氮化硅掩膜表面的网印工艺

氮化硅掩膜表面的网印工艺

1选择性发射极晶体硅太阳电池的实现方法近年来，照明行业以40%以上的速度和速度快速发展。人们从各个应用领域对太阳电池进行研究,其中研究的最重要目标是提高效率,降低成本。在常规晶体硅太阳电池中,为了减小电极和硅片的接触电阻,通常要求扩散后方块电阻为40Ω/□左右的高浓度掺杂,但此时电池的顶层复合大,限制了电池的转换效率。选择性发射极作为晶体硅太阳能电池生产工艺中实现高效率的方法之一,能够很好地解决这一常规晶体硅太阳电池生产工艺所不能解决的矛盾,提高电池的转换效率。选择性发射极有多种实现方法,譬如在电极区印刷高浓度磷浆后放入扩散炉中扩散;硅片表面不同区域沉积不同浓度的磷硅玻璃;以及一些其它的新工艺。虽然表现出了比常规晶体硅太阳电池更好的电性能,但是上述方法成本太高,无法大批量生产,有必要寻求一种新的选择性发射极的实现方法。本文研究了一种选择性发射极晶体硅太阳电池的实现方法。在制绒清洗后的硅片上等离子增强化学气相沉积一定厚度的SiNx掩膜,然后采用丝网印刷腐蚀浆料的方式腐蚀出电极图形,经过三氯氧磷液态源扩散完成重扩,去除氮化硅掩膜后进行浅扩最终实现选择性发射极。本方法旨在通过改进生产工艺,避免常规晶体硅太阳电池工艺的技术缺陷,在较低成本下实现高效太阳电池。2择性发射极太阳电池更有利于提高光生载流子的收集率图1(a)为常规晶体硅太阳能电池,图1(b)为选择性发射极晶体硅太阳电池。选择性发射极晶体硅太阳电池的特点是在电极区掺杂浓度高,而光吸收区掺杂浓度低,这样便在低掺杂区和高掺杂区交界处获得一个横向n+/n高低结,并在电极栅线下获得一个n+/p结。图2为常规晶体硅太阳电池和选择性发射极太阳电池的能带图。对比图2(a)、2(b)可知:与常规晶体硅太阳电池相比,选择性发射极太阳电池更有利于光生载流子的收集,尤其能提高短波光生载流子的收集率。由半导体物理知识可以知道常规晶体硅太阳电池的接触势垒为:qVD1=kTlnN+ANDn2i(1)qVD1=kΤlnΝA+ΝDni2(1)而选择性发射极太阳电池的接触势垒为:qVD2=kTlnN+AND+n2i(2)qVD2=kΤlnΝA+ΝD+ni2(2)明显有qVD2>qVD1,所以选择性发射极太阳电池与常规晶体硅太阳电池相比,提高了输出电压。金属和半导体的接触电阻和半导体的掺杂浓度有密切的关系,掺杂浓度越高,接触电阻越小。采用高的表面浓度和相对较深的结深,相比在其它各处都采用一样的较低的表面杂质浓度和结深是可以获得更低的接触电阻的。这就是说,相比之下,选择性发射极太阳电池可以形成良好的欧姆接触,从而获得更小的串联电阻。另外选择性发射极太阳电池在光吸收区采用较低的表面掺杂浓度,相比常规晶体硅太阳电池可以显著地减小光生少数载流子的表面复合。另外,低的表面掺杂浓度的表面钝化效果优于高掺杂,可以进一步减少表面态密度,从而进一步减小光生少数载流子的复合。总而言之,相比常规晶体硅太阳电池,选择性发射极晶体硅太阳电池在开路电压、短路电流密度和填充因子上都具有一定的优势,能够提高电池的转换效率。3阳电池的方法,工艺流程本文研究采用氮化硅作为掩膜实现选择性发射极晶体硅太阳电池的方法,工艺流程如图3所示。实验采用125×125cm2、厚度为200μm的原始硅片,各向异性腐蚀制绒,之后使用盐酸去金属离子,完成制绒清洗工艺。3.1pecvd氮化硅薄膜减反剂氮化硅薄膜能有效阻挡Na、P等元素的扩散,能够作为有效的扩散阻挡层。为了达到理想的扩散阻挡效果,要求制备的氮化硅薄膜具有高的致密性。在常规晶体硅太阳电池工艺中,一般采用PECVD氮化硅薄膜作为减反膜,减少入射光的反射以增加电池的光生载流子,另外为了达到很好钝化效果,这层氮化硅薄膜含有一定量的氢。采用PECVD的方法制备的氮化硅薄膜具有良好的均匀性,但是薄膜各处含氢量不一样,而且扩散高温下氢会从掩膜中快速逸出,从而导致薄膜致密性的不均匀,最终部分区域没有有效阻挡。通过改变射频功率、硅烷和氨气的流量比,减少掩膜中的氢含量,改善氮化硅掩膜的扩散阻挡性能。本文所使用的氮化硅掩膜沉积厚度为80nm,折射率为2.3。3.2印刷腐蚀浆料采用金属化时使用的传统丝网印刷机将由一定量的磷酸和添加剂组成的腐蚀浆料印刷在待腐蚀区域,完成开窗过程。采用丝网印刷腐蚀浆料的方式实现氮化硅掩膜的开窗,去除电极区下的氮化硅,相对于激光熔融、光刻和等离子刻蚀等方法,具有很高的产量,而且设备投资和运营成本也低。之后采用液态源POCl3进行扩散,电极区重扩方块电阻为10Ω/□。然后去除氮化硅掩膜,同样采用液态源POCl3完成浅扩,浅扩区方块电阻为80Ω/□,最终实现选择性发射极。4结果与讨论4.1热生长和高温氧化对电池电性能参数的影响常见的扩散掩膜除了氮化硅还有二氧化硅,本文选择使用氮化硅作为扩散阻挡掩膜有以下两点原因:(1)氮化硅相对二氧化硅具有更佳的阻挡性能,它能阻挡二氧化硅所不能阻挡的元素。此时氮化硅除了作为扩散掩膜还能防止其他杂质元素扩散进入硅片;(2)二氧化硅一般采用高温热生长的方法,而本文的氮化硅掩膜使用等离子增强化学气相沉积的方法,沉积温度远低于热生长二氧化硅的高温。众所周知,高温对硅片存在一定的热损伤,会影响硅片的少子寿命。为了考察高温对电池电性能参数的影响,取20片绒面片,分为A、B两组各10片,其中A组进行高温氧化,去氧化膜与B组使用相同工艺做成电池片。两者的电性能参数如表1所示。从表1中可以看出,经过高温处理后电池的开路电压和电流密度均有所下降,转化效率下降了0.15个百分点。因此可以认为采用二氧化硅掩膜制备选择性发射极存在硅片高温热损伤带来的弊病,这是本文研究氮化硅掩膜法制备选择性发射极晶体硅太阳电池的重要出发点。4.2填充因子依据本实验方法制备的选择性发射极太阳电池和常规太阳电池的电性能参数如表2所示。从表2可以看出,选择性发射极电池的开路电压(630mV)比常规太阳电池的开路电压(625mV)高,这是因为开窗处的重扩和光吸收区的浅扩所形成的选择性发射极结构使得太阳电池多了一个横向n+/n高低结和一个横向n/p结,这有利于提高输出电压;短路电流密度提高了0.27mA/cm2,这是由于光吸收区低的表面杂质浓度减小了光生少数载流子的表面复合,在高载流子产生率的区域获得高的收集率。但由于仍采用丝网印刷方式印刷金属栅线,遮光面积较大,所以短路电流密度提高的幅度受到了限制;填充因子升高幅度不大,具体原因需要进一步分析。最终体现在电池效率上选择性发射极太阳电池较常规太阳电池提高了0.3%。4.3阳电池内量子效率对比太阳电池的光谱响应是指光电流与入射光波长的关系。图4为选择性发射极太阳电池和常规太阳电池内量子效率对比图,从图4中可以看出,选择性发射极太阳电池相对于常规太阳电池有更好的短波响应。常规太阳电池由于前表面掺杂浓度比较高,所以短波响应差,而选择性发射极太阳电池光吸收区的掺杂浓度低,有效地减少了顶层的表面复合,具有非常好的短波响应。5本方法的优缺点本文采用氮化硅掩膜法制备选择性发射极晶体硅太阳电池。首先采用氮化硅作为掩膜避免了使用二氧化硅掩膜所带来的高温损伤的缺点;其次本方法