[发明专利]复合硅基材料及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光伏领域，具体地涉及太阳电池用复合硅基材料和太阳电池及其制法。

背景技术

晶体硅电池由于其高转换效率、高稳定性、高寿命、成熟的发展技术而成为太阳能电池的主流，占有大部分市场份额，所以硅片的质量对电池性能而言显得极为重要。晶体硅材料表面的复合中心，如悬挂键、断键、杂质等会使光生载流子湮灭，缩短了载流子的扩散长度，使得硅表面成为影响少子寿命的关键因素。因此，提高硅表面性能是太阳能电池制备过程中的重要一环。

目前应用较多的是在硅材料表面生长一层钝化膜来降低其表面复合速率。常用的钝化膜材料有SiO_x、a-SiN_x:H、a-Si:H、Al₂O₃、TiO₂等。相较于其他材料，热氧化制备的SiO_x具有低表面复合速率(S_eff<20cm/s)，与Si衬底晶格匹配度高，能引入H元素增加化学钝化，界面态缺陷密度小等特点，对Si表面有明显钝化及减反效果。所以SiO_x不失为钝化膜的一种理想选择。

热氧化技术制备SiO_x薄膜已经相当成熟，但前人通过大量的实验表明，实验室中SiO_x膜在高温(1100～1200℃)氧化条件下钝化效果最好。但长时间的高温过程容易使质量较差的单、多晶硅衬底产生缺陷，复合加强，对硅片的体寿命产生不利影响，从而影响整个太阳电池的性能；另一方面，高温条件会加速有害杂质扩散至硅片体内，并且高温过程操作复杂，成本较高。介于高温热氧化法的上述缺陷，采用低温沉积的方法制备太阳电池表面钝化膜越来越受到人们的关注。

传统工艺PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)制备的SiO_x薄膜带少量正电(Q_f～10¹¹cm^-2)，这个数量级的界面电荷对N型硅衬底起不到有效场钝化，同时也不会在P型衬底上造成反型层，不会导致并联电阻降低，短路电流变小，所以，传统方法制备的SiO_x层本身对P或者N型衬底均只起到较好的化学钝化作用，不能提供电场钝化作用。近期研究结果显示，Al₂O₃带一定量的负电荷(Q_f～-4×10¹²cm^-2)，不仅能对P型衬底提供良好的化学钝化还能提供场钝化，所以Al₂O₃是目前为止最理想的P型衬底钝化材料。但是制备仪器ALD的高投入以及Al₂O₃生长速率较慢，无法在现今行业的大背景下大规模应用于市场。综上所述，利用PECVD制备SiO_x如能克服在场钝化中的劣势，其单层或叠层薄膜就能成为理想的钝化材料。

SiO_x作为太阳能电池的钝化膜已有悠久的历史，早在1998年，新南威尔士大学(University of New South Wales)的J H Zhao等人(J.H.Zhao,A.H.Wang,M.A.Green,19.8％efficient“honeycomb”textured multicrystalline and 24.4％monocrystalline silicon solar cells,Appl.Phys.Lett.1998,73,1991)在硅表面生成陷光结构，再用单层SiO₂进行钝化处理制备得到转化效率高达24.4％的单晶硅太阳能电池。为改变SiO₂薄膜的带电量及其正负性，研究人员尝试用电晕充电的方式(S.W.Glunz,D.Biro,S.Rein,W.Warta,Field-effect passivation of the SiO2Si interface,J.Appl.Phys.1999,86,683)，通过在薄膜上方增加个强电场，使薄膜产生对应感应电荷(H Jin,K.J.Weber,N.C.Dang,W.E.Jellett,Defect generation at the Si-SiO2interface following corona charging,Appl.Phys.Lett.2007,90,262109)。薄膜电荷的正负性取决于电场方向，薄膜带电量的大小取决于电场大小。这种方法制备的钝化膜容易在紫外线辐照时被还原，失去原有的带电性。