改性隧穿氧化层及制备方法、TOPCon结构及制备方法和太阳电池

专利2024-08-03  49


改性隧穿氧化层及制备方法、topcon结构及制备方法和太阳电池
技术领域
1.本发明涉及太阳电池技术领域,具体而言,涉及一种改性隧穿氧化层及制备方法、topcon结构及制备方法和太阳电池。


背景技术:

2.隧穿氧化物钝化接触结构(topcon)是德国弗朗霍夫研究所提出的一种新型晶硅太阳电池结构,这种结构的核心是采用超薄氧化硅层和掺杂多晶硅叠层结构钝化硅片表面。隧穿氧化硅钝化接触结构的钝化机理主要来源于两方面:一是界面氧化硅层的化学钝化作用,二是掺杂原子的场钝化作用,因此提升界面氧化硅的完整性有利于提高表面的化学钝化效果。
3.topcon电池的制备如下:清洗制绒—扩散硼发射极—刻蚀—背面制备sio2—pecvd重掺杂多晶硅—高温退火—前表面氧化铝、si3n4—丝网印刷。对于隧穿氧化硅钝化接触技术,其电子收集采用n型的磷掺杂多晶硅薄膜,空穴收集采用p型的硼掺杂多晶硅薄膜。由于n型钝化接触技术效果好,已被广泛接受为下一代产业用高效晶体硅电池技术。
4.现有技术采用低压力化学气相沉积法(lpcvd)生长多晶硅,但是lpcvd存在以下问题:原位掺杂成膜速率低,需二次掺杂,过程繁琐;存在绕镀,刻蚀时间长;定期维护设备,成本高。等离子增强化学气相淀积(pecvd)技术可以解决上述问题,目前做的比较好的n型topcon电池,效率可以达到25.5%,但是n型topcon电池用的n型硅片成本高;且n型topcon电池背面需要使用银浆,同样增加了成本。相比之下,p型topcon电池采用了低成本的p型硅片,背面可以采用低成本铝浆,可以显著降低电池成本,提升产品竞争力。然而,发展p型topcon电池面临的主要问题在于p型topcon结构的钝化质量较差,难以满足要求。开发高性能p型topcon技术有利于增加产业技术储备,促进产业技术发展。除此以外,p型topcon技术还可以用于tbc电池、叠层电池等新型高效电池技术。因此,发展并提升p型topcon技术迫在眉睫。
5.pecvd技术是一种适合于制备硼掺杂多晶硅的技术路线,然而现有氧化硅制备技术仍存在多种问题,与pecvd配合尚不能获得高性能的p型topcon结构。现有氧化硅薄膜的制备方法包括等离子体辅助笑气氧化法,硝酸氧化法和热氧氧化法,使用等离子体n2o氧化法,由于氧等离子体轰击会在界面处引入大量缺陷,从而导致钝化效果不佳;使用硝酸氧化法,由于氧化硅表面比较疏松,在清洗转运过程中导致氧化硅被破坏;使用热氧氧化,虽然氧化硅质量较好,但是氧化硅比较厚,接触很差。最终,基于上述三种方法制备的氧化硅,在p-topcon中的最优钝化效果仅能达到700mv-705mv,对应的单面饱和电流密度(j0)通常在15fa/cm2以上,在随后的印刷电极烧结过程中,iv
oc
会进一步降低,导致最终器件性能下降。


技术实现要素:

6.针对现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是如何提高topcon结构的钝化
质量,从而制备高效太阳电池。
7.为解决上述问题,本发明第一方面提供一种改性隧穿氧化层,为经等离子体表面处理的sio
x
,si
4+
含量在sio
x
中的占比大于等于18%以上。
8.进一步地,所述改性隧穿氧化层的厚度为1~4nm。
9.本发明第二方面提供上述改性隧穿氧化层的制备方法,包括以下步骤:
10.s1、采用无离子轰击氧化法,在半导体衬底的表面形成sio
x
层;
11.s2、以氢气和含氧气体为处理气氛,用等离子体处理sio
x
表面,得到改性隧穿氧化层。
12.进一步地,所述步骤s1中无离子轰击氧化法选自以下任意一种:氧化性气体氧化法、低温氧化法和化学试剂氧化法。
13.进一步地,所述步骤s2在pecvd装置进行。
14.进一步地,所述步骤s2中等离子体处理方法为连续式的等离子处理或脉冲式的等离子体处理。
15.进一步地,所述含氧气体选自以下任意一种:n2o、co2、o2。
16.本发明第三方面提供一种topcon结构,包括上述的改性隧穿氧化层。
17.本发明第四方面提供一种topcon结构的制备方法,包括以下步骤:包括以下步骤:半导体衬底清洗,制备改性隧穿氧化层,制备掺杂非晶硅层,退火;其中所述制备改性隧穿氧化层采用上述的制备方法。
18.本发明第五方面提供一种太阳电池,包括上述的topcon结构。
19.相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
20.本发明的改性隧穿氧化层中si
4+
含量在sio
x
中的占比达到18%以上,经等离子体表面处理后界面态密度降低,相比于现有技术制备的氧化硅层而言,硼在改性氧化硅层中的扩散速率低,从而有效减少了硼对隧穿氧化层的破坏作用,提高了氧化硅层的完整性,保持了化学钝化效果。
21.本发明采用两步法制备隧穿氧化层,先制备一层无轰击损伤的氧化硅层,通过这种方法可以显著降低在后续第二步过程中的离子轰击损伤,进而显著提升钝化质量。该方法有效降低了界面态缺陷,常规等离子体笑气氧化法方法得到的界面态通常为1
×
10
12
ev-1
*cm-2
。当使用这种新型的制备方法时,缺陷态的密度可以下降到0.5
×
10
12
ev-1
*cm-2

22.本发明方法采用氢气和含氧气体对sio
x
层进行表面改性处理,氢等离子对表面有加热效应,提高氧、氮等原子的能量,提升成键质量;氢等离子可以刻蚀sio
x
表面的弱键,使得氧化硅中的价键更加稳定,这两种效应使得sio
x
保留更多的稳定的si-o,性能得以提升。
23.含氧气体优选为n2o,h2具有还原性,能够活化氧化硅表面,让n2o中的n原子与氧化硅结合,可以显著降低硼在硅表面的浓度,从而降低硼缺陷。n原子还对于h原子具有捕获作用,可以有效减少在烧结过程中h的溢出,从而后续烧结过程中使iv
oc
保持一个较高的水平。
24.该制备方法兼容当今的量产装备技术,尤其是兼容量产pecvd装备,所采用的气体耗材成本低,几乎不增加额外耗材成本。
25.本发明提供了一种制备高氮浓度、低离子轰击损伤、高性能改性氧化硅制备方法,取代传统氧化硅层,能显著提升topcon结构的性能指标,p型topcon的钝化质量达到730mv,接触电阻率下降至5mωcm2。
26.topcon结构具有改性隧穿氧化层,可以在后续的烧结过程中依然保持较高的钝化水平,有利于制作高效太阳电池。
附图说明
27.图1为本发明提供的实施例1中改性隧穿氧化层的微观结构图;
28.图2为本发明提供的实施例2中改性隧穿氧化层的微观结构图。
具体实施方式
29.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。
30.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。
31.如背景技术所言,目前topcon中隧穿氧化层制备方法有硝酸氧化法,n2o等离子体氧化法,热氧化法和臭氧氧化法,这些方法都是利用强氧化性的试剂、气体等去氧化硅片表面,形成一层超薄的sio2,作为隧穿氧化层。然而这些氧化层在生长完p-poly后会出现氧化层太致密导致接触电阻率太大,或缺陷态很多,钝化效果差的问题。
32.基于此,本发明的具体实施方式提供一种topcon结构的制备方法,包括以下步骤:半导体衬底清洗,制备改性隧穿氧化层,制备掺杂非晶硅层,退火。
33.其中改性隧穿氧化层的制备方法包括以下步骤:s1、采用无离子轰击氧化法,在半导体衬底的表面形成siox层;s2、以氢气和含氧气体为处理气氛,用等离子体处理siox表面,得到改性隧穿氧化层。
34.步骤s1中无离子轰击氧化法可以是氧化性气体氧化法、低温氧化法(100~600℃)或化学试剂氧化法,典型方法如臭氧气氧化法、硝酸氧化法等。该步骤制备出一层无轰击损伤的氧化硅层,通过这种方法可以显著降低在后续第二步过程中的离子轰击损伤,进而显著提升钝化质量。
35.步骤s2中等离子体处理方法为连续式的等离子处理或脉冲式的等离子体处理,该步骤在pecvd装置进行,在具体实施方式中,等离子体处理功率为5~10w,处理时间为50~150s。氢气和含氧气体的的流量比为2:1~8:1。该方法采用氢气和含氧气体对sio
x
层进行表面改性处理,氢等离子对表面有加热效应,提高氧、氮等原子的能量,提升成键质量;氢等离子可以刻蚀siox表面的弱键,使得氧化硅中的价键更加稳定,这两种效应使得siox保留更多的稳定的si-o,性能得以提升。
36.含氧气体为n2o或co2,优选为n2o。n原子与氧化硅结合,可以显著降低硼在硅表面的浓度,从而降低硼缺陷。n原子还对于h原子具有捕获作用,可以有效减少在烧结过程中h的溢出,从而后续烧结过程中使ivoc保持一个较高的水平。
37.上述方法制得的改性隧穿氧化层的厚度为1~4nm,si
4+
含量在sio
x
中的占比达到
18%以上、且界面态密度低于0.5
×
10
12
ev-1
cm-2
。相比于现有技术制备的氧化硅层而言,硼在改性氧化硅层中的扩散速率低,从而有效减少了硼对隧穿氧化层的破坏作用,提高了氧化硅层的完整性,保持了化学钝化效果。
38.上述改性隧穿氧化层可以应用于p型topcon电池和n型topcon电池,能显著提升topcon结构的性能指标,p型topcon的钝化质量达到730mv以上,对应的单面饱和电流密度(j0)降低至7fa/cm2以下,接触电阻率下降至5mωcm2。
39.以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述,以下实施例和对比例所用的半导体衬底为厚160μm的n型单晶硅片,双面化学抛光,电阻率为0.8ω
·
cm。
40.实施例1
41.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
42.1)将硅片切成4cm
×
4cm的尺寸,进行标准rca清洗。
43.2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层sio2薄膜。
44.3)将样品放入pecvd装置中,用n2o和h2为处理气氛,流量比为4:1,进行连续式等离子处理,功率为5w,时间为100s。
45.4)接着用pecvd装置在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
46.5)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
47.观察p型隧穿氧化硅钝化结构的改性隧穿氧化层,如图1所示,改性隧穿氧化层的厚度为1.7nm。
48.实施例2
49.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
50.1)将硅片进行标准rca清洗。
51.2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层sio2薄膜。
52.3)将样品放入pecvd装置中,用n2o和h2为处理气氛,流量比为2:1,进行连续式等离子处理,功率为5w,时间为100s。
53.4)接着用pecvd装置在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
54.5)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
55.观察p型隧穿氧化硅钝化结构的改性隧穿氧化层,如图2所示,改性隧穿氧化层的厚度为1.6nm。
56.实施例3
57.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
58.1)将硅片进行标准rca清洗。
59.2)将硅片置于臭氧发生器中生长一层约1.5nm的sio2薄膜。
60.3)将样品放入pecvd装置中,用n2o和h2为处理气氛,流量比为8:1,进行连续式等离子处理,功率为5w,时间为100s。
61.4)接着用pecvd装置在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
62.5)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
63.实施例4
64.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
65.1)将硅片进行标准rca清洗。
66.2)将硅片置于退火炉中,进行低温氧化处理,氧化温度分别为,200℃、300℃、400℃,生长一层约1.5nm的sio2薄膜。
67.3)将样品放入pecvd装置中,用n2o和h2为处理气氛,流量比为2:1,进行连续式等离子处理,功率为5w,时间为100s。
68.4)接着用pecvd装置在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
69.5)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
70.实施例5
71.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
72.1)将硅片进行标准rca清洗。
73.2)将硅片放入硝酸中,生长一层约1.5nm的sio2薄膜。
74.3)将样品放入pecvd装置中,用n2o和h2为处理气氛,流量比为2:1,进行脉冲式的等离子处理,功率为6w,持续时间10sec,然后关闭等离子体,通入氮气吹扫10s,此为一个循环,连续10个循环。
75.4)接着用pecvd装置在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
76.5)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
77.对比例1
78.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
79.1)将硅片切成4cm
×
4cm的尺寸,进行标准rca清洗。
80.2)将硅片放入硝酸中,形成表面氧化层。
81.3)将硅片清洗吹干之后,接着用pecvd在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
82.4)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
83.对比例2
84.一种双面p型隧穿氧化硅钝化结构,制备方法包括以下步骤:
85.1)将硅片切成4cm
×
4cm的尺寸,进行标准rca清洗。
86.2)将硅片放入pecvd装置中进行等离子体处理,以n2o为处理气体,两面均处理,功率为10w,处理时间为100s。
87.3)接着用pecvd在硅片两面沉积硼掺杂非晶硅薄膜。
88.4)将样品放置在管式退火炉中进行退火,退火温度为800-920℃,时间为30分钟。
89.分析测试实施例1-5的钝化性能和接触性能,分析测试对比例1、2的钝化性能,比对测试结果,如下表1所示。
[0090][0091][0092]
表1实施例和对比例样品的钝化性能
[0093]
由数据对比可知,实施例1-5的p型隧穿氧化硅钝化结构的具有改性隧穿氧化层,其钝化性能明显优于对比例1和2,采用实施例1的工艺制备背结电池,效率可达23.17%。
[0094]
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:
1.一种改性隧穿氧化层,其特征在于,所述改性隧穿氧化层为经等离子体表面处理的sio
x
,si
4+
含量在sio
x
中的占比大于等于18%。2.根据权利要求1所述的改性隧穿氧化层,其特征在于,所述改性隧穿氧化层的厚度为1~4nm。3.一种如权利要求1或2所述的改性隧穿氧化层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:s1、采用无离子轰击氧化法,在半导体衬底的表面形成sio
x
层;s2、以氢气和含氧气体为处理气氛,用等离子体处理sio
x
表面,得到改性隧穿氧化层。4.根据权利要求3所述的改性隧穿氧化层的制备方法,其特征在于,所述步骤s1中无离子轰击氧化法选自以下任意一种:氧化性气体氧化法、低温氧化法和化学试剂氧化法。5.根据权利要求3所述的改性隧穿氧化层的制备方法,其特征在于,所述步骤s2在pecvd装置进行。6.根据权利要求5所述的改性隧穿氧化层的制备方法,其特征在于,所述步骤s2中等离子体处理方法为连续式的等离子处理或脉冲式的等离子体处理。7.根据权利要求3所述的改性隧穿氧化层的制备方法,其特征在于,所述含氧气体选自以下任意一种:n2o、co2、o2。8.一种topcon结构,其特征在于,包括如权利要求1或2所述的改性隧穿氧化层。9.一种topcon结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:半导体衬底清洗,制备改性隧穿氧化层,制备掺杂非晶硅层,退火;所述制备改性隧穿氧化层采用如权利要求3-7任一所述的制备方法。10.一种太阳电池,其特征在于,包括如权利要求8所述的topcon结构。

技术总结
本发明提供一种改性隧穿氧化层及制备方法、TOPCon结构及制备方法和太阳电池,所述改性隧穿氧化层为经等离子体表面处理的SiO


技术研发人员:闫宝杰 曾俞衡 邢海洋 叶继春 刘伟 廖明墩 马典 林娜 丁泽韬
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:2022.07.07
技术公布日:2022/11/1
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