CN110534590A - 一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高钝化发射极和背面太阳电池长波响应的背面三层氮化硅(SiN_x:H)薄膜制备方法及其应用。本发明的制备方法包括以下步骤：(1)将硅片置于管式等离子体增强化学气相沉积设备在背面沉积一层30nm厚且折射率为2.37(波长632nm处，下同)的SiN_x:H；(2)将该硅片继续置于PECVD设备沉积一层40nm厚且折射率为2.15的SiN_x:H；(3)将该硅片再次置于PECVD设备沉积一层50nm厚且折射率为1.92的SiN_x:H。本发明的背面三层SiN_x:H薄膜方法降低了电池背面对入射光子的吸收并有效提高了背反射，有利于长波光子的再次利用，大幅度提升了太阳电池的光电性能。

Description

一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)，即钝化发射极和背面太阳电池技术领域，尤其涉及一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜及其制备方法。

背景技术

用等离子增强化学气相沉积(PECVD)制备氮化硅SiN_x:H薄膜已经成为传统晶硅太阳电池的标准工艺之一。PERC背面沉积SiN_x:H薄膜有以下三点作用：

1.叠在钝化膜(如SiO_x或Al₂O₃)上辅助钝化，为Si/Al₂O₃界面和Si衬底提供H钝化。

2.保护Al₂O₃钝化膜免受丝网印刷铝浆的渗透和损坏。

3.增加长波光子的反射率。因此，利用PECVD技术沉积SiN_x:H是PERC制备过程必不可少的工艺。

在实际应用中，SiN_x:H膜层中Si的含量增高，折射率和消光系数均相应增高，因此折射率更高的SiN_x:H薄膜具有更高的Si-H键密度，具有更好的钝化效果，但SiN_x:H薄膜的折射率过大会导致严重的吸收损失。所以为了兼顾SiN_x:H的钝化和减吸收效果，目前工业上采用背面双层SiN_x:H膜层，即先沉积一层高折射率的SiN_x:H，然后生长低折射率的SiN_x:H。一方面，底层的高折射率可增加钝化效果，减少表面缺陷态，降低载流子复合的几率，从而增强电池的光波响应。另一方面，外层低折射率与底层高折射率的光学匹配可提升背面的反射率，减少背铝的光学吸收。

现有技术中的这种双层SiN_x:H结构虽然可以达到光学效果和钝化效果的平衡，但是背面的反射损失和光学损失仍然损害着PERC的长波响应，严重影响了电池的效率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜及其制备方法。采用多层SiN_x:H薄膜通过不断降低折射率，能够更好地钝化太阳电池和降低背面的光吸收。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能在保证SiN_x:H钝化效果的前提下，提高长波光子的反射率，使其再次入射进硅衬底，从而增加光利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，包括第一层、第二层以及第三层，所述第一层沉积于硅片上、所述第二层沉积于所述第一层上、所述第三层沉积于所述第二层上。

进一步地，所述第一层、所述第二层以及所述第三层是通过等离子增强化学气相沉积工艺制成的。

进一步地，所述第一层的厚度为30nm，在632nm光波长下的折射率为2.37。

进一步地，所述第二层的厚度为40nm，在632nm光波长下的折射率为2.15。

进一步地，所述第三层的厚度为50nm，在632nm光波长下的折射率为1.92。

本发明还公开了一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，包括如下具体步骤：

步骤1、将硅片进行清洗和制绒，并进行POCl₃扩散；

步骤2、将所述硅片进行背面抛光和去结，再经过热氧处理，并沉积Al₂O₃薄膜，在太阳电池的正面沉积SiN_x:H减反膜，形成第一样片；

步骤3、在所述第一样片的背面，沉积第一层SiN_x:H薄膜，形成第二样片；

步骤4、在所述第一SiN_x:H薄膜上，沉积第二层SiN_x:H薄膜，形成第三样片；

步骤5、在所述第二SiN_x:H薄膜上，沉积第三层SiN_x:H薄膜，形成第四样片；

步骤6、将所述第四样片进行激光开槽，接着进行丝网印刷背面铝浆、正背银电极及烧结。

进一步地，步骤1中，所述硅片具体为157.75×157.75mm²铸锭单晶p型硅片，电阻率0.9Ω·cm，厚度180±20μm。

进一步地，步骤3中，所述第一层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为950sccm，NH₃的气体流量为5280sccm，沉积时间为170s。

进一步地，步骤4中，所述第二层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为1000sccm，NH₃的气体流量为6950sccm，沉积时间为450s。

进一步地，步骤5中，所述第三层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为800sccm，NH₃的气体流量为8800sccm，沉积时间为670s。

相比于现有技术，本发明采用多层SiN_x:H薄膜通过不断降低折射率，提高了PERC太阳电池长波响应。其中，第一层SiN_x:H薄膜的折射率为2.37，大幅度保证了硅片的表面钝化效果。最外层SiN_x:H薄膜(与铝接触的那一层)的折射率为1.92，相比于传统双层SiN_x:H中最外层的折射率为2.03，其更低的折射率使得在Al/SiN_x:H界面处形成“富氮层”，有效的减弱了铝浆的渗透。由于从硅片表层向外的三层SiN_x:H薄膜的折射率逐渐递减，能使入射的长波光子在内部多次反射和干涉，更大程度地增加了长波光子的利用率，提高长波响应。与此同时，通过这种方法制备出的PERC电池具有低吸收率，提升了太阳电池的光电性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的工艺流程示意图；

图2是本发明的一个实施例与现有技术中基于双层SiN_x:H薄膜太阳电池的长波吸收率/长波反射率数据对比图；

图3是本发明的一个实施例与现有技术中基于双层SiN_x:H薄膜太阳电池的外量子效率/反射率数据对比图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本实施例采用157.75×157.75mm²铸锭单晶p型硅片，电阻率0.9Ω·cm，厚度180±20μm。所有硅片除背面PECVD工艺外，其他都经过相同的PERC电池制备过程。

步骤1、硅片进行RENA清洗以及湿化学酸制绒，然后经过POCl₃扩散，扩散后方阻为70Ω/sq；

步骤2、对硅片进行湿法刻蚀以实现背面抛光及去结，再在680℃下热氧20分钟。接着利用原子层沉积6nm的Al₂O₃，然后经过管式PECVD在电池正面沉积80nm的SiN_x:H减反膜；

步骤3、采用管式PECVD在电池背面制作SiN_x:H薄膜，在480℃下沉积。第一层(与硅接触的那一层)SiN_x:H薄膜的沉积参数为：SiH₄与NH₃的气体流量分别为950和5280sccm，沉积时间为170s；

步骤4、在480℃条件下，在第一层SiN_x:H薄膜上沉积第二层SiN_x:H薄膜。第二层SiN_x:H薄膜的沉积参数为：SiH₄与NH₃的气体流量分别为1000和6950sccm，沉积时间为450s；

步骤5、在480℃条件下，在第二层SiN_x:H薄膜上沉积第三层SiN_x:H薄膜。第三层SiN_x:H薄膜的沉积参数为：SiH₄与NH₃的气体流量分别为800和8800sccm，沉积时间为670s；

步骤6、将经过背面三层膜沉积的硅片进行激光开槽，接着进行丝网印刷背面铝浆、正背银电极及烧结制成电池。

经过上述步骤，制成了一种基于背面三层SiN_x:H薄膜的背面钝化太阳电池。其中，第一层SiN_x:H的折射率为2.37，厚度为30nm；第二层SiN_x:H的折射率为2.15，厚度为40nm；第三层SiN_x:H的折射率为1.92，厚度为50nm。相比于传统工业上的背面双层SiN_x:H电池，上述方法制得的电池在长波段具有更低的光吸收和更高的光反射，使更多的光子可以被利用，有效提高了电池的长波响应率。图2为本实施例相比于现有技术中背面双层SiN_x:H电池的长波反射率和吸收率对比图。

如图3所示，测量实施例电池的外量子效率和反射率，相比于传统工业上的背面双层SiN_x:H电池，本实施例在长波段具有更好的光谱响应，然而在短波、中波段没有明显区别，这与模拟的结果是一致的，其电池性能如表1所示。由表1可知，相较于常规背面双层SiN_x:H方法，采用本发明方法制备的PERC太阳电池在短路电流和填充因子上都有0.15％效率的提升。除此以外，该三层SiN_x:H工艺显著降低了PECVD系统中的工艺成本，有效提高了生产线的产能，对于PERC电池背面沉积SiN_x:H工艺来说是一个显著的进步。

表1.背面双层/三层SiN_x:H制备的PERC太阳电池的性能参数对比

PERC太阳电池	V<sub>OC</sub>(mV)	I<sub>SC</sub>(A)	FF(％)	η(％)
					双层SiN<sub>x</sub>:H	661.85	10.020	81.50	21.72
三层SiN<sub>x</sub>:H	661.34	10.070	81.75	21.87

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，包括第一层、第二层以及第三层，其特征在于，所述第一层沉积于硅片上、所述第二层沉积于所述第一层上、所述第三层沉积于所述第二层上。

2.如权利要求1所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，其特征在于，所述第一层、所述第二层以及所述第三层是通过等离子增强化学气相沉积工艺制成的。

3.如权利要求2所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，其特征在于，所述第一层的厚度为30nm，在632nm光波长下的折射率为2.37。

4.如权利要求3所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，其特征在于，所述第二层的厚度为40nm，在632nm光波长下的折射率为2.15。

5.如权利要求4所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜，其特征在于，所述第三层的厚度为50nm，在632nm光波长下的折射率为1.92。

6.一种提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1、将硅片进行清洗和制绒，并进行POCl₃扩散；

步骤2、将所述硅片进行背面抛光和去结，再经过热氧处理，并沉积Al₂O₃薄膜，在太阳电池的正面沉积SiN_x:H减反膜，形成第一样片；

步骤3、在所述第一样片的背面，沉积第一层SiN_x:H薄膜，形成第二样片；

步骤4、在所述第一SiN_x:H薄膜上，沉积第二层SiN_x:H薄膜，形成第三样片；

步骤5、在所述第二SiN_x:H薄膜上，沉积第三层SiN_x:H薄膜，形成第四样片；

步骤6、将所述第四样片进行激光开槽，接着进行丝网印刷背面铝浆、正背银电极及烧结。

7.如权利要求6所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述硅片具体为157.75×157.75mm²铸锭单晶p型硅片，电阻率0.9Ω·cm，厚度180±20μm。

8.如权利要求6所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述第一层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为950sccm，NH₃的气体流量为5280sccm，沉积时间为170s。

9.如权利要求6所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述第二层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为1000sccm，NH₃的气体流量为6950sccm，沉积时间为450s。

10.如权利要求6所述的提高太阳电池长波响应的氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述第三层SiN_x:H薄膜采用等离子增强化学气相沉积工艺制成，沉积温度为480℃，SiH₄的气体流量为800sccm，NH₃的气体流量为8800sccm，沉积时间为670s。