氮化硅掩膜表面的網印工藝

氮化硅掩膜表面的網印工藝

1選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池的實現方法近年來，照明行業(yè)以40%以上的速度和速度快速發(fā)展。人們從各個應用領域對太陽電池進行研究,其中研究的最重要目標是提高效率,降低成本。在常規(guī)晶體硅太陽電池中,為了減小電極和硅片的接觸電阻,通常要求擴散后方塊電阻為40Ω/□左右的高濃度摻雜,但此時電池的頂層復合大,限制了電池的轉換效率。選擇性發(fā)射極作為晶體硅太陽能電池生產工藝中實現高效率的方法之一,能夠很好地解決這一常規(guī)晶體硅太陽電池生產工藝所不能解決的矛盾,提高電池的轉換效率。選擇性發(fā)射極有多種實現方法,譬如在電極區(qū)印刷高濃度磷漿后放入擴散爐中擴散;硅片表面不同區(qū)域沉積不同濃度的磷硅玻璃;以及一些其它的新工藝。雖然表現出了比常規(guī)晶體硅太陽電池更好的電性能,但是上述方法成本太高,無法大批量生產,有必要尋求一種新的選擇性發(fā)射極的實現方法。本文研究了一種選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池的實現方法。在制絨清洗后的硅片上等離子增強化學氣相沉積一定厚度的SiNx掩膜,然后采用絲網印刷腐蝕漿料的方式腐蝕出電極圖形,經過三氯氧磷液態(tài)源擴散完成重擴,去除氮化硅掩膜后進行淺擴最終實現選擇性發(fā)射極。本方法旨在通過改進生產工藝,避免常規(guī)晶體硅太陽電池工藝的技術缺陷,在較低成本下實現高效太陽電池。2擇性發(fā)射極太陽電池更有利于提高光生載流子的收集率圖1(a)為常規(guī)晶體硅太陽能電池,圖1(b)為選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池。選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池的特點是在電極區(qū)摻雜濃度高,而光吸收區(qū)摻雜濃度低,這樣便在低摻雜區(qū)和高摻雜區(qū)交界處獲得一個橫向n+/n高低結,并在電極柵線下獲得一個n+/p結。圖2為常規(guī)晶體硅太陽電池和選擇性發(fā)射極太陽電池的能帶圖。對比圖2(a)、2(b)可知:與常規(guī)晶體硅太陽電池相比,選擇性發(fā)射極太陽電池更有利于光生載流子的收集,尤其能提高短波光生載流子的收集率。由半導體物理知識可以知道常規(guī)晶體硅太陽電池的接觸勢壘為:qVD1=kTlnN+ANDn2i(1)qVD1=kΤlnΝA+ΝDni2(1)而選擇性發(fā)射極太陽電池的接觸勢壘為:qVD2=kTlnN+AND+n2i(2)qVD2=kΤlnΝA+ΝD+ni2(2)明顯有qVD2>qVD1,所以選擇性發(fā)射極太陽電池與常規(guī)晶體硅太陽電池相比,提高了輸出電壓。金屬和半導體的接觸電阻和半導體的摻雜濃度有密切的關系,摻雜濃度越高,接觸電阻越小。采用高的表面濃度和相對較深的結深,相比在其它各處都采用一樣的較低的表面雜質濃度和結深是可以獲得更低的接觸電阻的。這就是說,相比之下,選擇性發(fā)射極太陽電池可以形成良好的歐姆接觸,從而獲得更小的串聯電阻。另外選擇性發(fā)射極太陽電池在光吸收區(qū)采用較低的表面摻雜濃度,相比常規(guī)晶體硅太陽電池可以顯著地減小光生少數載流子的表面復合。另外,低的表面摻雜濃度的表面鈍化效果優(yōu)于高摻雜,可以進一步減少表面態(tài)密度,從而進一步減小光生少數載流子的復合?？偠灾?相比常規(guī)晶體硅太陽電池,選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池在開路電壓、短路電流密度和填充因子上都具有一定的優(yōu)勢,能夠提高電池的轉換效率。3陽電池的方法,工藝流程本文研究采用氮化硅作為掩膜實現選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池的方法,工藝流程如圖3所示。實驗采用125×125cm2、厚度為200μm的原始硅片,各向異性腐蝕制絨,之后使用鹽酸去金屬離子,完成制絨清洗工藝。3.1pecvd氮化硅薄膜減反劑氮化硅薄膜能有效阻擋Na、P等元素的擴散,能夠作為有效的擴散阻擋層。為了達到理想的擴散阻擋效果,要求制備的氮化硅薄膜具有高的致密性。在常規(guī)晶體硅太陽電池工藝中,一般采用PECVD氮化硅薄膜作為減反膜,減少入射光的反射以增加電池的光生載流子,另外為了達到很好鈍化效果,這層氮化硅薄膜含有一定量的氫。采用PECVD的方法制備的氮化硅薄膜具有良好的均勻性,但是薄膜各處含氫量不一樣,而且擴散高溫下氫會從掩膜中快速逸出,從而導致薄膜致密性的不均勻,最終部分區(qū)域沒有有效阻擋。通過改變射頻功率、硅烷和氨氣的流量比,減少掩膜中的氫含量,改善氮化硅掩膜的擴散阻擋性能。本文所使用的氮化硅掩膜沉積厚度為80nm,折射率為2.3。3.2印刷腐蝕漿料采用金屬化時使用的傳統(tǒng)絲網印刷機將由一定量的磷酸和添加劑組成的腐蝕漿料印刷在待腐蝕區(qū)域,完成開窗過程。采用絲網印刷腐蝕漿料的方式實現氮化硅掩膜的開窗,去除電極區(qū)下的氮化硅,相對于激光熔融、光刻和等離子刻蝕等方法,具有很高的產量,而且設備投資和運營成本也低。之后采用液態(tài)源POCl3進行擴散,電極區(qū)重擴方塊電阻為10Ω/□。然后去除氮化硅掩膜,同樣采用液態(tài)源POCl3完成淺擴,淺擴區(qū)方塊電阻為80Ω/□,最終實現選擇性發(fā)射極。4結果與討論4.1熱生長和高溫氧化對電池電性能參數的影響常見的擴散掩膜除了氮化硅還有二氧化硅,本文選擇使用氮化硅作為擴散阻擋掩膜有以下兩點原因:(1)氮化硅相對二氧化硅具有更佳的阻擋性能,它能阻擋二氧化硅所不能阻擋的元素。此時氮化硅除了作為擴散掩膜還能防止其他雜質元素擴散進入硅片;(2)二氧化硅一般采用高溫熱生長的方法,而本文的氮化硅掩膜使用等離子增強化學氣相沉積的方法,沉積溫度遠低于熱生長二氧化硅的高溫。眾所周知,高溫對硅片存在一定的熱損傷,會影響硅片的少子壽命。為了考察高溫對電池電性能參數的影響,取20片絨面片,分為A、B兩組各10片,其中A組進行高溫氧化,去氧化膜與B組使用相同工藝做成電池片。兩者的電性能參數如表1所示。從表1中可以看出,經過高溫處理后電池的開路電壓和電流密度均有所下降,轉化效率下降了0.15個百分點。因此可以認為采用二氧化硅掩膜制備選擇性發(fā)射極存在硅片高溫熱損傷帶來的弊病,這是本文研究氮化硅掩膜法制備選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池的重要出發(fā)點。4.2填充因子依據本實驗方法制備的選擇性發(fā)射極太陽電池和常規(guī)太陽電池的電性能參數如表2所示。從表2可以看出,選擇性發(fā)射極電池的開路電壓(630mV)比常規(guī)太陽電池的開路電壓(625mV)高,這是因為開窗處的重擴和光吸收區(qū)的淺擴所形成的選擇性發(fā)射極結構使得太陽電池多了一個橫向n+/n高低結和一個橫向n/p結,這有利于提高輸出電壓;短路電流密度提高了0.27mA/cm2,這是由于光吸收區(qū)低的表面雜質濃度減小了光生少數載流子的表面復合,在高載流子產生率的區(qū)域獲得高的收集率。但由于仍采用絲網印刷方式印刷金屬柵線,遮光面積較大,所以短路電流密度提高的幅度受到了限制;填充因子升高幅度不大,具體原因需要進一步分析。最終體現在電池效率上選擇性發(fā)射極太陽電池較常規(guī)太陽電池提高了0.3%。4.3陽電池內量子效率對比太陽電池的光譜響應是指光電流與入射光波長的關系。圖4為選擇性發(fā)射極太陽電池和常規(guī)太陽電池內量子效率對比圖,從圖4中可以看出,選擇性發(fā)射極太陽電池相對于常規(guī)太陽電池有更好的短波響應。常規(guī)太陽電池由于前表面摻雜濃度比較高,所以短波響應差,而選擇性發(fā)射極太陽電池光吸收區(qū)的摻雜濃度低,有效地減少了頂層的表面復合,具有非常好的短波響應。5本方法的優(yōu)缺點本文采用氮化硅掩膜法制備選擇性發(fā)射極晶體硅太陽電池。首先采用氮化硅作為掩膜避免了使用二氧化硅掩膜所帶來的高溫損傷的缺點;其次本方法