一种N型TOPCon电池及其制备方法与流程

一种n型topcon电池及其制备方法
技术领域
1.本技术涉及光伏太阳能电池领域，具体而言，涉及一种n型topcon电池及其制备方法。


背景技术：

2.钝化接触太阳能电池是光伏行业当前炙手可热的技术，其主要成果为采用topcon(tunnel oxide passivated contact，隧穿氧化钝化接触)技术的n型topcon电池，topcon技术是在电池表面生成一层超薄的可隧穿的氧化层和一层高掺杂的多晶硅层。尤其近年来各大光伏公司和设备厂商也纷纷投入其中，让n型topcon电池飞速发展，量产化指日可待。为了实现n型topcon电池产业化，继续提高电池效率成为各大企业的研究目标，优化电池的钝化效果成为了电池提效的重要一环。
3.目前，由于钝化膜制备工艺的限制，有些n型topcon电池，由于双面钝化膜更容易制备，因此直接在电池的正面和背面制备氧化铝层作为钝化膜，背面的氧化铝层与硅接触，在界面处会产生大量固定负电荷，影响背面场钝化。另外，由于制备氧化硅膜时需要进行热氧化，但实验数据显示热氧化时的高温会对n型topcon电池造成损伤，导致电池效率变低，因此，很多topcon电池都会取消氧化硅膜作为钝化膜或采用其他复杂的工艺制备。
4.因此，需要一种工艺简便、容易实现，且钝化效果好的n型topcon电池的钝化膜设计、制备方案。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的在于提供一种n型topcon电池及其制备方法，工艺简单，钝化效果好，电池效率高。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种n型topcon电池，其包括硅衬底，硅衬底的正面由里往外设置有硼扩散层、正面氧化铝层、正面氮化硅层，硅衬底的背面由里往外设置有隧穿氧化层、掺杂多晶硅层、背面氧化硅层、背面氮化硅层和背面氧化铝层。
7.在上述技术方案中，正面氧化铝层、正面氮化硅层组成正面钝化膜，隧穿氧化层、背面氧化硅层、背面氮化硅层和背面氧化铝层组成背面钝化膜。其中，正面氧化铝层和正面氮化硅层组合在一起，能够达到比较好的正面钝化效果，尤其是氧化铝与硅衬底相接触，能减少硅衬底表面的悬挂不饱和键，减少电子空穴对复合；隧穿氧化层、背面氧化硅层、背面氮化硅层和背面氧化铝层组合在一起，能够达到比较好的背面钝化效果，尤其是通过氧化硅层和氮化硅层相组合隔离开隧穿氧化层中的poly硅和氧化铝，避免形成si
‑
al2o3界面，消除了背面氧化铝层对钝化的反效果，因此形成的n型topcon电池钝化效果好，电池效率高。
8.在一种可能的实现方式中，背面氧化硅层的厚度为1
‑
3nm；
9.和/或，背面氮化硅层的厚度为70
‑
100nm；
10.和/或，背面氧化铝层的厚度为3
‑
7nm。
11.在一种可能的实现方式中，正面氧化铝层的厚度为3
‑
7nm；
12.和/或，正面氮化硅层的厚度为70
‑
100nm。
13.在一种可能的实现方式中，硼扩散层的深度为700
‑
1400nm；
14.和/或，隧穿氧化层的厚度为0.5
‑
3nm。
15.和/或，掺杂多晶硅层的厚度为40
‑
150nm。
16.第二方面，本技术实施例提供了一种第一方面提供的n型topcon电池的制备方法，其包括以下步骤：
17.在硅衬底的正面形成硼扩散层，在硅衬底的背面依次形成隧穿氧化层、掺杂多晶硅层；
18.采用臭氧氧化法和等离子体化学气相沉积法相结合的方法在掺杂多晶硅层上依次制备背面氧化硅层、背面氮化硅层；
19.同时在硼扩散层和背面氮化硅层上沉积氧化铝，分别形成正面氧化铝层和背面氧化铝层；
20.在正面氧化铝层上形成正面氮化硅层。
21.在上述技术方案中，采用臭氧氧化法和等离子体化学气相沉积法相结合的方法在隧穿氧化层上依次制备背面氧化硅层、背面氮化硅层，通过在背面氮化硅层的生产工艺中加入臭氧氧化用以在背面长出一层单面氧化硅层，工艺简单，可用于量产n型topcon电池；而且制得的n型topcon电池钝化效果好，电池效率高。
22.在一种可能的实现方式中，在实现等离子体化学气相沉积法的设备上加装臭氧发生器，先采用臭氧氧化法制备背面氧化硅层，再采用等离子体化学气相沉积法制备背面氮化硅层。
23.在上述技术方案中，只需在化学气相沉积设备上加上臭氧发生器，即在背膜机台上加上臭氧发生器用以实现臭氧氧化与化学气相沉积二合一方式以制备背面氧化硅和背面氮化硅，与现在topcon电池生产路线兼容，节约成本，并且对产能的影响小，易于大规模普及。
24.在一种可能的实现方式中，臭氧氧化法的工艺条件为：温度为100
‑
400℃，压力为3
‑
800mbar，时间为3
‑
20min。
25.在上述技术方案中，通过相对低温环境下制备氧化硅，不会对n型topcon电池造成损伤，并且形成的背面氧化硅层能起到很好的钝化效果；制备得到的氧化硅膜质量与常规氧气饱和热氧制备的氧化硅膜质量相当，均匀性好。
26.在一种可能的实现方式中，等离子体化学气相沉积法的工艺条件为：温度为450
‑
500℃，压力为3
‑
800mbar，时间为3
‑
20min。
27.在一种可能的实现方式中，沉积氧化铝的方式是采用单原子层沉积法，单原子层沉积法的工艺条件为：温度为200
‑
250℃，工艺过程为：tma、4
‑
8s
‑
吹扫7
‑
10s
‑
h2o、4
‑
8s
‑
吹扫7
‑
10s，循环次数为22
‑
51次。
28.在上述技术方案中，工艺条件简单，能够在电池的正面和背面同时快速沉积形成致密的氧化铝层。
29.在一种可能的实现方式中，制备正面氮化硅层的方式是采用等离子体化学气相沉积法，工艺条件为：温度为450
‑
500℃，压力为200
‑
300pa。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1为现有技术中的一种n型topcon电池的结构示意图；
32.图2为本技术实施例提供的一种n型topcon电池的结构示意图。
33.图标：01
‑
硅衬底；02
‑
硼扩散层；03
‑
正面氧化铝层；04
‑
正面氮化硅层；05
‑
隧穿氧化层；06
‑
掺杂多晶硅层；07
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背面氧化铝层；08
‑
背面氮化硅层；110
‑
硅衬底，120
‑
硼扩散层；130
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正面氧化铝层；140
‑
正面氮化硅层；150
‑
隧穿氧化层；160
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掺杂多晶硅层；170
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背面氧化硅层；180
‑
背面氮化硅层；190
‑
背面氧化铝层。
具体实施方式
34.申请人在实现本技术的过程中发现：topcon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳能电池技术，topcon电池结构为n型硅衬底，通常是在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合。
35.目前来看，隧穿氧化层、氧化硅、氮化硅、氧化铝作为电池中良好的钝化薄膜。对于topcon电池，通常在背面完成隧穿氧化和掺杂多晶硅后，一般采用双面氧化铝，正面氮化硅、背面氮化硅进行钝化。该n型topcon电池的结构如图1所示，其包括n型硅衬底01，硅衬底01的正面依次设置有硼扩散层02(p 发射极)、正面氧化铝层03、正面氮化硅层04，背面依次设置有隧穿氧化层05、掺杂多晶硅层06(n poly硅)、背面氧化铝层07和背面氮化硅层08。
36.对于该n型topcon电池，正面氧化铝层03有很好的钝化效果，而背面氧化铝层07会影响电池场钝化，这是由于氧化铝与掺杂多晶硅层06的硅界面存在大量固定负电荷。如果想要仅去制备单面的正面氧化铝层03，目前的技术来说会非常复杂，通常是让硅片背靠背，使用ald法(atomic layer deposition，单原子层沉积法)去制备，还会在背面形成严重绕镀，影响电池外观、良率和效率。
37.另外，申请人还发现，虽然氧化硅能钝化硅界面的悬挂键，并且带有固定正电荷的特性，对于n型电池背面会带去较好的化学钝化和场钝化。但是常规氧化硅层的制备方式是氧气饱和热氧制备氧化硅层，但实验表明在进行热氧化时高温会对n型topcon电池造成损伤，导致电池效率变低，因此很多光伏公司在制备topcon电池时去掉氧化硅层。
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
39.下面对本技术实施例的n型topcon电池及其制备方法进行具体说明。
40.请参看图2，本技术实施例提供一种n型topcon电池，其包括硅衬底110，硅衬底110的正面由里往外设置有硼扩散层120、正面氧化铝层130、正面氮化硅层140，硅衬底110的背面由里往外设置有隧穿氧化层150、掺杂多晶硅层160、背面氧化硅层170、背面氮化硅层180
和背面氧化铝层190。
41.其中，硅衬底110为n型硅衬底110；硼扩散层120(p 发射极)的深度为700
‑
1400nm，示例性地，深度为700mm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm或1400nm；正面氧化铝层130的厚度为3
‑
7nm，示例性地，厚度为3nm、4nm、5nm、6nm或7nm；正面氮化硅层140的厚度为70
‑
100nm，示例性地，厚度为70nm、80nm、90nm或100nm。
42.隧穿氧化层150的厚度为0.5
‑
3nm，示例性地，厚度为0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm或3nm；掺杂多晶硅层160(n poly硅)的厚度为40
‑
150nm，示例性地，厚度为40nm、50nm、70nm、90nm、100nm、110nm、130nm或150nm；背面氧化硅层170的厚度为1
‑
3nm，示例性地，厚度为1nm、1.5nm、2nm、2.5nm或3nm；背面氮化硅层180的厚度为70
‑
100nm，示例性地，厚度为70nm、80nm、90nm或100nm；背面氧化铝层190的厚度为3
‑
7nm，示例性地，厚度为3nm、4nm、5nm、6nm或7nm。
43.本技术实施例还提供一种上述的n型topcon电池的制备方法，其包括以下步骤：
44.(1)前序步骤按topcon电池的常规制备路线，对硅衬底110进行前处理：制绒
‑
硼扩
‑
刻蚀
‑
隧穿氧化、原位掺杂非晶硅
‑
退火
‑
去绕镀，即准备硅衬底110，在硅衬底110制绒，正面硼扩形成硼扩散层120，在硅衬底110的背面先刻蚀、隧穿氧化形成隧穿氧化层150，在原位掺杂非晶硅、退火、去绕镀形成掺杂多晶硅层160。具体过程如下：
45.制绒：把n型原硅片放置到制绒槽，槽中koh体积浓度1％
‑
20％、温度40
‑
80℃、添加剂2
‑
20l，随后进行水洗，酸洗(hf体积浓度1％
‑
30％)，水洗，慢提拉，烘干，烘干温度80
‑
105℃。
46.硼扩：把制绒完的硅片放置硼扩管中，通源温度700
‑
900℃，时间20
‑
2000s，推结温度900
‑
1200℃，时间100
‑
5000s。
47.刻蚀：把硼扩好的硅片在链式酸刻机台进行刻蚀，刻蚀槽中hno3体积浓度1％
‑
20％，hf体积浓度1％
‑
20％。
48.隧穿氧化：采用热氧化，氧化温度500
‑
700℃，得到位于背面的隧穿氧化层150。
49.原位掺杂非晶硅：采用ph3和sih4混合气体，用pecvd方式制备，工艺温度200
‑
600℃。
50.退火：做完非晶硅的硅片在700
‑
1000℃下进行1
‑
120min恒温。
51.去绕度：把退火完硅片背面长上氧化硅，正面绕度区域用hf(体积浓度1％
‑
40％)洗掉氧化硅，然后放到碱抛槽(koh体积浓度1％
‑
20％、温度40
‑
90℃、碱抛添加剂2
‑
20l)进行碱抛去掉正面多晶硅绕度，得到位于背面的隧穿氧化层150上的掺杂多晶硅层160。
52.(2)完成步骤(1)后，采用臭氧氧化法和等离子体化学气相沉积法(pecvd，plasma enhanced chemical vapor deposition)相结合的方法在掺杂多晶硅层160上依次制备背面氧化硅层170、背面氮化硅层180。
53.实现臭氧氧化法和等离子体化学气相沉积法相结合的方法通常在实现等离子体化学气相沉积法的设备上加装臭氧发生器，例如在管式pecvd设备旁边加一个臭氧发生器，通氧气然后高压放电制备臭氧，管式pecvd设备可以实现单面镀膜；利用该设备先采用臭氧氧化法制备背面氧化硅层170，再采用等离子体化学气相沉积法制备背面氮化硅层180。
54.先利用加装臭氧发生器的化学气相沉积设备实现臭氧氧化法，臭氧氧化法的工艺条件为：温度为100
‑
400℃，压力为3
‑
800mbar，时间为3
‑
20min。
55.再利用化学气相沉积设备实现等离子体化学气相沉积法，通常是延续臭氧氧化法的其他工艺条件，仅将温度升高，将气体种类由o3变为硅烷和氨气，等离子体化学气相沉积法的工艺条件为：温度为450
‑
500℃，压力为3
‑
800mbar，时间为3
‑
20min。
56.(3)完成步骤(2)后，同时在硼扩散层120和背面氮化硅层180上沉积氧化铝，分别形成正面氧化铝层130和背面氧化铝层190，由于正面氧化铝层130和背面氧化铝层190同时沉积，因此二者的厚度近乎相等。
57.本技术实施例中，沉积氧化铝的方式是采用单原子层沉积法(atomic layer deposition，ald)，单原子层沉积法的工艺条件为：温度为200
‑
250℃，工艺过程为：tma、4
‑
8s
‑
吹扫7
‑
10s
‑
h2o、4
‑
8s
‑
吹扫7
‑
10s，每个周期的处理方式是先通入tma持续4
‑
8s，吹扫7
‑
10s，再通入水汽持续4
‑
8s，吹扫7
‑
10s，循环次数为22
‑
51次。其中，tma为al(ch3)3，tma和水一起生成氧化铝膜。
58.(4)完成步骤(3)的双面沉积氧化铝后，在正面氧化铝层130上形成正面氮化硅层140。
59.本技术实施例中，制备正面氮化硅层140的方式是采用等离子体化学气相沉积法，工艺条件为：温度为450
‑
500℃，压力为200
‑
300pa。
60.(5)后续步骤按topcon常规路线做印刷烧结、测试。
61.以下结合实施例对本技术的特征和性能作进一步的详细描述。
62.实施例1
63.本实施例提供一种n型topcon电池，其按照以下制备方法制得：
64.(1)制绒：把n型硅衬底110放置到制绒槽，槽中koh体积浓度5％、温度60℃、添加剂10l，随后进行水洗，酸洗(hf体积浓度10％)，水洗，慢提拉，烘干，烘干温度90℃。
65.硼扩：把制绒完的硅片放置硼扩管中，通源温度800℃，时间600s，推结温度1000℃，时间2000s，在正面形成厚度800nm的硼扩散层120。
66.刻蚀：把硼扩好的硅片在链式酸刻机台进行背面刻蚀，刻蚀槽中hno3体积浓度10％，hf体积浓度10％。
67.隧穿氧化：采用热氧化，氧化温度600℃，在背面形成厚度2nm的隧穿氧化层150。
68.原位掺杂非晶硅：采用ph3和sih4混合气体，用pecvd方式制备，非晶硅厚度100nm，工艺温度350℃。
69.退火：做完非晶硅的硅片在850℃下进行60min恒温。
70.去绕镀：把退火完硅片背面长上氧化硅，正面绕度区域用hf(体积浓度20％)洗掉氧化硅，然后放到碱抛槽(koh体积浓度5％、温度60℃、碱抛添加剂10l)进行碱抛去掉正面非晶硅绕度。
71.(2)完成步骤(1)后，在管式pecvd设备旁边加一个臭氧发生器，先利用加装臭氧发生器的管式pecvd设备实现臭氧氧化法制备背面氧化硅层170，臭氧氧化法的工艺条件为：温度为300℃，压力为500mbar，时间为10min，得到背面氧化硅层170。
72.再利用管式pecvd设备实现等离子体化学气相沉积法制备背面氮化硅层180，即升温至450℃，时间为15min，得到厚度80nm的背面氮化硅层180。
73.(3)完成步骤(2)后，采用ald同时在硼扩散层120和背面氮化硅层180上沉积氧化铝，分别形成正面氧化铝层130和背面氧化铝层190，工艺条件为：温度为200℃，工艺过程
为：tma、6s
‑
吹扫9s
‑
h2o、6s
‑
吹扫9s，循环次数为37次，得到厚度为5nm的正面氧化铝层130和厚度为5nm的背面氧化铝层190。
74.(4)完成步骤(3)的双面沉积氧化铝后，采用pecvd技术在正面氧化铝层130上形成正面氮化硅层140，工艺条件为：温度为470℃，压力为250pa，得到厚度为90nm的正面氮化硅层140。
75.(5)后续步骤按topcon常规路线做印刷烧结、测试。
76.实施例2
77.本实施例提供一种n型topcon电池，其按照以下制备方法制得：
78.1)制绒：把n型硅衬底110放置到制绒槽，槽中koh体积浓度5％、温度60℃、添加剂10l，随后进行水洗，酸洗(hf体积浓度10％)，水洗，慢提拉，烘干，烘干温度90℃。
79.硼扩：把制绒完的硅片放置硼扩管中，通源温度800℃，时间600s，推结温度1000℃，时间2000s，在正面形成厚度800nm的硼扩散层120。
80.刻蚀：把硼扩好的硅片在链式酸刻机台进行背面刻蚀，刻蚀槽中hno3体积浓度10％，hf体积浓度10％。
81.隧穿氧化：采用热氧化，氧化温度600℃，在背面形成厚度2nm的隧穿氧化层150。
82.原位掺杂非晶硅：采用ph3和sih4混合气体，用pecvd方式制备，非晶硅厚度100nm，工艺温度350℃。
83.退火：做完非晶硅的硅片在850℃下进行60min恒温。
84.去绕镀：把退火完硅片背面长上氧化硅，正面绕度区域用hf(体积浓度20％)洗掉氧化硅，然后放到碱抛槽(koh体积浓度5％、温度60℃、碱抛添加剂10l)进行碱抛去掉正面非晶硅绕度。
85.(2)完成步骤(1)后，在管式pecvd设备旁边加一个臭氧发生器，先利用加装臭氧发生器的管式pecvd设备实现臭氧氧化法制备背面氧化硅层170，臭氧氧化法的工艺条件为：温度为320℃，压力为500mbar，时间为15min，得到背面氧化硅层170。
86.再利用管式pecvd设备实现等离子体化学气相沉积法制备背面氮化硅层180，即升温至450℃，时间为15min，得到厚度80nm的背面氮化硅层180。
87.(3)完成步骤(2)后，采用ald同时在硼扩散层120和背面氮化硅层180上沉积氧化铝，分别形成正面氧化铝层130和背面氧化铝层190，工艺条件为：温度为200℃，工艺过程为：tma、6s
‑
吹扫9s
‑
h2o、6s
‑
吹扫9s，循环次数为37次，得到厚度为5nm的正面氧化铝层130和厚度为5nm的背面氧化铝层190。
88.(4)完成步骤(3)的双面沉积氧化铝后，采用pecvd技术在正面氧化铝层130上形成正面氮化硅层140，工艺条件为：温度为470℃，压力为250pa，得到厚度为90nm的正面氮化硅层140。
89.(5)后续步骤按topcon常规路线做印刷烧结、测试。
90.对比例1
91.请参看图1，本对比例提供一种n型topcon电池，其制备过程如下：
92.(1)与实施例1的步骤(1)相同，不再赘述。
93.(2)完成步骤(1)后，采用ald同时在硼扩散层02和掺杂多晶硅层06上沉积氧化铝，分别形成正面氧化铝层03和背面氧化铝层07，工艺条件为：温度为200
‑
250℃，工艺过程为：
tma、6s
‑
吹扫9s
‑
h2o、6s
‑
吹扫9s，循环次数为37次，得到厚度为5nm的正面氧化铝层03和厚度为5nm的背面氧化铝层07。
94.(3)完成步骤(2)的双面沉积氧化铝后，采用pecvd技术同时在正面氧化铝层03和背面氧化铝层07上形成正面氮化硅层04和背面氮化硅层08，工艺条件为：温度为450℃，压力为200pa，得到厚度为90nm的正面氮化硅层04和厚度为80nm的背面氮化硅层08。
95.(4)后续步骤按topcon常规路线做印刷烧结、测试。
96.表1不同实施例和对比例的测试数据
[0097][0098]
从表1可以看出，与对比例1的常规n型topcon电池相比，本技术实施例的n型topcon电池采用的钝化膜方案对电池钝化有较大的提升，开路电压和短路电流都提升较多，提效明显。
[0099]
综上所述，本技术实施例的n型topcon电池及其制备方法，工艺简单，钝化效果好，电池效率高。
[0100]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。