[发明专利]一种多晶硅多晶粒薄膜的制备工艺

说明书

本发明提供一种多晶硅多晶粒薄膜的制备工艺，包括以下步骤：(1)在单晶硅衬底上制备SiO₂隔离层；(2)采用光刻掩膜法对SiO2隔离层进行腐蚀，暴露出单晶硅衬底，其中暴露出的单晶硅衬底为成核区域，得到不均匀成核衬底；(3)采用常压化学气相沉积法在步骤(2)制得的不均匀成核衬底上外延生长多晶硅薄膜。本发明通过在单晶硅衬底上制备SiO₂隔离层；然后采用光刻掩膜法腐蚀SiO₂层，暴露出单晶硅，制成不均匀成核衬底，然后用常压化学气相沉积外延生长多晶硅薄膜，制备出大晶粒的多晶硅薄膜；本发明所述制备方法能高速制备出高质量大晶粒多晶硅薄膜，从而提高多晶硅薄膜电池的性能，促进多晶硅薄膜电池的产业化应用。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种多晶硅多晶粒薄膜的制备工艺。

背景技术

多晶硅薄膜太阳电池兼有晶体硅太阳电池(高效、长寿命、性能稳定、材料丰富无毒性等)和薄膜太阳电池(材料消耗少，成本低)的优点，成为国际上太阳能领域的研究热点。日本三菱公司在石英(SiO₂)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率达16.5％，德国Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅(SiC)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳电池的转换效率分别为11％和9.3％，日本SONY公司用多孔硅分离技术制备的多晶硅薄膜太阳电池的转换效率达12.5％。但由于工艺技术和加工设备的限制，目前多晶硅薄膜电池的产业化尚有许多问题急需解决。采用增大晶粒尺寸以增加载流子迁移率是改善多晶硅薄膜太阳电池效率的重要工艺措施之一。

目前，制备多晶硅薄膜的技术有很多种，可分为高温法和低温法、或直接法或间接法。其中，高温直接沉积多晶硅薄膜的方法有常压化学气相沉积(APCVD)和快速热化学气相沉积(RTCVD)。高温沉积的温度一般为800～1200℃，在此温度范围生长的多晶硅薄膜晶粒大、膜层质量好、并且膜层生长速率高；但是通过此方法在异质衬底(如玻璃、陶瓷)上沉积多晶硅薄膜获得的晶粒尺寸通常很小，而对于多晶硅薄膜中的晶粒尺寸过于小，则会使得加剧晶界复合，从而降低多晶硅薄膜太阳能电池的性能。

在实际工业中常采用再结晶技术增大晶粒尺寸，以改善薄膜结晶质量和电学性能。区熔再结晶(ZMR)和大面积晶化(LAR)是高温法常使用的再结晶技术。通过在高温下使多晶硅层熔融、再结晶，使晶粒长大。采用快速热化学气相沉积与区熔再结晶结合的制备方法能够在廉价耐高温衬底制备出了效率超过10％的薄膜电池，但是区熔再结晶工艺复杂，且成本过于高，难以实现产业化。

间接法一般是把预先沉积的非晶硅薄膜通过一定工艺技术转换为多晶硅，主要包括固相晶化(SPC)、金属诱导横向晶化(MILC)、微波晶化和准分子激光晶化(ELC)等。

固相晶化法是先在衬底上沉积非晶硅薄膜，然后热退火，使非晶硅结晶以获得多晶硅。主要特点是非晶硅发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。制备的多晶硅薄膜的晶粒尺寸与退火温度、非晶硅薄膜的初始结构状况有关。与直接采用CVD沉积的多晶硅相比，固相晶化法获得的多晶硅晶粒尺寸更大。该技术在较低的温度下退火时(如受玻璃衬底的限制在600℃左右)，时间长达十几小时。

通过对目前同类产品的研究和分析可以看出，多晶硅薄膜太阳电池一直以来都是光伏界研究的热点，采用适当的工艺方法制备出异质衬底上的大晶粒多晶硅薄膜，将能有效提高多晶硅薄膜太阳电池的效率和降低成本。采用不均匀成核的思路制备籽晶层，并外延生长是获得大晶粒多晶硅薄膜的一种有效途径。本发明希望通过不均匀成核结合外延生长的思路实现大晶粒多晶硅薄膜的生长。采用光刻选取成核区，然后采用APCVD外延生长以得到大晶粒多晶硅薄膜。

发明内容

本发明提供一种多晶硅多晶粒薄膜的制备工艺，所述制备方法能高速制备出高质量大晶粒的多晶硅薄膜，从而提高多晶硅薄膜电池的性能，促进多晶硅薄膜电池的产业化应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。