常压化学气相沉积(APCVD)是CVD技术中最古老、应用最广泛的方法之一。

由于没有真空系统的简单性,以及高达500nm/min的相对较高的沉积速率,它被认为是与等离子体增强CVD (PECVD)和低压CVD相比最经济的沉积技术之一。
在实际应用中,环境压力下的CVD技术可以用于在25℃~500℃的工作温度下合成大量的固体薄膜材料,如金属和有机或无机基成分。

在硅太阳能电池制造中,这种薄膜可以用作增透涂层(TiOx)和表面钝化层(AlOx)。采用APCVD技术制备了其他薄膜材料,如掺锡氧化铟(ITO)、掺锡和氟氧化铟和氧化锌。
建立了APCVD系统实验室系统。由于它的操作是在室温下,APCVD系统完全由塑料组件,如聚碳酸酯(PC)。其他部件是通过3D打印技术,也可以采用熔融沉积建模,利用聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)的热塑性物质制造的。
3D打印的使用使APCVD系统的灵活设计成为可能。因此,试样支架采用平面聚碳酸酯板制作,使其上部与基材之间的缝隙基本消除。反应气体无法进入基片与板之间的间隙,从而避免了SiOx在基片底面的沉积。
目前的APCVD工具每次只能处理一个6英寸宽的基片,但该技术非常适合用于高通量的内联工具。
采用三组样品对APCVD SiOx中的结构缺陷进行了研究电影及其耐久性。由于这些薄膜的预期应用不在表面钝化,因此没有研究界面上的电气缺陷。
在一组实验中,研究了薄膜厚度对其微观结构和与硅片表面几乎原子平面化的界面的影响。RCA清理完后,将80nm~800nm厚的APCVD SiOx薄膜沉积在面积为2cm×2cm的闪亮的浮子区(FZ)硅晶片上。
在另一组样品中,用APCVDSiOx涂层不同的表面结构以检查薄膜与各种应用程序的兼容性。研究了3组2cm×2cm的大样本:
3组样品分别用大约115nm~130nm厚的APCVD SiOx进行涂层电影。由于APCVD腔室适用于6英寸大的衬底,因此每组中的一块硅片被放置在APCVD工具中,并在一次运行中同时对3个硅片进行涂层。
在第三组样品中,研究了退火对蚀刻剂稳定性的影响。2cm×2cm大的闪亮蚀刻和RCA清洗的FZ硅晶片被涂上约90nm厚的APCVD SiOx薄膜。
-
第1组作为参照,不做退火处理,
-
第2组在150℃退火1min,
-
退火是在室温下在热板上进行的。将APCVD SiOx薄膜在1.5%KOH和1%HF(质量分数)溶液中的腐蚀速率与未退火样品进行比较,以找到耐受腐蚀溶液的最低适当温度。
在SiOx涂层的光滑Ge晶片上进行的EDX分析显示了3种主要元素:Si、O和Ge以及少量的C (可能是由于处理造成的污染),如图1所示。O-to-Si原子比例计算的光谱和沉积样品1.82和1.3的样品退火在300℃的测量误差1min。O和Si原子浓度增加,从而导致高误差O-to-Si原子比率约为±20%。
图1 EDX光谱显示SiOx元素分析
退火测试后,所有沉积的薄膜保持光滑和致密,未观察到裂缝或剥落。然而,在150℃退火1min后的样品显示出与参考样品(未退火)相同的腐蚀速率。
退火样品的腐蚀率为300℃/min,相比于退火温度≤150℃,从0.8nm/s减少到0.3nm/s,沉浸在1.5%KOH(质量分数)溶液中从4nm/s降到1nm/s,如图2中所示。
在APCVD SiOx涂层和单面织构晶圆的背面和正面以及双面织构参考上测量了半球反射率。采用传递矩阵法进行了数值模拟,其厚度为84nm C-Si上的SiOx薄膜和热,SiOx的折射率和消光系数均已设定。
从图3中可以看出,在APCVD SiOx涂层样品上的测量结果与参考晶片上的测量结果以及SiOx涂层背面的模拟曲线都吻合得很好。因此,在300nm~1000nm波长范围内,单面纹理晶圆的性能与传统的双面纹理晶圆相似。

这一过程的最后一个重要步骤是去除沉积的氧化膜,以便能够进一步处理背面。这是用HF蚀刻完成的。由于APCVD的腐蚀速率是SiOx在300℃1%(质量分数),HF溶液中退火的薄膜为1nm/s,在大约1.5min内,上述样品上84nm厚的APCVD SiOx被完全蚀刻。
APCVD SiOx作为保护膜,防止寄生镀在PERC太阳能电池上
APCVD SiOx可以均匀地沉积在156mm×156mm的大型太阳能电池上,测量的厚度均匀性为±5%。为了显示APCVDSiOx作为抗寄生电镀的掩膜效果,在沉积了SiOx局部上在激光开孔前涂覆PERC太阳能电池上,在正面接触栅极上镀HF。
结果表明,在APCVD SiOx中PERC细胞正面的涂层区没有发生寄生镀层,没有观察到镀金的划痕或痕迹,金字塔完全没有金属颗粒。APCVD SiOx保护膜并没有完全蚀刻在HF中,而HF是为了去除激光处理在栅极开孔中产生的薄SiO2而应用的。
在室温下制备了致密的APCVD-SiOx薄膜,没有孔隙和结构缺陷。当需要抗腐蚀剂的稳定性时,退火温度高达300℃是必要的。
在本研究中,APCVD SiOx薄膜被用作防止碱性变形的保护涂层,允许C-Si晶圆的单侧变形。在另一个应用中,它们在酸性电解质中充当电镀掩膜。APCVD SiOx屏蔽膜覆盖了SiNx结构缺陷和防止寄生沉积在正面的硅薄膜太阳能电池。
来源:无氢硅烷常压化学气相沉积SiOx薄膜在晶体硅太阳能电池制造中的应用
现今钙钛矿电池的投资火热,但是距离规模化应用仍具有较大距离。在钙钛矿太阳能电池的性能和成本优势尚未完全实现的同时,硅基太阳能电池的效率不断提高,成本不断下降。钙钛矿太阳能电池能否战胜强大的晶硅,仍需要时间进行验证。设备方面,镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备为钙钛矿电池制备四大设备,欢迎大家加入艾邦钙钛矿产业链上下游交流群。
推荐阅读
原文始发于微信公众号(光伏产业通):常压化学气相沉积(APCVD)在晶硅太阳能电池制造中的应用