可根据实际工艺要求，调试合理的掺杂配比，可解决目前钝化接触结构太阳电池产业化过程中的外观和电性能下降问题。

本发明提供的一种钝化接触结构的制备方法，其技术方案为：

一种钝化接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)对硅衬底进行清洗处理；

(2)在经过步骤(1)清洗处理后的硅衬底表面制备单面n+掺杂层或p+掺杂层；

(3)基于步骤(2)，在硅衬底的非掺杂面沉积一层隧穿氧化层；

(4)采用pvd的方法在步骤(3)获得的隧穿氧化层表面沉积一层掺杂的多晶硅薄膜。

本发明提供的一种钝化接触结构的制备方法，还包括如下附属技术方案：

其中，步骤(1)中，所述硅衬底为磷掺杂的n型硅或硼掺杂的p型硅，所述n型硅或p型硅表面为抛光面、刻蚀面、或制绒面；所述硅衬底电阻率为0.5～10ω·cm。

其中，步骤(1)中，所述硅衬底清洗处理的具体方法为：将硅衬底置于naoh:h2o2:h20＝1:2:30摩尔比的溶液中进行预清洗处理；再将预清洗处理后的硅衬底置于质量分数为30％的naoh溶液中进行反应；再将经过naoh处理的硅衬底放入hf/hcl混合液中，去除残留的碱；最后将所述硅衬底放入去离子水中，冲洗残留酸后，热风吹干。

其中，在经过清洗处理后的硅衬底表面制备单面n+掺杂层或p+掺杂层的方法主要有旋涂法、离子注入法、高温热扩散法；其中，采用高温热扩散法时包括如下步骤：①在石英舟上以背靠背双插模式对硅片衬底进行插片；②将插好硅片的石英舟通过驱动装置放进扩散管中；③选择所需扩散工艺，并运行工艺，其中，扩散管为常压管，采用三溴化硼或三氯氧磷作为扩散源，扩散温度850～1200℃，时间50～80min，制备出n+掺杂层的方阻30～80ω/sqr或p+掺杂层的方阻70～110ω/sqr；其中，制备出的n+掺杂层或p+掺杂层的掺杂面称之为正面，非掺杂面称之为背面。

其中，采用高温热扩散法制备n+掺杂层或p+掺杂层时，管内石英舟上硅衬底的插片方式为非掺杂面背靠背双插模式。

其中，制备出的n+掺杂层的方阻30～80ω/sqr；或，制备出的p+掺杂层的方阻70～110ω/sqr。

其中，在非掺杂面制备隧穿氧化层的方法为硝酸氧化法、高温热氧化法或臭氧氧化法；其中，采用高温热氧化法时，在常压，纯氧，温度>1000℃条件下，反应时间10～20min，制备出的隧穿氧化层厚度范围为0.5～7nm。

其中，采用pvd的方法在隧穿氧化层表面沉积掺杂的多晶硅薄膜时，掺杂源为硼或磷，沉积方式为多靶材磁控溅射法或多源共蒸发法。

其中，磁控溅射法的靶材是单晶硅或多晶硅靶材，掺杂源的靶材是磷靶材或硼靶材，其首先是在磁控溅射镀膜机的反应腔内固定基体靶材单晶硅或多晶硅，其次固定掺杂靶材磷或着硼，最后固定衬底硅片；其中，控制各靶材与硅片之间距离15～300mm；最后对整个真空腔室进行抽真空，使其真空度不高于1.5×10^-5pa，加热衬底，使其衬底温度在100～400℃；待真空度和温度达到要求后，通入氩气，调整反应气压0.2～0.6pa，稳定后，打开基体靶材和掺杂靶材，调节基体靶电流至0.5～10a，掺杂靶电流至0.3～5a，预溅射3～8min后，打开衬底挡板，开始薄膜的沉积，沉积时间30～100min，薄膜厚度30～120nm。

其中，多源共蒸发法的蒸发源是单晶硅或多晶硅粉末，掺杂源是磷粉末或硼粉末，其首先将基体蒸发源单晶硅或多晶硅粉末放置在钼舟内，其次将掺杂蒸发源磷粉末或硼粉末酌量放置在另一钼舟内，依次在真空镀膜机内固定各蒸发源，结束后固定衬底硅片；最后设置衬底温度50～100℃，抽真空至1.5×10^-4pa以下；待真空度和温度达到要求后，依次打开基体和掺杂蒸发源挡板，调节蒸镀电流，控制薄膜沉积速率，预沉积1～3min，最终基体蒸发源电流稳定在100～180ma，沉积速率0.05～0.1nm/s，掺杂蒸发源电流稳定在100～150ma，沉积速率0.05～0.1nm/s；再打开衬底挡板，开始沉积薄膜，沉积时间10～30min，薄膜厚度30～180nm。

其中，磁控溅射法或多源共蒸发法沉积的薄膜都是非晶硅薄膜，需经过一个后处理过程使原有的非晶结构被破坏，同时掺杂原子被激活，形成晶粒尺寸较小，高质量细颗粒的掺磷或硼的多晶硅薄膜，在太阳能电池中称为n+poly或p+poly；此外，磁控溅射法或多源共蒸发法沉积的薄膜都是单面成膜，正面无任何绕镀产生，且成膜均匀，片内膜厚差在±3nm；同时也可根据实际工艺要求调整掺杂元素的浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用pvd法制备的钝化接触结构，可避免cvd制备过程中的绕镀问题，一方面解决了钝化接触结构电池量产过程中的外观不良；另一方面也降低了绕镀多晶硅的寄生性吸收，从而提高电池效率；

(2)因为掺杂源是单独沉积，故可根据实际工艺需求，调整掺杂源的沉积参数，得到满足最优电性能的掺杂配比；

(3)工艺步骤简单，且无有毒气体排放，是绿色环保的技术。

附图说明

图1为对比例制备钝化接触结构的步骤(1)中衬底损伤层处理后的结构截面示意图；

图2为对比例制备钝化接触结构的步骤(2)中双面硼扩散后的结构截面示意图；

图3为对比例制备钝化接触结构的步骤(3)中背面刻蚀后的结构截面示意图；

图4为对比例制备钝化接触结构的步骤(4)中沉积隧穿氧化层后的结构截面示意图；

图5及6为对比例制备钝化接触结构的步骤(5)中lpcvd装片正视图及侧视图；

图7为对比例制备钝化接触结构的步骤(6)中lpcvd方法沉积多晶硅薄膜的结构截面示意图；

图8为本发明实施例的制备钝化接触结构的方法中pvd方法沉积多晶硅薄膜的结构截面示意图。

具体实施方式

下面将结合对比例和实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的对比例和实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

对比例1：

本对比例为利用常规lpcvd法结合离子注入和高温退火，制备n型掺杂钝化接触结构，参考图7，从上往下包括p+掺杂层1、n型硅基体2、隧穿氧化层3、n+poly层4及正面绕镀5。

本对比例的一种上述图7所示钝化接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择156.75mm×156.75mm的n型硅基体2，电阻率为0.5-10ω·cm，厚度为150-180μm；将n型硅基体2置于naoh:h2o2:h20＝1:2:30摩尔比的溶液中进行预清洗处理；再将预清洗处理后的n型硅基体2置于质量分数为30％的naoh溶液中进行反应；再将经过naoh处理的n型硅基体2放入hf/hcl混合液中，去除残留的碱；最后将该n型硅基体2放入去离子水中，冲洗残留酸后，热风吹干，结构如图1所示；

(2)在经过步骤(1)清洗处理后的n型硅基体2上采用高温热扩散的方法进行p+掺杂层1的制备，工艺步骤包括：①在石英舟上以背靠背双插模式对n型硅基体2进行插片；②将插好n型硅基体2的石英舟通过驱动装置放进扩散管中；③选择所需扩散工艺，并运行工艺；其中，高温热扩散法一般是在常压管中进行，采用液态三溴化硼作为扩散源，扩散温度900～1100℃，时间60～70min，硼扩散后的方阻为70～110ω/sqr，优选75～95ω/sqr，制得p+掺杂层1，结构如图2所示；

(3)在步骤(2)处理后的n型硅基体2放入刻蚀清洗机中，用20％～40％的hf溶液除硼扩散过程中产生的bsg，用hf/hno3/h2so4混合溶液去除背面p+掺杂层1，得到无掺杂的背面，结构如图3所示；

(4)在步骤(3)处理后的n型硅基体背表面制备一层0.5～2nm厚的超薄隧穿氧化层3，制备方法有硝酸氧化法、高温热氧化法；其中，硝酸氧化法是采用质量分数为80～95％的浓硝酸，温度为90℃-110℃，将步骤3后的n型硅基体2放置在硝酸溶液中反应2～4min，得到0.5～2nm的超薄隧穿氧化层3，再用去离子水清洗残留酸液，烘干，结构如图4所示；

(5)将步骤(1)～(4)处理后得到的硅片6放置于石英舟上，两片背靠背置于一个槽中，非薄膜沉积面朝内相贴，薄膜沉积面朝外(如附图5及6所示，硅片6，石英舟7)；插片结束后，将装有硅片6的石英舟送入lpcvd管中，关闭炉门，抽真空至6×10^-3torr，设置温度600～700℃，通入sih4开始沉积；沉积时间10～40min，薄膜厚度100～200nm；反应结束后，再次抽真空，确保管内无sih4残留，通入氮气至常压，降温并取出样品；

(6)将步骤(5)处理后的硅片6再次以附图5及6的插片方式置于石英舟上，通过磷扩散的方式完成n+poly层4的制备；其中，掺杂面朝外，非掺杂面朝内相贴；插片结束后，采用传动装置将石英舟送入扩散炉中；以三氯氧磷作为扩散源，升温至750～900℃，扩散时间60～90min，扩散后方阻20～70ω/sqr；至此，已完成n型多晶硅掺杂钝化接触结构的制备，结构如图7所示。

对比例1提供的上述方法需要用到高危气体sih4，并且会在多晶硅非沉积面边缘形成正面绕镀5，若未及时去除将会影响钝化接触电池外观和效率。

实施例1：

本实施例1提供的一种物理气相沉积(pvd)制备钝化接触结构的方法，采用物理气相沉积中的多源磁控溅射法制备钝化接触结构，具体包括以下步骤：

步骤(1)、(2)、(3)、(4)与对比例1中的步骤(1)、(2)、(3)、

(4)相同；

(5)多源磁控溅射法首先是在磁控溅射镀膜机的反应腔内固定n型硅基体2，其次固定掺杂靶材磷或着硼，最后固定经步骤(4)处理后的n型硅基体2，使其带有氧化层那面向外，与靶材相对，并控制各靶材与n型硅基体2之间距离15～300mm；最后对整个真空腔室进行抽真空，使其真空度不高于1.5×10^-5pa，加热衬底，使其衬底温度在100～400℃；待真空度和温度达到要求后，通入氩气，调整反应气压0.2～0.6pa，稳定后，同时打开基体靶材和掺杂靶材，目的是使两种靶材几乎同时溅射并开始沉积，这样较容易形成掺杂均匀的n型磷掺杂非晶硅；调节基体靶电流至0.5～10a，掺杂靶电流至0.3～5a，预溅射3～8min稳定后，打开衬底挡板，开始薄膜的沉积，沉积时间30～100min，薄膜厚度30～120nm；沉积结束后冷却至室温，取出样品；

(6)将步骤(5)处理后的硅片6放于石英舟7上，并送入快速热退火炉里，在10～26l/min的纯氮气氛围下，炉内压力为700～950mbar，升温至800～900℃恒温退火5～25min，在此温度下，非晶硅会逐步晶化形成多晶硅，然后冷却取出。

至此，由隧穿氧化层3和n+poly层4组成的钝化接触结构制备完成，此种方法是单面成膜，正面边缘无绕镀产生，结构如图8所示。

实施例2：

本实施例2为利用真空蒸镀法制得磷掺杂非晶硅层，再结合快速热退火制得n型掺杂钝化接触结构，具体包括如下步骤：

步骤(1)、(2)、(3)、(4)与对比例1中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)相同；

(5)多源共蒸发法首先将纯度为99.9999％的基体蒸发源单晶硅或多晶硅粉末放置在钼舟内，其次将纯度为99.9999％的掺杂蒸发源磷粉末或硼粉末也酌量放置在另一钼舟内，依次在真空镀膜机内固定各蒸发源，结束后固定经步骤4处理后的衬底硅片，使其带有氧化层那面向外，与蒸发源相对；最后设置衬底温度50～100℃，抽真空至1.5×10^-4pa以下；待真空度和温度达到要求后，同时打开基体和掺杂蒸发源挡板，目的是使两种蒸发源几乎同时蒸发并开始沉积，这样较容易形成掺杂均匀的n型磷掺杂非晶硅；调节蒸发电源，控制薄膜沉积速率，预沉积1～3min，最终基体蒸发源电流稳定在100～180ma，沉积速率0.05～0.1nm/s，掺杂蒸发源电流稳定在100～150ma，沉积速率0.05～0.1nm/s；再打开衬底挡板，开始沉积薄膜，沉积时间10～30min，薄膜厚度30～180nm；沉积结束后，关闭电源与阀门并充气至常压，冷却样品至室温，取出，即完成钝化接触结构的制备；

(6)将步骤(5)处理后的硅片6放于石英舟7上，并送入快速热退火炉里，在10～26l/min的纯氮气氛围下，炉内压力为700～950mbar，升温至800～900℃恒温退火5～25min，在此温度下，非晶硅会逐步晶化形成多晶硅，然后冷却取出。

至此，由隧穿氧化层3和n+poly层4组成的钝化接触结构制备完成，此种方法是单面成膜，正面边缘无绕镀产生，结构如图8所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。