在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池。一種在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法，其中，該方法包括通過水蒸汽與所述硅基材表面的硅材料反應(yīng)形成二氧化硅薄膜。通過采用水蒸汽與硅基材表面的硅材料反應(yīng)制備二氧化硅薄膜，其反應(yīng)速率快，產(chǎn)物無污染。此外，二者反應(yīng)產(chǎn)物中的部分氫還能擴散至硅基材內(nèi)部。這些氫能夠與硅基材表面的懸掛鍵結(jié)合，或者與硅基材內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)結(jié)合，從而起到鈍化晶界、缺陷或雜質(zhì)的作用。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本發(fā)明所提供的方法，能夠有效提高二氧化硅薄膜的制備效率，還能夠有效改善硅基材的光電性能。
【專利說明】在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及晶體硅電池制造領(lǐng)域，具體而言，涉及一種在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源需求的不斷增加，可再生能源尤其是太陽能得到越來越多的重視，使得太陽能電池成為了研究熱點。其中，由于硅原料豐富、工藝成熟、性能穩(wěn)定且對環(huán)境污染較小，使得晶體硅電池在太陽能電池市場占有統(tǒng)治地位。
[0003]常規(guī)的晶體硅電池的生產(chǎn)工藝包括制絨、擴散、單邊刻蝕、鍍膜、絲網(wǎng)印刷及燒結(jié)。其中，鍍膜的目的主要是為了在已刻蝕的硅片表面鍍減反射膜?，F(xiàn)有的鍍膜方法主要是采用PECVD法在硅片表面沉積氮化硅薄膜(SiNx)。為了提高硅片的鈍化效果，常在氮化硅薄膜與硅片之間增加一層二氧化硅薄膜。該二氧化硅薄膜可以有效地減少非平衡少數(shù)載流子在表面的復(fù)合損失，明顯提升鈍化效果。進而提升晶體硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時，致密性好的二氧化硅薄膜還能阻擋鈉離子、鈣離子和鎂離子，從而降低太陽能電池的電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)(PID)。此外，在一些現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件中，也需要在硅基材的表面沉積二氧化硅薄膜，用以提高半導(dǎo)體器件的光電性能。
[0004]目前，在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法主要為干氧氧化法和濕化學(xué)氧化法。前者是在高溫下通過氧氣與硅基材表面反應(yīng)生成二氧化硅，其形成的硅基材表面干凈無污染。但是，該方法反應(yīng)速度慢，工藝時間較長。而后者是通過具有氧化性的化學(xué)試劑(如硝酸，雙氧水等)對硅基材進行氧化，其反應(yīng)速度快。但是，這種方法很難控制薄膜厚度，并且穩(wěn)定性較差。而且，濕化學(xué)氧化法制備后的硅基材表面殘留大量的化學(xué)雜質(zhì)，需要多次水洗和長時間的烘干，工藝過程復(fù)雜，更面臨殘留雜質(zhì)對硅基材的污染危險。這些污染會嚴(yán)重影響娃基材的光電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池，以解決現(xiàn)有技術(shù)中二氧化硅薄膜制備時間長或污染重的問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種在硅基材表面形成二氧化娃薄膜的方法，其中，該方法包括通過水蒸汽與娃基材表面的娃材料反應(yīng)形成二氧化娃薄膜。
[0007]進一步地,水蒸汽是由向娃基材表面通入的氧氣和氫氣反應(yīng)形成。
[0008]進一步地，上述氧氣和氫氣的摩爾比為2:1?1:3，優(yōu)選為1:2?1:3 ;更優(yōu)選地，氧氣和氫氣的流量比為1:1?1:3。
[0009]進一步地，氫氣通過保護氣體的攜帶通向硅基材表面，優(yōu)選地，氫氣與保護氣體的摩爾比為1:15?1:50，更優(yōu)選地，保護氣為氮氣或氬氣。[0010]進一步地，水蒸汽與硅材料的反應(yīng)溫度為950?1000°C，反應(yīng)時間為10?20min。
[0011]進一步地,上述二氧化娃薄膜的密度為2.15g/cm3?2.3g/cm3。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種晶體硅電池的制備方法，包括在硅片表面形成二氧化硅薄膜的步驟，其中，形成二氧化硅薄膜的步驟采用上述的方法。
[0013]進一步地，上述制備方法還包括對硅片表面依次進行制絨、擴散以及濕法刻蝕的步驟，上述二氧化硅薄膜形成在完成濕法刻蝕后的硅片表面。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了 一種晶體硅電池，其中晶體硅電池上述的方法制備而成。
[0015]進一步地，上述晶體硅電池中硅片表面二氧化硅薄膜的厚度為5nm?20nm。
[0016]應(yīng)用本發(fā)明的在硅基材表面形成二氧化硅薄膜的方法、晶體硅電池的制備方法及晶體硅電池。通過采用水蒸汽與硅基材表面的硅材料反應(yīng)制備二氧化硅薄膜，其反應(yīng)速率快，產(chǎn)物無污染。此外，二者反應(yīng)產(chǎn)物中的部分氫還能擴散至硅基材內(nèi)部，這些氫能夠與硅基材表面的懸掛鍵結(jié)合，或者與硅基材內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)結(jié)合，從而起到鈍化晶界、缺陷或雜質(zhì)的作用。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本發(fā)明所提供的方法，能夠有效提高二氧化硅薄膜的制備效率，還能夠有效改善硅基材的光電性能。
【具體實施方式】
[0017]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0018]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中二氧化硅薄膜的制備時間長或污染重的問題，本發(fā)明發(fā)明人提供了一種二氧化娃薄膜的制備方法，該方法包括通過水蒸汽與娃基材表面的娃材料反應(yīng)形成二氧化硅薄膜。
[0019]本發(fā)明所提供的這種制備方法中，利用水蒸汽與硅材料反應(yīng)形成二氧化硅薄膜。這種方法中，水蒸汽與硅材料的整個反應(yīng)過程都能夠在密閉的環(huán)境中進行，且二者的反應(yīng)產(chǎn)物中只有二氧化硅與氫氣。這就能夠有效避免其他化學(xué)雜質(zhì)對硅基材的污染。未經(jīng)污染的二氧化硅薄膜能夠有效提高硅基材表面的鈍化效果，進而能夠提高硅基材的光電性能。同時，水蒸汽與硅材料的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氧氣與硅材料的反應(yīng)速率。采用本發(fā)明所提供的這種制備方法，能夠有效提高二氧化硅薄膜的制備效率。此外，本發(fā)明所提供的方法中，水蒸汽與硅材料反應(yīng)形成的氫氣還能夠在高溫的作用下擴散至硅基材的內(nèi)部，這些擴散的氫能夠與硅基材表面的懸掛鍵結(jié)合，或者與硅基材內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)結(jié)合，從而起到鈍化晶界、缺陷或雜質(zhì)的作用。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本發(fā)明所提供的方法，能夠有效提高二氧化硅薄膜的制備效率，還能夠有效改善硅基材的光電性能。
[0020]本發(fā)明所提供的上述方法中，可以直接通入水蒸汽進行反應(yīng)。一種優(yōu)選的實施方式中，水蒸汽是由向娃基材表面通入的氧氣和氫氣反應(yīng)形成。直接向娃基材表面通入氧氣和氫氣，二者能夠迅速反應(yīng)形成水蒸汽。除此之外，未經(jīng)反應(yīng)的氧氣也能夠與硅材料進行反應(yīng)，生成二氧化娃。未經(jīng)反應(yīng)的部分氫氣也能夠擴散至娃基材的內(nèi)部，與娃基材表面的懸掛鍵結(jié)合，或者與硅基材內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)結(jié)合，以鈍化晶界、缺陷或雜質(zhì)。
[0021]本發(fā)明所提供的上述方法中，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠合理地擬定氧氣與氫氣的通入量的比例。在一種優(yōu)選的方式中，氧氣和氫氣的摩爾比為2:1?1:3。將上述比例的氧氣和氫氣通向硅基材表面，一方面能夠保證反應(yīng)體系的安全性，另一方面能夠增加二氧化硅薄膜的生成速率。
[0022]在一種更優(yōu)選的方式中，上述氧氣和氫氣的摩爾比為1:2?1:3。這種條件下，氫氣處于過量的狀態(tài)。二者反應(yīng)生成的水蒸汽與硅材料進行反應(yīng)的同時，過量的氫氣能夠擴散至硅基材內(nèi)部。這些內(nèi)部的氫能夠及時地鈍化硅基材表面的懸掛鍵及硅基材內(nèi)部的缺陷和雜質(zhì)，從而提聞娃基材的質(zhì)量，保證娃基材的光電性能。
[0023]本發(fā)明所提供的上述方法中，為了保證反應(yīng)速率及反應(yīng)體系的安全性，優(yōu)選將氧氣和氫氣的流量比為設(shè)為1:1?1:3。
[0024]本發(fā)明所提供的上述方法中，優(yōu)選地，氫氣通過保護氣體的攜帶通向所述硅基材表面。該保護氣包括但不限于氮氣、氬氣中的一種。保護氣體能夠?qū)錃膺M行稀釋，使得反應(yīng)體系更加安全。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠合理地設(shè)定氫氣與保護氣體的摩爾比。一種優(yōu)選的方式中，氫氣與保護氣體的摩爾比為1:15?1:50。將上述摩爾比的氫氣與保護氣體形成的混合氣體通入反應(yīng)體系，能夠更好地匹配氣體的流速與反應(yīng)時間，促使反應(yīng)高效進行。
[0026]本發(fā)明所提供的上述方法中，只要將體系的溫度控制在能夠發(fā)生反應(yīng)的溫度即可。一種優(yōu)選的方式中，水蒸汽與娃材料的反應(yīng)溫度為950?1000°C,反應(yīng)時間為10?20min。在該溫度條件和反應(yīng)時間下所形成的二氧化硅薄膜，其致密性良好，缺陷密度小。進而使得硅基材具有更優(yōu)異的光電性能。
[0027]本發(fā)明所提供的上述方法中，優(yōu)選所形成的二氧化硅薄膜的密度為2.15g/cm3?
2.3g/cm3。在硅基材表面形成上述密度范圍的二氧化硅薄膜，其能夠更有效地阻擋鈉離子、鎂離子和鈣離子。進而能夠有效降低硅基材的電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)，保證硅基材的使用壽命。
[0028]另外，本發(fā)明還提供了一種晶體硅電池的制備方法，包括在硅片表面形成二氧化硅薄膜的步驟，其中，形成二氧化硅薄膜的步驟采用上述的方法。采用這種方法在硅片表面形成二氧化硅薄膜，能夠同時保證二氧化硅薄膜制備效率和效果。這是由于，水蒸汽與硅片的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氧氣與娃片的反應(yīng)速率。同時，二者的反應(yīng)產(chǎn)物除二氧化娃和氫氣之外，沒有任何化學(xué)雜質(zhì)。這就避免了硅片被化學(xué)雜質(zhì)污染的危險，進而保證了硅片的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，上述反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣能夠在一定程度下擴散至硅片內(nèi)部。這些氫能夠及時鈍化硅片表面的懸掛鍵及硅基材內(nèi)部的缺陷和雜質(zhì)，進一步提高硅片的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0029]進一步地，上述制備方法還包括對硅片表面依次進行制絨、擴散以及濕法刻蝕的步驟，上述二氧化硅薄膜形成在完成濕法刻蝕后的硅片表面。在濕法刻蝕后的硅片上形成二氧化硅薄膜，能夠及時鈍化硅片表面的懸掛鍵及硅基材內(nèi)部的缺陷和雜質(zhì)，進一步提高硅片的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0030]另外，本發(fā)明還提供了一種晶體硅電池，其是由本發(fā)明上述的方法制備而成。該晶體硅太陽能電池中，硅片表面形成有上述方法制備的二氧化硅薄膜。這樣的二氧化硅薄膜，其表面無化學(xué)污染。且這樣的硅片內(nèi)部的缺陷密度更少。在此基礎(chǔ)上，上述晶體硅電池具有更優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0031 ] 在本發(fā)明所提供的上述晶體硅電池的制備方法中，優(yōu)選所形成的硅片表面的二氧化硅薄膜的厚度為5nm?20nm。采用上述厚度的二氧化硅薄膜，能夠有效阻擋鈉離子、鎂離子和鈣離子。所形成的晶體硅電池的電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)更少，使得電池在長時間的工作后，還能夠保持優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0032]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述，這些實施例不能理解為限制本發(fā)明所要求保護的范圍。
[0033]采用化學(xué)清洗對硅片表面進行制絨。將制絨后硅片放入石英舟，送入擴散爐，在擴散爐內(nèi)進行擴散。擴散過程主要為:將BBr3液態(tài)源由N2攜帶進入擴散爐，對硅片表面進行硼擴散，形成PN結(jié)。其中擴散溫度900°C，擴散時間為30min。利用化學(xué)藥液對上述擴散后的硅片進行濕法刻蝕，得到待鍍膜硅片。
[0034]實施例1
[0035]將待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入混合氣體(H2與N2的摩爾比為1:15)和氧氣。其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g;氧氣與氫氣的摩爾比為2:1，氧氣與氫氣的流量比為1:1。上述氣體通入之后，使?fàn)t管在950°C下保持20min，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0036]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0037]采用SE400 advanced橢偏儀測量的硅片表面二氧化硅薄膜的厚度，經(jīng)測量二氧化娃薄膜的厚度為5nm ；
[0038]采用稱量法測量實施例與對比例中所制備的硅片表面二氧化硅薄膜的密度，經(jīng)測量二氧化硅薄膜的密度為2.15g/cm3。
[0039]實施例2
[0040]將上述待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入混合氣體(H2與N2的摩爾比為1:50)和氧氣。其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g ;氧氣與氫氣的摩爾比為1:3 ;氧氣與氫氣的流量比為1: 2。上述氣體通入之后，使?fàn)t管在980°C下保持lOmin，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0041]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0042]經(jīng)測量，二氧化硅薄膜的厚度為8nm ;二氧化硅薄膜的密度為2.19g/cm3。
[0043]實施例3
[0044]將上述待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入混合氣體(H2與N2的摩爾比為1:19)和氧氣。其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g ;氧氣與氫氣的摩爾比為1:2 ;氧氣與氫氣的流量比為1: 3。上述氣體通入之后，使?fàn)t管在980°C下反應(yīng)保持15min，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0045]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0046]經(jīng)測量，二氧化硅薄膜的厚度為IOnm ;二氧化硅薄膜的密度為2.16g/cm3。
[0047]實施例4
[0048]將上述待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入混合氣體(H2與N2的摩爾比為1:19)和氧氣。其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g;氧氣與氫氣的摩爾比為1:3 ;氧氣與氫氣的流量比為1:2。上述氣體通入之后，使?fàn)t管在1000°C下保持18min，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0049]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0050]經(jīng)測量，二氧化硅薄膜的厚度為15nm ;二氧化硅薄膜的密度為2.25g/cm3。
[0051]實施例5
[0052]將上述待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入混合氣體(H2與N2的摩爾比為1:20)和氧氣。其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g;氧氣與氫氣的摩爾比為2:5 ;氧氣與氫氣的流量比為1:2。上述氣體通入之后，使?fàn)t管在1000°C下保持20min，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0053]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0054]經(jīng)測量，二氧化硅薄膜的厚度為20nm ;二氧化硅薄膜的密度為2.3g/cm3。
[0055]對比例I
[0056]將上述待鍍膜硅片放入石英舟，送入氧化爐管。向爐管內(nèi)通入氧氣，其中，相對每平方厘米的硅片待鍍膜表面通入的氧氣為0.54g。在950°C下反應(yīng)20min，以在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0057]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0058]經(jīng)測量，二氧化硅·薄膜的厚度為3nm ;二氧化硅薄膜的密度為2.12g/cm3。
[0059]對比例2
[0060]將上述待鍍膜硅片浸在濃度為50wt%的濃硝酸溶液中，反應(yīng)lOmin，隨后在去離子水中清洗lOmin，然后烘干取出。在待鍍膜硅片表面形成二氧化硅薄膜。
[0061]采用PECVD法在上述硅片表面鍍氮化硅膜，并經(jīng)過電極印刷和燒結(jié)后，形成晶體硅電池板。
[0062]經(jīng)測量，二氧化硅薄膜的厚度為18nm ;二氧化硅薄膜的密度為2.16g/cm3。
[0063]對上述實施例和對比例中所制備的晶體硅電池板的光電轉(zhuǎn)換效率與效率衰減程度進行表征。
[0064]測量方法:
[0065](I)光電轉(zhuǎn)換效率:采用晶體硅電池IV tester測試儀，對實施例與對比例中所制備的晶體娃電池板進行表征，測試其光電轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果如表一所不;
[0066](2)效率衰減:將實施例與對比例中所制備的晶體硅電池板在1000V的電場下保持24h，測量其光電轉(zhuǎn)換效率的變化，以表征其效率衰減。結(jié)果如表一所示。
[0067]表一:
[0068]
【權(quán)利要求】
1.一種在娃基材表面形成二氧化娃薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括通過水蒸汽與所述硅基材表面的硅材料反應(yīng)形成所述二氧化硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽是由向所述硅基材表面通入的氧氣和氫氣反應(yīng)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧氣和氫氣的摩爾比為2:1?1:3，優(yōu)選為1:2?1:3 ;更有選地，所述氧氣和氫氣的流量比為1:1?1:3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述氫氣通過保護氣體的攜帶通向所述硅基材表面，優(yōu)選地，所述氫氣與所述保護氣體的摩爾比為1:15?1:50，更優(yōu)選地，所述保護氣為氮氣或氬氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽與所述硅材料的反應(yīng)溫度為950?1000°C，反應(yīng)時間為10?20min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的密度為2.15g/cm3?2.3g/cm3。
7.一種晶體硅電池的制備方法，包括在硅片表面形成二氧化硅薄膜的步驟，其特征在于，形成所述二氧化硅薄膜的步驟采用權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，還包括對所述硅片表面依次進行制絨、擴散以及濕法刻蝕的步驟，所述二氧化硅薄膜形成在完成所述濕法刻蝕后的硅片表面。
9.一種晶體硅電池，其特征在于，所述晶體硅電池由權(quán)利要求7或8所述的方法制備而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體硅電池，其特征在于，所述晶體硅電池中硅片表面二氧化娃薄膜的厚度為5nm?20nm。
【文檔編號】H01L31/18GK103594556SQ201310573983
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】張偉 申請人:英利集團有限公司