一种介质钝化膜和太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种介质钝化膜和太阳能电池及其制备方法，具体地公开了一种适用于硅基材料的表面介质钝化膜，该介质钝化膜是位于硅基材料表面的氮化硅介质钝化膜，钝化膜中含有选自下组的掺杂元素：使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素、使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素、或其组合。本发明专利技术的表面介质钝化膜不仅具有优异的抗反射性和钝化性，而且可具有光照增强钝化效果，且在短时间的光照下就能到达饱和钝化值。此外，本发明专利技术还公开了一种含有该表面介质钝化膜的镀膜硅基材和太阳能电池及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种介质钝化膜和太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池材料领域，具体地涉及一种用于硅基材料表面的含有掺杂元素的氮化硅介质钝化膜，以及含有介质钝化膜的硅基太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
半导体材料是制备光伏太阳能电池的核心材料，然而这些半导体材料（例如，硅）的表面会存在一定数量的悬挂键等表面复合中心，这些复合中心会使载流子在半导体表面产生复合，减小载流子的寿命，最终制约太阳能电池的效率。因此，载流子在半导体材料表面的复合是制约太阳能电池效率提高的一个重要因素。通常可以通过在硅材料表面生长一层钝化膜的方法来降低表面悬挂键的数量，从而达到表面钝化的效果。这种由降低半导体材料表面悬挂键的钝化方法通常称为化学钝化。常用的化学钝化膜有：Al2O3，SixNy，a-Si，SiO2，TiO2等。PECVD是最为常用的一种膜生长方法，也是传统晶体硅太阳能工业中标准的钝化膜生长方法，可以有效在硅基材料上生长SixNy，a-Si，SiO2等钝化膜材料；最近用ALD方法来生长Al2O3钝化膜也越来越受到重视，然而该方法受限于ALD的较慢的膜生长速率和较高的设备投入，无法在现今的行业形势下被大规模采用。众所周知，晶体硅太阳能电池在光照作用下会发生效率衰减，这种现象被称为光致衰减现象。多晶硅太阳能电池当中的光致衰减主要是由于Fe-B化合物引起的；而在单晶硅太阳能电池中，光致衰减主要是由B-O化合物引起的。这些光致衰减是由晶体硅中的Fe、O含量决定的，然而当前的太阳能硅片生产工艺很难在适当价格范围内有效的降低这些杂质元素的含量。研究者自然的想到，要是能够专利技术一种能够在光照下表面钝化效果会加强的钝化膜，就能有效地抵消由Fe-B或者B-O化合物引起的光致衰减，甚至还能实现在光照情况下太阳能电池效率的增强；R.Hezel等人研究发现，在紫外光照下，对于p型硅表面，紫外光会对Al2O3钝化效果起到增强作用，使表面态进一步减少，增大表面固定电荷密度，减小表面复合速率(J.Electrochem.Soc.136，518(1989))；而紫外光照对SixNy钝化效果起到削弱作用，增大表面复合速率(ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications，1997，5:29-50.)。文献中R.Hezel提到了通过在氮化硅中掺入一定量铯的方法来改变氮化硅钝化效果在紫外光照下的稳定，但不能使其在光照的情况下发生钝化增强的现象(JournalofTheElectrochemicalSociety，1984，131:1679-1683)。随后，出现众多关于光照对硅表面钝化膜的钝化效果影响的研究，因此给出了很多关于光照对常见的硅表面钝化膜的影响的研究结果，如研究发现紫外光或聚焦太阳光照下，用于钝化的热氧化二氧化硅钝化效果不稳定，而氮化硅钝化的FZ硅片的有效寿命在紫外光照下会有一定程度的衰减(J.Appl.Phys.113，024509(2013))。AndrewF.Thomson等通过大气压化学气相沉积（APCVD）法对n型硅片沉积TiO2膜实现了光照增强钝化的作用，并且在暗处放置一段时间后钝化效果会恢复到光照前的状态（Prog.Photovolt:Res.Appl.2012;20:343-349）。最近，Baochen等发现光照对Al2O3作为钝化层对n型与p型硅的钝化同样起到增强作用，暗处放置钝化效果恢复到光照前的状态(J.Appl.Phys.113，024509(2013))。由于Al2O3的生长工艺一般是ALD，成本较高，并且在光照下，Al2O3的钝化的硅片有效少子寿命从退火后的数值升高到饱和值所用时间较长，需80小时左右，暗处放置，这种钝化增强效果还会恢复到光照前的状态(J.Appl.Phys.113，024509(2013))。一天24小时，按一天中有12小时光照时间来计算，应用到硅太阳能电池上面的Al2O3来不及提升钝化效果到饱和钝化值的十分之一就要衰减到光照前的状态，由此说明，用氧化铝膜钝化的光增强作用在常规太阳能器件的应用上并不能发挥其实际的作用。倘若在不改变晶体硅太阳能工业上生产氮化硅的生产工艺（PECVD），不增加或增加较低成本的前提下，对氮化硅表面介质钝化膜进行改性，使其既具有优异的抗反射特性与钝化特性，又能在光照下产生钝化效果增强的作用，并且在短时间光照下即可提升到饱和钝化值，这样将有效提升太阳能电池的实际发电量，必将成为晶体硅太阳能领域的一个重大的技术突破，推动太阳能电池的进一步推广使用。本专利技术中的钝化膜正是基于这样的一种考虑开发出来的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于硅基材料上的具有元素掺杂的氮化硅介质钝化膜，以及含有该介质钝化膜的硅基太阳能电池及其制备方法。本专利技术第一方面提供了一种适用于硅基材料的表面介质钝化膜，所述的表面介质钝化膜包括位于硅基材料表面的氮化硅介质钝化膜，并且所述的氮化硅介质钝化膜中含有掺杂元素，所述掺杂元素选自下组：使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素、使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素、或其组合；其中，所述使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素选自：磷、砷、锑或其组合；所述使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素选自：硼、铝、镓、铟、铊、锌或其组合。在另一优选例中，所述的掺杂元素以钝化有效量存在。在另一优选例中，在所述的氮化硅介质钝化膜之上（远离硅基材的一侧）还具有非氮化硅介质钝化膜或额外的氮化硅介质钝化膜。在另一优选例中，在所述的氮化硅介质钝化膜之下（靠近硅基材的一侧）还具有非氮化硅介质钝化膜或额外的氮化硅介质钝化膜，并且所述的非氮化硅介质钝化膜不改变氮化硅介质钝化膜对硅基材料的场钝化效果。在另一优选例中，所述非氮化硅介质钝化膜为含有选自下组成分的介质钝化膜：SiO2、TiO2、Al2O3、a-Si、ITO、c-Si或其组合。在另一优选例中，在所述的非氮化硅介质膜中还含有：所述使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素；和/或所述使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素。在另一优选例中，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电负性，掺杂元素的总含量为0.01-50％，较佳地为1-30％，更佳地为2-20％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。在另一优选例中，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电正性，掺杂元素的总含量为0.01-50％，更佳地为1-30％，更佳地为2-20％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。在另一优选例中，所述氮化硅介质钝化膜的总电性为正电性，并且所述的硅基材料为n型或p型，优选为n型；或者所述氮化硅介质钝化膜的总电性为负电性，并且所述的硅基材料为p型或n型，优选为p型。在另一优选例中，所述的氮化硅介质钝化膜是通过化学气相沉积法或物理气相沉积法形成的。在另一优选例中，所述的非氮化硅介质钝化膜是通过化学气相沉积法或物理气相沉积法形成的。在另一优选例中，所述化学气相沉积法包括：PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等。在另一优选例中，所述物理气相沉积法包括：溅射、蒸镀等。在另一优选例中，所述的氮化硅介质钝化膜中氮化硅的制备主要采用与现有的常规硅基太阳能电池设备兼容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于硅基材料的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的表面介质钝化膜包括位于硅基材料表面的氮化硅介质钝化膜，并且所述的氮化硅介质钝化膜中含有掺杂元素，所述掺杂元素选自下组：使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素、使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素、或其组合；其中，所述使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素选自：磷、砷、锑或其组合；所述使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素选自：硼、铝、镓、铟、铊、锌或其组合。

【技术特征摘要】
1.一种适用于硅基材料的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的表面介质钝化膜包括位于硅基材料表面的氮化硅介质钝化膜，并且所述的氮化硅介质钝化膜中含有掺杂元素，所述掺杂元素选自下组：使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素、使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素、或其组合；其中，所述使氮化硅介质钝化膜表现为负电性的掺杂元素选自：磷、砷、锑或其组合；所述使氮化硅介质钝化膜表现为正电性的掺杂元素选自：硼、铝、镓、铟、铊、锌或其组合；并且，所述氮化硅介质钝化膜的总电性为正电性，并且所述的硅基材料为n型或p型；或者所述氮化硅介质钝化膜的总电性为负电性，并且所述的硅基材料为p型或n型；并且，所述表面介质钝化膜是采用如下方法制备的：(a)提供一硅基材料；(b)在第一气体、第二气体和第三气体存在下，进行化学气相沉积反应，在所述硅基材料表面之上形成氮化硅介质钝化膜，从而制得所述的表面介质钝化膜或具有所述表面介质钝化膜的镀膜硅基材；其中，所述第一气体为硅烷或乙硅烷气体；所述第二气体为氨气；所述第三气体为含掺杂元素的气体，并且所述第三气体选自：磷化氢、砷化氢、锑化氢、铋化氢、三氟化磷、五氟化磷、硼烷、三氟化硼、三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、二乙基锌(DeZn)或其组合；并且，在形成氮化硅介质钝化膜之后，对所述镀膜硅基材进行退火处理；并且，所述退火处理在150-420℃进行。2.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电负性，掺杂元素的总含量为0.01-50％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。3.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电负性，掺杂元素的总含量为1-30％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。4.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电负性，掺杂元素的总含量为2-20％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。5.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电正性，掺杂元素的总含量为0.01-50％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。6.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电正性，掺杂元素的总含量为1-30％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。7.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的掺杂元素使氮化硅介质钝化膜表现为电正性，掺杂元素的总含量为2-20％，按所述氮化硅介质钝化膜中掺杂元素所在膜层的总原子数量计。8.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的氮化硅介质钝化膜是通过化学气相沉积法或物理气相沉积法形成的。9.如权利要求8所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述的氮化硅介质钝化膜中氮化硅的制备主要采用与现有的常规硅基太阳能电池设备兼容的等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长设备。10.如权利要求1所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述硅基材料的表面之上具有单层膜或多层复合膜，并且至少一层膜为所述的氮化硅介质钝化膜，同时该单层或者多层复合膜的总电性为负电性或者正电性。11.如权利要求10所述的表面介质钝化膜，其特征在于，所述多层复合膜包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶继春，王洪喆，高平奇，潘淼，韩灿，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33