一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺
阅读说明：本技术 一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺 (Device and process for preparing Topcon solar cell ) 是由 李长江 周文彬 杨星 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺,该种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺包括依次连接的载入腔、第一工艺腔、隔离腔、第二工艺腔和载出腔,相邻两腔体通过阀门连接,载有硅片的托盘在传输滚轮上传输,所述载入腔可以采用红外灯管对托盘和硅片进行预加热或在载入腔后增设预热腔,所述第一工艺腔采用空间ALD镀膜方式实现SiO2膜层的制备；所述第二工艺腔采用PVD镀膜方式或采用低损伤PVD镀膜方式与直接式PVD镀膜方式相结合的方式来制备Topcon太阳能电池的掺杂非晶/微晶硅膜层。通过上述方式,本发明保证了超薄SiO2膜层对膜层品质和均匀性的要求,避免了绕镀问题,减少了对SiO2层的离子损伤。(The invention discloses a device and a process for preparing a Topcon solar cell, wherein the device and the process for preparing the Topcon solar cell comprise a loading cavity, a first process cavity, an isolation cavity, a second process cavity and a loading cavity which are sequentially connected, two adjacent cavities are connected through a valve, a tray carrying a silicon wafer is conveyed on a conveying roller, the loading cavity can adopt an infrared lamp tube to preheat the tray and the silicon wafer or is additionally provided with a preheating cavity after the loading cavity, and the first process cavity adopts a spatial ALD coating mode to realize the preparation of a SiO2 film layer; and the second process chamber is used for preparing the doped amorphous/microcrystalline silicon film layer of the Topcon solar cell in a PVD (physical vapor deposition) film coating mode or a mode of combining a low-damage PVD film coating mode with a direct PVD film coating mode. Through the mode, the requirements of the ultrathin SiO2 film layer on the quality and the uniformity of the film layer are met, the problem of plating winding is avoided, and ion damage to the SiO2 layer is reduced.)
技术领域
本发明涉及太阳能电池
技术领域
，特别是涉及一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺。背景技术
传统化石能源的大规模使用对环境造成了严重的破坏，也逐渐面临使用枯竭的问题，因此对太阳能等新能源的利用已成为人类发展的重要选择，随着平价上网的逐步实现，太阳能电池行业近几年发展迅速，目前PERC太阳能电池由于其高转换效率及低制造成本占据太阳能电池大部分市场，但其转换效率的提升也几乎到了瓶颈期，且成本下降空间也较狭窄，而Topcon太阳能电池被认为是下一代具有更高转换效率的太阳能电池技术路线，Topcon太阳能电池可以将产业化太阳能电池转换效率提升1-1.5％左右。
目前用于制备Topcon太阳能电池的隧穿二氧化硅薄膜及掺杂非晶/微晶硅薄膜的设备一般都为低压力化学气相沉积LPCVD镀膜设备(以下简称LPCVD镀膜设备)、静态板式等离子体增强化学气相沉积PECVD镀膜设备(以下简称PECVD镀膜设备)、管式PEALD&PECVD镀膜设备、板式物理气相沉积(PVD)镀膜设备(以下简称板式PVD镀膜设备)。
采用LPCVD镀膜设备需要很高的工艺温度，一般为500-900℃，容易对硅片本身造成损伤，高的工艺温度也增加了设备的寿命损耗，增加电能能耗，而且LPCVD镀膜速率很慢，设备产能低，同时也有很严重的绕镀问题，且不容易实现在线原位掺杂。
采用管式PECVD镀膜设备制备掺杂非晶/微晶硅薄膜时，由于管式PECVD镀膜设备一般都采用频率较低的电源，一般为40KHz-250kHz，低频电源镀膜时，容易产生较重的离子损伤，降低了膜层的钝化效果。
采用管式PECVD或管式PEALD镀膜制备隧穿SiO2层后再去镀掺杂非晶硅层时，石墨舟要传出管式腔体，离开真空环境再进入掺杂非晶硅镀膜腔，这样硅片上制备的SiO2薄膜容易受到空气中水气或氧气的影响，影响膜层性能，且频繁抽真空破真空也会影响节拍时间，增加设备成本，管式设备一般硅片为竖直放置，镀膜后硅片上会留有卡点印，且背面还是会出现一些绕镀问题。
采用板式PECVD镀膜设备制备超薄的二氧化硅膜层质量不够优异，且等离子体镀膜过程中伴有离子损伤，这些都影响了二氧化硅的钝化性能，采用板式PECVD镀膜设备制备掺杂非晶/微晶硅薄膜时，由于膜层较厚，一般为100-200nm，需要较大的镀膜腔体以提高产能，镀膜的均匀性不容易实现，腔体内很容易形成粉尘，需要频繁的进行对腔体清洗，影响节拍时间，增加成本。
采用板式PVD镀膜设备制备掺杂非晶硅层时，由于PVD镀膜对很薄的SiO2层离子损伤很严重，严重影响了SiO2的钝化性能。
基于以上缺陷和不足，有必要对现有的技术予以改进，设计出一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺，保证了超薄SiO2膜层对膜层品质和均匀性的要求又满足了制备掺杂非晶硅层时对镀膜速率和均匀性的要求，避免了绕镀问题，减少了对SiO2层的离子损伤。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺，该种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺包括依次连接的载入腔、第一工艺腔、隔离腔、第二工艺腔和载出腔，相邻两腔体通过阀门连接，在依次连接的每一个腔体内装置有传输滚轮，载有硅片的托盘在传输滚轮上传输，所述载入腔可以采用红外灯管对托盘和硅片进行预加热或在载入腔后增设预热腔，预热腔内装有加热装置，所述第一工艺腔采用空间ALD镀膜方式实现SiO2膜层的制备；所述第二工艺腔采用PVD镀膜方式或采用低损伤PVD镀膜方式与直接式PVD镀膜方式相结合的方式来制备Topcon太阳能电池的掺杂非晶/微晶硅膜层。
优选的是，所述第一工艺腔包括由第一缓冲腔、第一镀膜腔及第二缓冲腔三个腔体组成，三个腔体下层铺设有加热板，对托盘和硅片进行持续加热，托盘在第一缓冲腔内调整至所需工艺传输速度后进入第一镀膜腔，第一镀膜腔上装有气体喷淋模组，所述气体喷淋模组通入工艺气体为硅源、N2、O3或H20，硅源、O3空间上被气体喷淋模组的喷淋板完全隔离喷到硅片表面，实现空间ALD反应，根据所需制备SiO2膜层厚度0.8-1.6nm，所述喷淋板设计配置5-20个，实现空间ALD镀膜循环，托盘载着硅片以一定速度经过喷淋区后被镀上所需薄膜，托盘传输脱离镀膜区后完全进入第二缓冲腔，便完成了二氧化硅膜层的镀膜，此时隔离腔内的压力已调整至与第二缓冲腔的压力一致，并开启隔离腔的左侧阀门，托盘传入隔离腔，关闭左侧阀门，托盘经过隔离腔的隔气动作后即可传入第二工艺腔。
优选的是，所述第二工艺腔包括第三缓冲腔、PVD镀膜腔和第四缓冲腔，第二工艺腔的三个腔体下层铺设有加热板，托盘经过第三缓冲腔后一定速度进入PVD镀膜腔，PVD镀膜腔内包含n(n≧1)个阴极靶材，并通入掺杂磷烷气体，实现掺杂非晶硅薄膜的制备。
优选的是，所述PVD镀膜腔内采用6-12根Si旋转靶，制备掺杂非晶硅薄膜，薄膜厚度为80-160nm。
优选的是，所述第二工艺腔包括第三缓冲腔、低损伤PVD镀膜腔、n(n≥1)个常规直接式PVD镀膜腔和第四缓冲腔，第二工艺腔的腔体下层铺设有加热板，低损伤PVD镀膜腔腔体顶部装配远程等离子体低损伤阴极装置，两常规直接式PVD镀膜腔腔体顶部装配常规直接式PVD阴极靶材，通过匹配镀膜腔室数量、腔室内靶材的数量和传输速度实现所需厚度的掺杂非晶硅膜层的制备。
优选的是，所述低损伤阴极装置包括竖直放置的两支对靶、气体喷气孔、电源和靶材离子或原子，对靶外接电源，两支对靶上方设置有气体喷气孔，气体喷气孔喷射Ar离子，Ar离子在两只对靶间来回往复运动，以更高效溅射出靶材离子或原子，并通过喷气孔喷出的气体把靶材离子或原子带至托盘表面沉积成膜，同时喷出的气体中掺有磷烷，以制备出掺磷的非晶硅薄膜。
优选的是，托盘采用镂空托盘，采用由下往上镀膜方式，即气体喷淋模组和阴极靶材设置在腔体的下方，加热板设置在腔体上方，托盘由传输滚轮传输经过镀膜区后，硅片的背面被镀上所需薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用空间ALD镀膜方式与PVD镀膜方式相结合的线性二合一镀膜设备，用来制备Topcon太阳能电池背钝化薄膜的隧穿二氧化硅膜层及掺杂非晶/微晶硅膜层，ALD镀膜方式制备的是二氧化硅膜层，PVD镀膜方式制备掺杂非晶/微晶硅膜层，ALD镀膜方式与PVD镀膜方式之间设置隔离腔，托盘在两种镀膜方式之间过渡时无需出真空腔，同时防止两种镀膜方式间的气体互串；
采用低损伤PVD镀膜方式与直接式PVD镀膜方式相结合的方式来制备Topcon太阳能电池的掺杂非晶硅层，低损伤PVD镀膜方式用来制备最靠近SiO2层的掺杂非晶硅层，避免对SiO2层的离子损伤；
采用空间ALD镀膜方式与PVD镀膜方式，采用由下往上的镀膜方式制备Topcon太阳能电池的SiO2层与掺杂非晶硅层的镀膜设备，完全避免了绕镀问题，在PVD镀膜腔的第一个镀膜腔采用RPD镀膜方式，实现RPD镀膜方式与PVD镀膜方式相结合制备掺杂非晶硅薄膜，减少了对SiO2层的离子损伤。
附图说明
图1为一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺的实施例一结构示意图。
图2为一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺的实施例二结构示意图。
图3为一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺的实施例二部分结构示意图。
图4为一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺的实施例三结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明较佳实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图4，本发明实施例包括：
一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺，该种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺包括依次连接的载入腔1、第一工艺腔2、隔离腔3、第二工艺腔4和载出腔5，相邻两腔体通过阀门6连接，在依次连接的每一个腔体内装置有传输滚轮7，载有硅片的托盘8在传输滚轮7上传输，所述载入腔1可以采用红外灯管对托盘8和硅片进行预加热或在载入腔1后增设预热腔9，预热腔9内装有加热装置91，所述第一工艺腔2采用空间ALD镀膜方式实现SiO2膜层的制备；所述第二工艺腔4采用PVD镀膜方式或采用低损伤PVD镀膜方式与直接式PVD镀膜方式相结合的方式来制备Topcon太阳能电池的掺杂非晶/微晶硅膜层。
具体实施例一：
采用空间ALD镀膜方式与PVD镀膜方式相结合的线性二合一镀膜设备，用来制备Topcon太阳能电池背钝化薄膜的隧穿二氧化硅膜层及掺杂非晶/多晶硅膜层，所述第一工艺腔2包括由第一缓冲腔21、第一镀膜腔22及第二缓冲腔23三个腔体组成，三个腔体下层铺设有加热板24，对托盘8和硅片进行持续加热，托盘8在第一缓冲腔21内调整至所需工艺传输速度后进入第一镀膜腔22，第一镀膜腔22上装有气体喷淋模组25，所述气体喷淋模组25通入工艺气体为硅源、N2、O3或H20，硅源、O3空间上被气体喷淋模组25的喷淋板完全隔离喷到硅片表面，实现空间ALD反应，根据所需制备SiO2膜层厚度0.8-1.6nm，所述喷淋板设计配置5-20个，实现空间ALD镀膜循环，托盘8载着硅片以一定速度经过喷淋区后被镀上所需薄膜，托盘8传输脱离镀膜区后完全进入第二缓冲腔23，便完成了二氧化硅膜层的镀膜。
此时隔离腔3内的压力已调整至与第二缓冲腔23的压力一致，并开启隔离腔3的左侧阀门，托盘8传入隔离腔3，关闭左侧阀门，托盘经过隔离腔3的隔气动作后即可传入第二工艺腔4。
所述第二工艺腔4包括第三缓冲腔41、PVD镀膜腔42和第四缓冲腔43，第二工艺腔4的三个腔体下层铺设有加热板，托盘8经过第三缓冲腔41后一定速度进入PVD镀膜腔42，PVD镀膜腔42内包含n(n≧1)个阴极靶材44，并通入掺杂磷烷气体，实现掺杂非晶硅薄膜的制备。
优选的是，所述PVD镀膜腔42内采用6-12根Si旋转靶，制备掺杂非晶硅薄膜，薄膜厚度为80-160nm。
本实施例通过匹配ALD的空间镀膜循环次数和PVD的硅靶数量，实现所需SiO2膜层厚度的制备，并实现很高的生产节拍。
本实施例通过采用空间ALD镀膜方式制备超薄隧穿二氧化硅膜层，满足了Topcon太阳能电池对SiO2膜层高厚度均匀性和高钝化性能的要求，由于SiO2膜层很薄，规避了ALD镀膜速率慢的缺点；采用PVD镀膜方式制备掺杂非晶硅膜层，满足了在线掺杂、镀率较快、均匀性较好、无H2溢出的要求，把两种镀膜方式通过隔离腔结合到一起，避免了镀完SiO2膜层后，硅片出真空腔的步骤。
ALD镀膜方式与PVD镀膜方式之间设置隔离腔3，托盘8在两种镀膜方式之间过渡时无需出真空腔，同时防止两种镀膜方式间的气体互串。
具体实施例二：
本实施例中的第一工艺腔2也采用空间ALD镀膜方式实现SiO2膜层的制备，与实施例一一致，第二工艺腔4的镀膜腔由两种PVD镀膜方式组成，即远程等离子体低损伤PVD镀膜方式和直接式PVD镀膜方式，设备架构如图2，所述第二工艺腔4包括第三缓冲腔41、低损伤PVD镀膜腔42、n(n≥1)个常规直接式PVD镀膜腔43和第四缓冲腔44，第二工艺腔4的腔体下层铺设有加热板，低损伤PVD镀膜腔42腔体顶部装配远程等离子体低损伤阴极装置45，两常规直接式PVD镀膜腔43腔体顶部装配常规直接式PVD阴极靶材46，常规直接式PVD镀膜腔43和实施例一的PVD镀膜腔一致，通过匹配镀膜腔室数量、腔室内靶材的数量和传输速度实现所需厚度的掺杂非晶硅膜层的制备。
所述低损伤阴极装置45如图3所示：包括竖直放置的两支对靶451、气体喷气孔452、电源453和靶材离子或原子454，对靶451外接电源453，两支对靶451上方设置有气体喷气孔452，气体喷气孔452喷射Ar离子，Ar离子在两只对靶451间来回往复运动，以更高效溅射出靶材离子或原子454，并通过喷气孔452喷出的气体把靶材离子或原子454带至托盘8表面沉积成膜，同时喷出的气体中掺有磷烷，以制备出掺磷的非晶硅薄膜，溅射离子Ar在靶材间往复运动，到达托盘8的概率降低，而且即使Ar离子到达托盘8表面，离子能量也大大减小，因此可大幅度减少离子对托盘8上薄膜的离子损伤。
本实施例相对于实施例一的改进点是：通过配置低损伤PVD镀膜方式制备靠近SiO2膜层处的掺杂非晶硅薄膜，避免了传统直接式PVD镀膜对SiO2膜层的离子损伤，提高了SiO2膜层的钝化效果，提高了所制备Topcon太阳能电池的性能，由于所需制备掺杂非晶硅膜层较厚，一般为100-160nm，采用低损伤PVD镀膜方式和常规直接式等离子体PVD镀膜方式相结合维持了设备的较低制造成本，同时保证了设备的成熟度和性能。
具体实施例三：
本实施例在实施例一的基础上改成由下往上镀膜方式，托盘8采用镂空托盘，即气体喷淋模组25和阴极靶材44设置在腔体的下方，加热板设置在腔体上方，托盘8由传输滚轮7传输经过镀膜区后，硅片的背面被镀上所需薄膜。设备架构如图4所示。
采用由下往上镀膜方式，由于硅片四周边缘被托盘遮挡，所以可以有效的防止掺杂非晶硅绕镀到硅片边缘和硅片的另一面，可以完全省去制备Topcon电池后续的刻蚀清洗工序，提高良率，节约成本。
采用由下往上的镀膜方式时，可以结合实施例二把低损伤PVD镀膜腔改为RPD镀膜方式，与后面两个PVD镀膜腔结合，同样实现避免制备掺杂非晶硅膜层时对SiO2膜层的离子损伤，在使用RPD镀膜方式制备掺杂非晶硅薄膜时，所用升华靶源为纯硅靶源，或者掺杂磷元素的硅靶源，由于RPD的靶源体积很小，因此制备加工容易很多，在镀膜过程中同时通入磷烷气体，以制备出所需掺杂浓度的非晶硅薄膜。
本发明一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺工作时，采用远程等离子物理气相沉积装置与传统物理磁控溅射气相沉积设备(PVD)相结合的方式来制备掺杂非晶硅膜层，解决了PVD镀膜对SiO2膜层损伤问题；采用空间式原子层沉积(ALD)镀膜方式与动态板式PVD镀膜方式相结合的方式制备Topcon太阳能电池的隧穿二氧化硅薄膜及掺杂非晶/微晶硅薄膜，既保证了超薄SiO2膜层对膜层品质和均匀性的要求又满足了制备掺杂非晶硅层时对镀膜速率和均匀性的要求；结合空间ALD镀膜与PVD镀膜方式，采用由下往上的镀膜方式制备Topcon太阳能电池的SiO2层与掺杂非晶硅层的镀膜设备，完全避免了绕镀问题，省去了Topcon电池生产过程中的清洗刻蚀去绕镀层环节，缩短了工序节省了成本。在PVD镀膜腔的第一个镀膜腔采用RPD镀膜方式，实现RPD镀膜方式与PVD镀膜方式相结合制备掺杂非晶硅薄膜，减少了对SiO2层的离子损伤。
本发明一种制备Topcon太阳能电池的设备及其工艺，保证了超薄SiO2膜层对膜层品质和均匀性的要求又满足了制备掺杂非晶硅层时对镀膜速率和均匀性的要求，避免了绕镀问题，减少了对SiO2层的离子损伤。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。