一种单晶硅钝化接触结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单晶硅钝化接触结构及其制备方法，包括单晶硅片，单晶硅片的正反面均交替沉积有n层HfO

【技术实现步骤摘要】
一种单晶硅钝化接触结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于晶体硅太阳能电池领域，涉及一种组分渐变氧化铪/氮化铪多层薄膜的单晶硅钝化接触结构，以及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着单晶硅片的少子寿命大幅提高和厚度不断减少，如何减少硅片表面的载流子复合是进一步提高晶体硅太阳能电池效率的关键。表面钝化可以分为化学钝化和场效应钝化两类，其中化学钝化是通常使用介质薄膜与硅表面的悬挂键(未配位的硅原子)结合来实现减少界面处缺陷密度的作用。场效应钝化是通过向界面下掺杂或是在界面处形成固定电荷获得内建电场，屏蔽硅片界面处的电子或空穴浓度，减少硅片界面处的少数载流子(少子)浓度，降低界面的载流子复合，最终实现表面钝化的作用。
[0003]目前晶体硅太阳能电池的表面钝化通常采用氧化硅、氮化硅、氧化铝等半导体介质薄膜，其钝化工艺发展非常成熟。热生长的二氧化硅薄膜(SiO2)可以用作任意掺杂水平的n型和p型单晶硅的表面钝化层，并通过退火可以显著提高其钝化性能。氢化非晶氮化硅(a-SiN
x
:H)为p型晶体硅的重掺杂n型发射极提供了良好的前表面钝化，同时也起到了电池前表面的抗反射作用。氧化铝(AlO
x
)在退火后具有较高的负固定电荷密度，该固定电荷将电子从界面中屏蔽出来，引起有效的场效应钝化，对p型和n型晶体硅均具有良好的表面钝化作用。然而这些氧化硅、氮化硅、氧化铝等表面钝化层都是绝缘材料，导电性能很差，通常需要对对这些钝化层进行开孔，然后再制备金属电极以完成光生载流子的电学输运，这个局部的金属与硅的接触将成为复合损失的来源。
[0004]为了减少晶体硅表面的复合和避免金属电极与晶体硅的直接接触，在金属与硅片之间插入超薄氧化硅作为隧穿层和重掺杂的微晶硅作为载流子收集层，从而实现硅片的全表面钝化和选择性接触，这就是目前光伏行业非常热门的隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术。由于作为隧穿层的二氧化硅通常只有1.0～2.0nm，多晶硅中重掺杂的杂质在晶体硅电池的后续退火工艺中会扩散进入二氧化硅，导致二氧化硅对晶体硅的钝化效果变差。因此，寻找更合适的全表面钝化和选择性接触技术，既能对晶体硅具有优异的钝化性能，同时有具有良好的电学接触功能，对进一步提高晶体硅太阳能电池的效率非常重要。
[0005]氧化铪(HfO
x
)是一种宽禁带和高介电常数的材料，对晶体硅表面具有良好的钝化性能，而且通过调控氧化铪中氧空位的浓度可以改变其电学性能。通过调控氮化铪(HfN
y
)中氮的组分，其导电性能可以从绝缘性转变到金属性。在退火的过程中，氮化铪/氧化铪叠层与晶体硅界面之间会形成一层超薄的氧化硅，进一步增强了对硅表面的钝化效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是通过调控氧化铪中氧空位的浓度，以及调控氮化铪(HfN
y
)中氮的组分比例，提供一种组分渐变氧化铪/氮化铪多层薄膜的单晶硅钝化接触结构。
[0007]本专利技术的另一目的是提供上述结构的制备方法。
[0008]为此，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种单晶硅钝化接触结构，包括单晶硅片，其特征在于：单晶硅片的正反面均交替沉积有n层HfO
x
和HfN
y
，n＝5-20；每一层HfO
x
或HfN
y
的厚度为3nm，其中最接近单晶硅片的为第1层，即HfO
x1
和HfN
y1
，最远离单晶硅片的为第n层，即HfO
xn
和HfN
yn
；其中：2.0>x1>x2>
…
>x9>xn>1.0，1.33>y1>y2>
…
>y9>yn>0.67。
[0009]优选地，n＝10。
[0010]本专利技术还采用这样的技术方案：一种单晶硅钝化接触结构的制备方法，包括下述步骤：
[0011]1)清洗单晶硅片；
[0012]2)采用磁控溅射法生长组分渐变的氧化铪/氮化铪多层薄膜：
[0013]溅射用的靶材为金属铪(Hf)靶，纯度大于99.999％；溅射工作气体氩气(Ar)、反应气体氧气(O2)和氮气(N2)的纯度大于99.999％；硅片衬底温度为150～250℃，薄膜生长时腔内的工作气压为0.5～1.0Pa，溅射功率为10～15W；每层薄膜的生长厚度设置为3nm；具体生长工艺如下：
[0014]a1)清洗后的单晶硅片用1％氢氟酸溶液浸泡，去除硅片表面的氧化层；
[0015]a2)对溅射腔体抽真空，直至真空度优于5
×
10-5
Pa；
[0016]a3)铪靶预溅射：溅射腔通入氩气，溅射功率为50-100W，溅射时间为5-10min，去除靶材表面的污染物和氧化层；
[0017]a4)硅片正面溅射第一层氧化铪(HfO
x1
)薄膜：溅射腔通入反应气体氧气，HfO
x1
薄膜生长结束以后，关闭氩气和氧气阀门；
[0018]a5)硅片正面溅射第一层氮化铪(HfN
y1
)薄膜：当腔室的真空度优于5
×
10-3
Pa时，重新打开氩气阀门，并通入反应气体氮气，HfN
y1
薄膜生长结束以后，关闭氩气和氮气阀门；
[0019]a6)重复上述a4)和a5)步骤，在硅片正面依次生长HfO
x2
、HfN
y2
、HfO
x3
、HfN
y3
、
……
、HfO
xn
、HfN
yn
薄膜；
[0020]a7)通过机械手在不破真空的情况下翻转硅片，然后在硅片背面生长HfO
x
和HfN
y
多层薄膜，方法与正面相同；
[0021]3)退火处理：
[0022]在硅片前后表面生长完HfO
x
和HfN
y
多层薄膜以后，放入短波红外线快速退火炉中，抽真空，以氩气为保护气体，炉膛温度升温至600～650℃，保温60～120s，然后冷却至室温。
[0023]作为优选的技术方案，在步骤2)中，溅射过程中氩气的流量保持为32sccm；氧气和氮气的流量在溅射第一层薄膜时为32sccm，然后每次减少3sccm。
[0024]本专利技术采用反应磁控溅射方法沉积组分渐变的HfO
x
/HfN
y
多层薄膜，对单晶硅实现全表面钝化和选择性接触，可以克服上述提到的隧穿氧化层钝化接触技术的缺陷，并具有不使用危险气体(硅烷、磷烷或硼烷)、沉积速度快、成本低等优点。在单晶硅表面沉积氧空位浓度低的HfO<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅钝化接触结构，包括单晶硅片，其特征在于：单晶硅片的正反面均交替沉积有n层HfO
x
和HfN
y
，n＝5-20；每一层HfO
x
或HfN
y
的厚度为3nm，其中最接近单晶硅片的为第1层，即HfO
x1
和HfN
y1
，最远离单晶硅片的为第n层，即HfO
xn
和HfN
yn
；其中：2.0&gt;x1&gt;x2&gt;
…
&gt;x9&gt;xn&gt;1.0，1.33&gt;y1&gt;y2&gt;
…
&gt;y9&gt;yn&gt;0.67。2.如权利要求1所述的一种单晶硅钝化接触结构，其特征在于：n＝10。3.一种权利要求1或2所述单晶硅钝化接触结构的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：1)清洗单晶硅片；2)采用磁控溅射法生长组分渐变的氧化铪/氮化铪多层薄膜：溅射用的靶材为金属铪(Hf)靶，纯度大于99.999％；溅射工作气体氩气(Ar)、反应气体氧气(O2)和氮气(N2)的纯度大于99.999％；硅片衬底温度为150～250℃，薄膜生长时腔内的工作气压为0.5～1.0Pa，溅射功率为10～15W；每层薄膜的生长厚度设置为3nm；具体生长工艺如下：a1)清洗后的单晶硅片用1％氢氟酸溶液浸泡，去除硅片表面的氧化层；a2)对溅射腔体抽真空，直至真空度优于5
×
10-5
P...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仕华，康桥，丁月珂，李林华，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：