1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构及其制备方法。
背景技术：2.隧穿氧化物钝化接触结构(topcon，tunnel oxide passivated-contact structures)是德国fraunhofer研究所在2014年首先提出的一种新型晶硅太阳电池结构，旨在改善晶硅电池背面的钝化。具体地，topcon结构在硅片背面生长了一层厚度1-2nm的超薄氧化硅，然后再沉积一层重掺杂的非晶硅或多晶硅层，最后制备全背金属电极。该结构最主要的优点是实现了电池背面的全面钝化，避免了金属电极和单晶硅的直接接触，显著降低了复合电流，并且对载流子有选择性收集，最终大大提升了开路电压(v
oc
)和填充因子(ff)。制备良好的topcon结构具有优异的表面钝化效果，目前topcon主要用于多数载流子(多子)的收集；不过，近期也有研究将topcon结构作为发射极，用于少数载流子(少子)收集，而topcon所用材料的质量对电池的开路电压有重要影响。
3.根据现有研究可知，硅衬底与收集层之间准费米能级的差值qvd是决定开路电压上限的物理量：当qvd越大，电池的开路电压v
oc
的上限也越高。图1a、1b、1c分别展示了当发射极材料为p型硅、宽带隙n型非晶硅、宽带隙p型非晶硅时，三种结构的理想qvd。从图1a中可以看到，当收集层为硅时，其qvd最小，相应的其最高开路电压最低；从图1b、1c看出，当采用宽带隙的非晶硅时，qvd均有所提升，这说明基于宽带隙的异质结结构，可以获得更大的电池开路电压，即基于非晶硅发射极的异质结太阳电池的开路电压高于基于同质结发射极的topcon电池。现有技术的隧穿氧化物钝化接触结构是基于重掺杂多晶硅对载流子进行收集，其中重掺杂多晶硅的带隙与硅衬底一样，其情况类似与图1a，具有最低的qvd，决定了其开路电压难以进一步提升。
技术实现要素：4.针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何增加钝化接触结构的开路电压的上限。
5.为解决上述问题，本发明第一方面提供一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，包括硅衬底和硅衬底一面上依次叠设的界面氧化层、载流子收集层、介质层和重掺杂多晶硅层，所述载流子收集层由至少一层硅纳米晶薄膜构成。
6.进一步地，所述硅纳米晶薄膜的厚度为1-6nm。
7.进一步地，所述界面氧化层的厚度为1-3nm，所述介质层的厚度为2-200nm，所述重掺杂多晶硅层的厚度80-150nm。优选地，介质层的厚度为2-4nm。
8.进一步地，所述界面氧化层由氧化硅薄膜或氮氧化硅薄膜构成，所述介质层由掺杂的氮化硅薄膜、掺杂的碳化硅薄膜或掺杂的氧化硅薄膜构成。
9.进一步地，所述重掺杂多晶硅层的多晶硅包括碳、氮或氧原子。
10.进一步地，所述硅纳米晶薄膜所含p型掺杂原子浓度的激活为0.6-6e20cm-3
，所述重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.6-6e20cm-3
；或者所述硅纳米晶薄膜所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
，所述重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
。
11.进一步地，所述硅衬底所含n型掺杂原子的激活浓度为0.6-3e20cm-3
；或者所述硅衬底所含p型掺杂原子的激活浓度为0.5-10e19cm-3
。
12.进一步地，所述介质层所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
；或者所述介质层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-10e19cm-3
。
13.本发明第二方面提供一种上述基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的制备方法，包括以下步骤：
14.s1、准备硅片衬底；
15.s2、在硅片衬底的表面制备一层界面氧化层；
16.s3、在界面氧化层的表面制备一层或多层重掺杂非晶硅薄膜；
17.s4、在重掺杂非晶硅薄膜表面制备介质层；
18.s5、在介质层表面制备一层重掺杂非晶硅层；
19.s6、进行高温退火，使得步骤s2制备的重掺杂非晶硅薄膜和步骤s5制备的重掺杂非晶硅层发生晶化，得到由硅纳米晶薄膜构成的载流子收集层和重掺杂多晶硅层。
20.进一步地，所述步骤s6中高温退火温度为800-1100℃。
21.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
22.本发明的钝化接触结构具有载流子收集层，载流子收集层由硅纳米晶薄膜构成。由于量子限域效应可以使得硅纳米晶的带隙展宽，因此通过采用具有更高带隙的硅纳米晶，可以拉开硅纳米晶层与硅衬底间的准费米能级差，从而提升载流子收集层与硅衬底之间的qvd，有利于增加开路电压的上限。
23.本发明的钝化接触结构基本结构类似于topcon，可以将载流子产生与收集区分开。界面氧化层可以对硅衬底表面进行很好的化学钝化；重掺杂非晶硅层中的掺杂原子会扩散进入硅衬底，从而产生良好的场钝化效果。因此，该结构可以实现优异的表面钝化质量和载流子选择性收集。
24.本发明的钝化接触结构具有更高的烧结稳定性，由于增加了载流子收集层，有利于阻挡金属化过程玻璃体、铅、铋、或铝等金属材料的穿透作用，保护界面氧化层的完整性，从而实现更高的烧结稳定性。
25.重掺杂多晶硅层具有较大的厚度，可以阻挡掺杂原子的扩散，保护界面氧化层的完整性，从而获得更好的钝化效果。
26.重掺杂多晶硅层的多晶硅可能会引入碳、氮、氧，形成掺碳多晶硅、掺氮多晶硅、掺氧多晶硅等薄膜，在高温处理过程中，氮、碳、氧会往界面扩散，对氢有更强捕获作用，使得界面存在更高浓度的氢，有利于提升氢钝化效果。
27.本发明钝化接触结构的制备方法简单，与现有电池工艺流程完全兼容，适于进行工业化生产。
附图说明
28.图1(a、b、c)分别为当发射极材料为p型硅、宽带隙n型非晶硅、宽带隙p型非晶硅时，三种结构的理想qvd；
29.图2为本发明实施方式中基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的结构示意图；
30.图3为本发明实施方式中基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的制备工艺流程图。
31.附图标记说明：
32.1-硅衬底，2-界面氧化层，3-载流子收集层，4-介质层，5-重掺杂多晶硅层，6-杂质扩散层。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
34.需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
35.结合图2所示，本发明的具体实施方式提供一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，包括硅衬底1，硅衬底1的正面和/或背面具有杂质扩散层6，在杂质扩散层6上依次叠设有界面氧化层2、载流子收集层3、介质层4和重掺杂多晶硅层5。其中载流子收集层3由一层硅纳米晶薄膜构成，在一些实施方式中，硅纳米晶薄膜的数量可以为多层。
36.该钝化接触结构以硅纳米晶薄膜构成载流子的收集层，利用具有宽带隙的硅纳米晶薄膜，提升其与硅片之间的qvd，从而增加开路电压的上限。实现提高开路电压上限的原理如下：采用介质层4阻隔了载流子收集层3和重掺杂多晶硅层5层之间的非晶硅连接，使得硅纳米晶薄膜中的非晶硅在晶化时尺寸难以长大；由于同时受到界面氧化层2和介质层4层的限制效应，硅纳米晶薄膜层中的非晶硅最终会形成尺寸与硅纳米晶薄膜厚度基本相当硅纳米晶；由于量子限域效应的影响，硅纳米晶的能带会产生展宽效应，从而使得其产生类似异质结的作用，提升了qvd，从而增加了电池的开路电压上限。
37.另外，由于增加了载流子收集层3，有利于阻挡金属化过程玻璃体、铅、铋、或铝等金属材料的穿透作用，保护界面氧化层2的完整性，从而实现更高的烧结稳定性。
38.在一些实施方式中，硅纳米晶薄膜的厚度为1-6nm；界面氧化层2为氧化硅薄膜或氮氧化硅薄膜，厚度为1-3nm；介质层4为掺杂的氮化硅薄膜、掺杂的碳化硅薄膜或掺杂的氧化硅薄膜，厚度为2-200nm，优选为2-4nm；重掺杂多晶硅层5的厚度为80-150nm，该结构可以实现优异的表面钝化质量和载流子选择性收集。界面氧化层2可以对硅衬底1表面进行很好的化学钝化；重掺杂非晶硅层中的掺杂原子会扩散进入硅衬底1，从而产生良好的场钝化效果；重掺杂多晶硅层5具有较大的厚度，可以阻挡掺杂原子的扩散，保护界面氧化层2的完整性，从而获得更好的钝化效果。
39.在一些实施方式中，重掺杂多晶硅层5的多晶硅包括碳、氮或氧掺杂原子，形成掺碳多晶硅、掺氮多晶硅、掺氧多晶硅等薄膜。在高温处理过程中，氮、碳、氧会往界面扩散，对氢有更强捕获作用，使得界面存在更高浓度的氢，有利于提升氢钝化效果。
40.在一些实施方式中，硅衬底1为n型晶体硅，其所含p型掺杂原子的激活浓度为0.5-10e19cm-3
，硅纳米晶薄膜所含p型掺杂原子的激活浓度为0.6-6e20cm-3
，介质层4所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-10e19cm-3
，重掺杂多晶硅层5所含p型掺杂原子的激活浓度为0.6-6e20cm-3
，p型掺杂元素通常是硼或镓。
41.在一些实施方式中，硅衬底1为p型晶体硅，其所含n型掺杂原子的激活浓度为0.6-3e20cm-3
，硅纳米晶薄膜所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
，介质层4所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
，重掺杂多晶硅层5所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
，n型掺杂元素通常是磷。
42.结合图3所示，本发明的具体实施方式还提供一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的制备方法，包括以下步骤：
43.s1、准备硅片衬底，为n型或p型硅片，硅片表面去除损失层，并清洗干净；
44.s2、在硅衬底1的正面和/或背面制备一层界面氧化层2，其典型厚度1-2nm；典型制备方法为氧化发，可以选择强氧化性酸氧化法(浓硝酸、浓硫酸、浓硝酸/硫酸混合酸)、强氧化气体氧化法(臭氧气)、等离子体辅助氧化法(笑气、二氧化碳)等；
45.s3、在界面氧化层2的表面制备一层或多层重掺杂非晶硅薄膜，重掺杂非晶硅薄膜的典型厚度是1-6nm；制备方法可以选择以下任意一种：等离子体增强化学气相沉积、低气压化学气相沉积、磁控溅射、微波等离子体化学气相沉积等；n型掺杂元素通常是磷，p型掺杂元素通常是硼或镓；
46.s4、在重掺杂非晶硅薄膜表面制备介质层4，其材料通常是氧化硅、氮化硅、碳化硅，典型厚度为2-200nm，优选2-4nm；制备方法可以选择以下任意一种：等离子体增强化学气相沉积、低气压化学气相沉积、磁控溅射、微波等离子体化学气相沉积等；
47.s5、在介质层4表面制备一层重掺杂非晶硅层，典型厚度为80-150nm；制备方法可以选择以下任意一种：等离子体增强化学气相沉积、低气压化学气相沉积、磁控溅射、微波等离子体化学气相沉积等；
48.s6、进行高温退火，高温退火温度为800-1100℃，使得步骤s2制备的重掺杂非晶硅薄膜和步骤s5制备的重掺杂非晶硅层发生晶化，重掺杂非晶硅薄膜产生尺寸为1-6nm的硅纳米晶颗粒，得到由硅纳米晶薄膜构成的载流子收集层3和重掺杂多晶硅层5，硅衬底1表面形成杂质扩散层6；对于n型多晶硅/纳米晶，其典型的载流子激活浓度为0.6-6e20cm-3
；对于p型多晶硅/纳米晶，其典型的载流子激活浓度为0.1-3e20cm-3
。
49.上述制备方法操作简单，与现有电池工艺流程完全兼容，适于进行工业化生产。
50.以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。
51.实施例1
52.制备一种晶硅钝化片，包括以下步骤：
53.采用p型《100》晶向的cz硅片为衬底，去除表面损伤层并采用碱抛光；
54.采用110℃浓硝酸氧化法处理表面15min，在硅片表面制备一层超薄氧化硅；
55.采用pecvd法，在siox上沉积一层3nm的重掺磷非晶硅薄膜。
56.采用pecvd法，在重掺磷非晶硅薄膜上沉积一层4nm的掺磷碳化硅层；
57.采用pecvd法，在掺磷碳化硅层上继续沉积一层20nm的掺磷非晶硅层；
58.在退火炉中进行860-920℃退火30min；
59.然后采用氧化铝注氢处理。
60.测试其钝化效果，结果如表1所示(iv
oc
隐含开路电压)：
61.退火温度860℃880℃900℃920℃平均iv
℃
(mv)737740741735
62.表1实施例1钝化片的隐含开路电压测试结果
63.实施例2
64.制备一种晶硅钝化片，包括以下步骤：
65.采用p型《100》晶向的cz硅片为衬底，去除表面损伤层并采用碱抛光；
66.采用110℃浓硝酸氧化法处理表面15min，在硅片表面制备一层超薄氧化硅。
67.采用pecvd法，在siox上沉积一层3nm的重掺磷非晶硅薄膜。
68.采用pecvd法，在重掺磷非晶硅薄膜上沉积一层4nm的掺磷氮化硅层。
69.采用pecvd法，在掺磷氮化硅层上继续沉积一层30nm的掺磷非晶硅层。
70.在退火炉中进行900-960℃退火30min；
71.然后采用氧化铝注氢处理。
72.测试其钝化效果，结果如表2所示：
73.退火温度900℃920℃940℃960℃平均iv
oc
(mv)738742744736
74.表2实施例2钝化片的隐含开路电压测试结果
75.实施例3
76.制备一种晶硅电池，包括以下步骤：
77.采用p型《100》晶向的cz硅片为衬底，去除表面损伤层并采用碱抛光；
78.正面扩硼制备前场；
79.采用110℃浓硝酸氧化法处理表面15min，在硅片背面制备一层超薄氧化硅。
80.采用pecvd法，在siox上沉积一层3nm的重掺磷非晶硅薄膜。
81.采用pecvd法，在重掺磷非晶硅薄膜上沉积一层4nm的掺磷氮化硅层。
82.采用pecvd法，在掺磷氮化硅层上继续沉积一层30nm的掺磷非晶硅层。
83.在退火炉中进行920℃退火30min；
84.然后采用背面氧化铝注氢处理，背面沉积氮化硅减反层；正面沉积氧化硅和氮化硅钝化减反层。
85.制备正背面电极。
86.测试其电池效率，结果如表3所示(v
oc
开路电压，j
sc
短路电流密度，ff填充因子，η电池转换效率)：
[0087]voc
(mv)j
sc
(ma/cm2)ff(％)η(％)70842.2082.3624.61
[0088]
表3实施例3晶硅电池的电池效率测试结果
[0089]
对比例1
[0090]
制备一种晶硅钝化片，包括以下步骤：
[0091]
采用n型《100》晶向的cz硅片为衬底，去除表面损伤层并采用碱抛光；
[0092]
采用110℃浓硝酸氧化法处理表面15min，在硅片表面制备一层超薄氧化硅；
[0093]
采用pecvd法，在siox上沉积一层40nm的重掺磷非晶硅薄膜；
[0094]
在退火炉中进行800-860℃退火30min；
[0095]
然后采用氧化铝注氢处理。
[0096]
测试其钝化效果，结果如表4所示：
[0097]
退火温度800℃820℃840℃860℃平均iv
oc
(mv)733737732730
[0098]
表4对比例1钝化片的隐含开路电压测试结果
[0099]
对比例2
[0100]
制备一种晶硅电池片，包括以下步骤：
[0101]
采用p型《100》晶向的cz硅片为衬底，去除表面损伤层并采用碱抛光；
[0102]
正面扩硼制备前场；
[0103]
采用110℃浓硝酸氧化法处理表面15min，在硅片表面制备一层超薄氧化硅；
[0104]
采用pecvd法，在siox上沉积一层40nm的重掺磷非晶硅薄膜；
[0105]
在退火炉中进行800-860℃退火30min；
[0106]
然后采用背面氧化铝注氢处理，背面沉积氮化硅减反层；正面沉积氧化硅和氮化硅钝化减反层。
[0107]
制备正背面电极。
[0108]
测试其电池效率，结果如表5所示：
[0109]voc
(mv)j
sc
(ma/cm2)ff(％)η(％)69842.0882.1524.13
[0110]
表5对比例2晶硅电池的电池效率测试结果
[0111]
由数据对比可知，实施例1、2的钝化片采用基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其具有硅纳米晶薄膜构成的载流子收集层，钝化片的隐含开路电压相对于与对比例1明显提高。实施例3的晶硅电池采用基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其开路电压和电池转换效率比对比例2更高。
[0112]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
技术特征：1.一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，包括硅衬底和硅衬底一面上依次叠设的界面氧化层、载流子收集层、介质层和重掺杂多晶硅层，所述载流子收集层由至少一层硅纳米晶薄膜构成。2.根据权利要求1所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述硅纳米晶薄膜的厚度为1-6nm。3.根据权利要求2所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述界面氧化层的厚度为1-3nm，所述介质层的厚度为2-200nm，所述重掺杂多晶硅层的厚度为80-150nm。4.根据权利要求1-3任一所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述界面氧化层由氧化硅薄膜或氮氧化硅薄膜构成，所述介质层由掺杂的氮化硅薄膜、掺杂的碳化硅薄膜或掺杂的氧化硅薄膜构成。5.根据权利要求1所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述重掺杂多晶硅层的多晶硅包括碳、氮或氧原子。6.根据权利要求1-3任一所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述硅纳米晶薄膜所含p型掺杂原子的激活浓度为0.6-6e20cm-3
，所述重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.6-6e20cm-3
；或者所述硅纳米晶薄膜所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
，所述重掺杂多晶硅层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
。7.根据权利要求6所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述硅衬底所含n型掺杂原子的激活浓度为0.6-3e20cm-3
；或者所述硅衬底所含p型掺杂原子的激活浓度为0.5-10e19cm-3
。8.根据权利要求6所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构，其特征在于，所述介质层所含n型掺杂原子的激活浓度为0.1-3e20cm-3
；或者所述介质层所含p型掺杂原子的激活浓度为0.1-10e19cm-3
。9.一种如权利要求1-8任一所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、准备硅片衬底；s2、在硅片衬底的表面制备一层界面氧化层；s3、在界面氧化层的表面制备一层或多层重掺杂非晶硅薄膜；s4、在重掺杂非晶硅薄膜表面制备介质层；s5、在介质层表面制备一层重掺杂非晶硅层；s6、进行高温退火，使得步骤s2制备的重掺杂非晶硅薄膜和步骤s5制备的重掺杂非晶硅层发生晶化，得到由硅纳米晶薄膜构成的载流子收集层和重掺杂多晶硅层。10.根据权利要求9所述的基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中高温退火温度为800-1100℃。
技术总结本发明提供一种基于硅纳米晶异质结的钝化接触结构及其制备方法，钝化接触结构包括硅衬底和硅衬底一面上依次叠设的界面氧化层、载流子收集层、介质层和重掺杂多晶硅层，所述载流子收集层由至少一层硅纳米晶薄膜构成。本发明的钝化接触结构具有载流子收集层，载流子收集层由具有宽带隙的硅纳米晶薄膜构成，通过采用具有更高带隙的硅纳米晶，可以拉开硅纳米晶层与硅衬底间的准费米能级差，从而提升载流子收集层与硅衬底之间的qV
技术研发人员：叶继春 曾俞衡 廖明墩 刘伟 刘尊珂
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2022.07.01
技术公布日：2022/11/1
