AL2O3沉积用PE-ALD设备介绍

Confidential 1 AL2O3沉积用沉积用沉积用沉积用PEALD设备介绍设备介绍设备介绍设备介绍 NMCNMCNMCNMC Confidential 2 内内内内 容容容容 概概概概 要要要要 高效高效高效高效电电电电池技池技池技池技术术术术和和和和研研研研究究究究进进进进展展展展 ALD技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 11 22 33 44PEALD设备设备设备设备 AL2O3工工工工艺艺艺艺技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 Confidential 3 高效电池路线： 高效电池类型高效电池类型高效电池类型高效电池类型SESESESE（PERL/PERC/PERTPERL/PERC/PERTPERL/PERC/PERTPERL/PERC/PERT）背接触背接触背接触背接触（IBC/MWT/EWTIBC/MWT/EWTIBC/MWT/EWTIBC/MWT/EWT）N N N N型电池型电池型电池型电池HITHITHITHIT 典型代表典型代表典型代表典型代表UNSW,Suntech,CSUN,JAUNSW,Suntech,CSUN,JAUNSW,Suntech,CSUN,JAUNSW,Suntech,CSUN,JASUNPower,ISF,ECN,CSISUNPower,ISF,ECN,CSISUNPower,ISF,ECN,CSISUNPower,ISF,ECN,CSISunpower,YingliSunpower,YingliSunpower,YingliSunpower,YingliSanyoSanyoSanyoSanyo 特点特点特点特点 正面采用SE电池通用结构， 进行双面钝化，背电极通过 一些分离很远的小孔贯穿钝 化层与衬底接触 正面无栅状电极，正负极交 叉排列在背面 发射极进行硼掺杂，BSF 进行磷掺杂，并通过 AL2O3+SiNx的双层结构作 为钝化减反射层 工艺温度低，双面制 结，表面非晶硅层对于 光线吸收特性好，钝化 效果好 电池结构电池结构电池结构电池结构 难点难点难点难点 正面SE可以通过近十种方法 实现，虽然电池效率有所提 升但工序复杂，成本增加， 且做成组件后效率损失很 大。但背场钝化却逐渐发展但背场钝化却逐渐发展但背场钝化却逐渐发展但背场钝化却逐渐发展 成为一种可以迅速商业化的成为一种可以迅速商业化的成为一种可以迅速商业化的成为一种可以迅速商业化的 技术技术技术技术。 MWT多步使用了激光技术， 包括打孔和划槽隔绝，涉及 到对准以及孔的的大小及形 状的控制、另外激光对硅衬 底造成的损伤也需要考虑， 最难的是孔内金属的填充。 硼前发射极电池遇到的困 难较多，主要包括硼扩 散、硼发射极表面钝化硼发射极表面钝化硼发射极表面钝化硼发射极表面钝化以 及表面金属化3个方面;硼 背发射极结构尽管与铝背 发射极结构一样受材料质 量的制约。 工艺温度不超过300 度，否则造成H逸出。 由于TCO层和非晶硅发 射层本征吸收，影响电 池的蓝光响应。最难的 是设备，由于涉及到复 杂的真空系统，制造工 艺要求较高。 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 o x i d e Confidential 4 大部分高效太阳能电池大都选择在前表面做文章，背场钝化方面占的比例不高。 涂布设备涂布设备涂布设备涂布设备 激光器激光器激光器激光器电电电电 镀设备镀设备镀设备镀设备 高致密度高致密度高致密度高致密度 SiNSiNSiNSiN膜或膜或膜或膜或 SiO2SiO2SiO2SiO2膜膜膜膜 LDSE/LIPLDSE/LIPLDSE/LIPLDSE/LIP UNSWUNSWUNSWUNSW 工艺类型工艺类型工艺类型工艺类型SESESESE背接触背接触背接触背接触N N N N型电池型电池型电池型电池HITHITHITHIT 典型代表典型代表典型代表典型代表 BacciniBacciniBacciniBaccini （AMATAMATAMATAMAT）RR/RenaRR/RenaRR/RenaRR/RenaCTCTCTCTSchmidSchmidSchmidSchmid InnovaligInnovaligInnovaligInnovalig hthththtSunpowerSunpowerSunpowerSunpowerYingliYingliYingliYingliSanyoSanyoSanyoSanyo 工艺特点工艺特点工艺特点工艺特点 印刷腐蚀印刷腐蚀印刷腐蚀印刷腐蚀 SiO2SiO2SiO2SiO2LDSE/LCPLDSE/LCPLDSE/LCPLDSE/LCP LazerLazerLazerLazer PattPattPattPatt. . . . 掩膜腐蚀掩膜腐蚀掩膜腐蚀掩膜腐蚀 （EBEBEBEB）硅墨水硅墨水硅墨水硅墨水 EWT/IBC/EWT/IBC/EWT/IBC/EWT/IBC/ MWTMWTMWTMWTN typeN typeN typeN type异质结异质结异质结异质结 工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程 PECVDPECVDPECVDPECVD新工艺新工艺新工艺新工艺 / / / / 高致密度高致密度高致密度高致密度 SiNSiNSiNSiN膜膜膜膜/ / / / / / / / / / 表面表面表面表面Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3 背面背面背面背面SiNSiNSiNSiN （SIO2+SiNSIO2+SiNSIO2+SiNSIO2+SiN ）P P P P- - - -i i i i- - - -N N N N 新设备或新新设备或新新设备或新新设备或新 浆料及化学浆料及化学浆料及化学浆料及化学 液液液液 腐蚀浆料腐蚀浆料腐蚀浆料腐蚀浆料, , , , 印刷浆料印刷浆料印刷浆料印刷浆料 激光器激光器激光器激光器电电电电 镀设备镀设备镀设备镀设备激光器激光器激光器激光器掩膜浆料掩膜浆料掩膜浆料掩膜浆料 硅墨水硅墨水硅墨水硅墨水，喷喷喷喷 墨设备墨设备墨设备墨设备 激光器激光器激光器激光器光光光光 刻刻刻刻 P P P P型扩散炉型扩散炉型扩散炉型扩散炉， PECVD AL2O3PECVD AL2O3PECVD AL2O3PECVD AL2O3PVDPVDPVDPVD 制绒 热氧化 印刷腐蚀 重扩 清洗 轻扩 制绒 氧化 激光刻蚀 去损伤 扩散 重扩 印刷掩膜 腐蚀 去掩膜 轻掺 镀膜 激光打孔 刻蚀 金属化 扩散 涂胶光刻 B扩 P扩 去PSG 双面镀膜 丝印 烧结 制绒 本征沉积 P层沉积 本征沉积 N层沉积 TCO Ag丝印 背栅 激光掺杂 清洗 化学镀 去边 镀膜 *省略部分常规工艺步骤 背栅 磷涂布 激光掺杂 化学镀 去边 清洗 镀膜 高效电池路线： 制绒 喷墨 扩散 清洗 镀膜 丝印对准 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 5 SE高效电池技术进展： ?Honeywell + AM。浆料成本0.006美元/瓦。相当于0.027美元/156mm电池片，已有多家 公司采用该技术进行中试； ?Rena扩散后激光处理技术：技术很新，还处于刚刚推出的阶段，没有经过批量生产的验 证；Rena湿法激光掺杂技术：还有很多技术问题，特别是栅线牢固度问题没有； ?Centrotherm的“氧化-扩散”技术：首先是技术略复杂，多了一个氧化步骤；其次是该技 术在生产上情况如何？目前只有山西潞安和厦门两家交钥匙线； ?Schmid的“etch back”技术：需要Schmid清洗机； ?Innovalight 硅墨水印刷： （硅墨水的价格为40美元/公斤。由于用量仅30mg/156电池 片，因此成本可以忽略不计。但Innovalight收取0.088美元/156mm电池片的运营费。目 前国内晶澳已量产1年以上；晶科、英利、韩华等多家公司已购买该技术； 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 6 SE高效电池技术限制： SE电池提高短波区域的吸收效率，但做成组件后，玻璃和EVA材料将短波过滤掉，造成SE组 件电池效率提高有限。但背场钝化却能有效提高对于长波的吸收，从而增加了电池和组件的效率。 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 7 Single or double layer antireflection coatings; Buried contacts formed in grooves cut by a laser; Textured surfaces that allow the light to hit the surface twice; Points contacts on the rear side of the cell that avoid any shadowing losses; A highly reflecting rear surface; Light trapping schemes. Ohmic Recombination All parts resistance that kept well below 1 for 1-sun solar cells Bulk recombination losses Auger recombination: The emitter thickness is kept at a minimum to reduce Auger recombination; Shockley-Read-Hall recombination: Reduced by using base material which is as free from defects as possible. Surface recombination losses Density of surface respectively interface states; Passivation of the Si surface by a high quality thermal oxide. 钝化膜发展过程 Optical LossesElectrical Losses Losses in Solar Cells 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 8 SiO2钝化膜 SiNx钝化膜 -Si钝化膜 Al2O3钝化膜 热氧化，SRVs降低 氧化温度高，降低了载流子体 寿命 京瓷PECVD ,SRVs降低 正电性，不适用于PERC电池，降低 了短路电流密度，产生parasitic shunting PECVD -Si，无parasitic shunting钝化性能对工艺温度太敏感 ALD Al2O3，负电性材料ALD 方式沉积速率低 钝化膜制备方式钝化膜制备方式钝化膜制备方式钝化膜制备方式钝化膜发展过程钝化膜发展过程钝化膜发展过程钝化膜发展过程钝化膜存在的问题钝化膜存在的问题钝化膜存在的问题钝化膜存在的问题 钝化膜发展过程 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 9 背场钝化技术： ?作为背反射器，增加长波光的吸收； ?介于硅基体和铝背场间，可以有效地减少电池片的翘曲； ?钝化层中原子态的氢饱和基体表面悬挂键，从而起到化学钝化作用，包括SiNx钝化层和 ALD-Al2O3钝化层。 ?钝化层中含有一些固定电荷，这些固定电荷会产生场钝化效应，排斥一种载流子，使电 子和空穴不能同时到达背面而产生复合。包括SiNx、SiO2（固定正电荷）和Al2O3（固 定负电荷） 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 10 （背）场钝化技术： 沉积温度低,一般低于400 度 ；薄膜厚度易控制,精 确度高；钝化性能良 好；适合P型背场和N型 发射极钝化,PEALD可满 足工业化生产（3000片 /h）。 N type Al2O3钝化材料钝化材料钝化材料钝化材料SiNx：Ha-Si：HSiO2叠层钝化 典型代表典型代表典型代表典型代表传统电池技术HITPERC、PERLISFH, FISE 特点特点特点特点 沉积温度低（450 ）,良好的体和表 面钝化效果,沉积速 率高适合工业化生 产。 沉积温度低,一般低于 250度,良好的钝化及陷 光效果,可用于制备高效 电池,如Sanyo公司的HIT 电池。采用a-Si钝 化,Sanyo公司得到转换 效率为22.3%的HIT太阳 电池,厚度可降到70 m。 钝化性能高,常用于 制备高效电池,如 UNSW的PERC、PERL 电池。 SiNx/SiO2,SiNx/a- Si,SiO2/Al2O3等,钝 化性能良好,也常用 于制备高效电池。 电池结构电池结构电池结构电池结构 ISFH&TU/e Al2O3/SiOx背面钝化 电池,效率20.4% Fraunhofer ISE a-Si/SiOx背面钝化 电池,效率21.7% 高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展高效电池技术和研究进展 Confidential 11 内内内内 容容容容 概概概概 要要要要 高效高效高效高效电电电电池技池技池技池技术术术术和和和和研研研研究究究究进进进进展展展展 ALD技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 11 22 33 44PEALD设备设备设备设备 AL2O3工工工工艺艺艺艺技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 Confidential 12 Al2O3工艺特性： ? Al2O3 可采用多种气相沉积方法（ALD、 PECVD、PVD）合成； ? 对可见光完全透明的宽带隙非晶介质； ? 折射率1.65（2eV） ? 具有高温热稳定性 （Tcrystallization800），以及UV照 射稳定性； ? 沉积时，含H或者-OH基团 ? 可在钝化晶硅表面的悬挂的H键，并在界 面处形成一层SiO2； AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 Confidential 13 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3工艺结构： Confidential 14 1. Al2O3具有较高的荷负电荷密度； 2. 缺陷密度较低，导致表面符合速率低 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3化学钝化和场钝化： Confidential 15 1. Si/Al2O3界面可形成1！2nm的SiOx，从而类似于Si/SiO2界面； 2. Al2O3在400的退火下，缺陷密度将会“消失”； 3. 沉积的Al2O3膜中的H可以扩散到Si表面，并且可以很好的钝化悬 挂键； AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3化学钝化： Confidential 16 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3沉积手段： Confidential 17 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3不同ALD方法对比： Confidential 18 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3不同ALD方法对比： Confidential 19 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3不同ALD方法对比： Confidential 20 AL2O3工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍工艺技术介绍 AL2O3钝化IQE数据： Confidential 21 内内内内 容容容容 概概概概 要要要要 高效高效高效高效电电电电池技池技池技池技术术术术和和和和研研研研究究究究进进进进展展展展 ALD技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 11 22 33 44PEALD设备设备设备设备 AL2O3工工工工艺艺艺艺技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 Confidential 22 ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 What is ALDWhat is ALDWhat is ALDWhat is ALD？ 原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）, 又称原子层外 延 （Atomic Layer Epitaxy，ALE）, 是一种基于有序、表面自 限制性反应的化学气相沉积薄膜的方法。 T.Suntola(芬兰)在1974年发明，并用ZnC12和H2S来淀积应 用于电致发光器件中的化锌膜，并应用于制备薄膜场致发光 显示器。 Dr.Suntola ,芬兰，现任 Picosun 公司董事 Confidential 23 ALD ALD ALD ALD 沉积过程沉积过程沉积过程沉积过程 a.前躯体交替通入真空室，彼此在气相中不相遇 b.前躯体具有热稳定性，但是彼此之间能剧烈反应 c.一个ALD周期包括两个半反应周期，第一个半反应周期：前躯体与基片表面发生饱和化 学吸附；第二个半反应周期：第二种通入的前躯体与吸附后的第一种前躯体发生化学反 应，产生第一个半反应化学吸附所需的官能团。 ALD Precursor 通入腔室脉冲模式 ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 Confidential 24 ALD ALD ALD ALD 沉积过程沉积过程沉积过程沉积过程 ?ALD Precursor ALD Precursor ALD Precursor ALD Precursor 要求要求要求要求： ?必须具有一定的饱和蒸汽压、且在一定温度范围内具有热稳定性 ?最好是液态和气态（可以是固态，但必须没有烧结等问题） ?必须在表面可化学吸收或者和表面物质快速的发生反应（饱和时间短、 沉积速率高、没有气相反应） ?无自分解状况（具有自限制特性，其会影响厚度、平整度和自制性） ?不能刻蚀，在薄膜或衬底内部分解（避免自限制薄膜生长） ?最好安全无毒、价格便宜 ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 Confidential 25 ALD ALD ALD ALD 沉积过程沉积过程沉积过程沉积过程 ?ALD TemperatureALD TemperatureALD TemperatureALD Temperature要求要求要求要求： ?可以提供原子层淀积反应所需的激活能 ?帮助清除单原子层形成过程中的多余反应物和副产品 Process Window ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 Confidential 26 ALD ALD ALD ALD 特点特点特点特点 ?可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度，形成达到原子 层厚度精度的薄膜； ?不需要控制反应物流量的均一性； ?前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均匀性的薄膜； ?可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，作为台阶覆盖和纳米孔材料 的涂层； ?可以沉积多组份纳米薄层和混合氧化物； ?薄膜生长可在低温(室温到400 )下进行； ?可广泛适用于各种形状的衬底。原子层沉积生长的金属氧化物薄膜用 于栅极电介质、电致发光显示器绝缘体、电容器电介质和MEMS 器件， 而生长的金属氮化物薄膜适合于扩散势垒。 ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 Confidential 27 ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 ALD ALD ALD ALD 限制限制限制限制 Confidential 28 Solar surface passivation ALD技术介绍技术介绍技术介绍技术介绍 Confidential 29 内内内内 容容容容 概概概概 要要要要 高效高效高效高效电电电电池技池技池技池技术术术术和和和和研研研研究究究究进进进进展展展展 ALD技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 11 22 33 44PEALD设备设备设备设备 AL2O3工工工工艺艺艺艺技技技技术术术术介介介介绍绍绍绍 Confidential 30 ? Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 在太阳能电池中应用回顾在太阳能电池中应用回顾在太阳能电池中应用回顾在太阳能电池中应用回顾 1989 年, R. Hezel 等人通过热解三异丙醇铝沉积了Al2O3 薄膜, 并首次用 于硅表面的钝化。 2006 年, B. Hoex 等人采用原子层沉积方法合成了对晶体硅具有优异钝化特 性的氧化铝薄膜,激起了人们对于这种表面钝化材料的兴趣。 之后，由于ALD技术的缺陷，沉积速率的限制，使之难以在太阳能工业中大规 模使用，但是凭借ALD Al2O3对电池良好的钝化性能，还是引起人们广泛的关 注；另一方面，人们也在努力提升ALD的沉积速率，其中P. Poodt 等人提出 了基于空间分离的高速ALD 概念, 使沉积速度提高到70 nm/ min； 2008 年, S?Miyajima 等人报道了利用实验室PECVD 设备制成的表面复合速 率约10 cm/ s 的28 nm 厚A lOx 薄膜。 PEALD设备设备设备设备 Confidential 31 PEALD设备设备设备设备 2009 年, P. Saint，Cast 等人 22 采用在线工业用PECVD 系统( Roth& Rau SiNA) , 以N2O、三甲基铝和氩气的混合气作为反应气体, 在1 . cm p 型区熔单晶FZ 硅表面沉积氧化铝。 2009年，Levitech开始进行Al2O3太阳能电池钝化的研究，不断提升ALD工 艺，开始在欧洲光伏展进行报道； 2011年Levitech推出用于太阳能电池背钝化工艺的产业化设备； 2011年9月欧洲光伏展，Roth & Rau正式推出面向大产能的MAiA设备,并承诺 将电池效率提升1%2%； 2011年9月芬兰Beneq 推出应用于太阳能工业的TFS 500 ALD设备。 目前，世界上面向太阳能领域的只有Roth & Rau、Beneq 、Solaytec 和Levitech这四家欧洲设备厂商提供成熟的设备，其中国内已经有电池 片厂在开发N型高效电池制作工艺中使用该工艺。 Confidential 32 PEALD设备设备设备设备 ? 两种沉积技术两种沉积技术两种沉积技术两种沉积技术： Confidential 33 ? T T T T- - - -ALDALDALDALD示意图示意图示意图示意图 A-typeB-type PEALD设备设备设备设备 Confidential 34 ? PAPAPAPA- - - -ALDALDALDALD示意图示意图示意图示意图 PA-ALD PEALD设备设备设备设备 Confidential 35 PEALD设备设备设备设备 ? ALDALDALDALD设备技术代表设备技术代表设备技术代表设备技术代表 Confidential 36 PEALD设备设备设备设备 ? ALDALDALDALD设备对比设备对比设备对比设备对比 NMC设备目前属于试验型设备，可以满足125单晶片AL2O3 DEMO测试的要求。计划2012年5月份 发布相关工艺设备，2012下半年正式推出商业性AL2O3 ALD设备。 -2-4%5%片间薄膜厚度均匀性 单面单面单面单面单面镀膜面 3-4151.87220-50沉积速率(nm/min) 3440.25-周期时间(s) 10-80大气压-大气压10-20反应压力(Pa) 300150-250150-250300350反应温度() 脉冲连续，彼此通过N2隔开脉冲进气连续，彼此通过N2隔开连续气体输运模式 ArN2-N2无冲