一种常压氧化炉热氧工艺研究

赵彩霞 张波 杨飞飞 孟秀峰

【摘 要】 本文针對PERC（钝化发射极背面接触）电池生产中，常压氧化制备氧化层热氧亲水性较差的问题，通过优化调整常压氧化工艺沉积温度，并经亲水性、EL（电致发光）、EQE（外量子效率）、电性能测试等测试表征，研究表明：常压条件下进行氧化层制备，较低的沉积温度下，沉积速率较大，其所沉积氧化层致密度高，钝化效果好。

【关键词】 常压;沉积温度;亲水性;外量子效率

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）04-0094-03

1引言

近年来，单晶PERC以其领先的技术优势，市场份额增加较快，为进一步提效和降本，研发了很多针对单晶PERC工艺的各项创新技术，其中发射极氧化层的制备尤为关键，但氧化层的制备主要利用低压氧化炉，直接增加电池端的制造成本，如能合理利用常压氧化炉制备氧化层，则可大幅降低设备投入成本，成为各大公司重点考虑的方向。

目前国内外主要利用低压氧化炉制备氧化层，其产品均匀性好、沉积速率高，而常压氧化炉存在沉积均匀性较差、沉积速率低的问题，且其调试过程比较复杂，难度较大，故而未经工业化生产推广应用。

本文利用常压氧化炉制备前表面氧化层，摒弃非主要影响因子，主要研究关键影响因素沉积温度，分别通过硅片表面亲水性、电致发光、外量子效率及电学性能等测试，分析不同温度影响下，所形成的氧化层的质量水平，从而确定最佳常压氧化炉生产工艺。

2试验方法

考虑到常压与低压设备与工艺条件的差异性，主要考虑常压下不同沉积温度对硅片表面亲水性的影响，分别通过亲水性、EL（电致发光）、EQE（外量子效率）、电性能测试分析其不同沉积温度下的表现。

2.1 主要原料及设备

本实验所用硅片都为P型Cz（直拉法）掺硼，面积大小为158.75×158.75mm2，电阻率为0.5-1.4Ω·cm，厚度180μm。常压CT氧化炉设备，可调温度范围0-1500℃。

2.2 试验过程

在亲水性试验过程中，测试亲水性所用硅片需经单晶制绒、低压扩散制结、背表面抛光工序后，经自动装片装置将硅片放置于石英舟内，进入常压氧化炉，通O2和N2，在固定温度与压力下，于硅片表面生长一层2-5nm的氧化硅层，然后将氧化后硅片进行亲水性测试。

在电性能测试过程中，原硅片经单晶制绒、低压扩散制结、背表面抛光、前表面氧化（多种沉积温度对比测试）、背钝化膜制备、激光开槽工序后，最后经丝网印刷工序形成前后金属接触，使用Halm机台测试IV数据。

3 测试与分析

3.1 亲水性测试与分析

工艺沉积温度测试分为六个温度的试验550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，沉积10min，亲水性测试结果如图1。

用移液管在经常温氧化炉氧化处理后的硅片表面不同位置滴一滴水（0.05ml），如图1所示，水平放置，观察相同时间下水滴扩散面积，水滴扩散面积与温度的关系见图2。

由图1可知，不同沉积温度氧化后硅片表面亲水性显著不同，其中750℃是实际低压（约2kPa）生产温度。由图1、图2可知，常压650℃沉积氧化后硅片的亲水性明显强于750℃实际低压生产沉积氧化后硅片表面亲水性，低于650℃常压沉积氧化后硅片表面亲水性较650℃缓慢变弱，且沉积温度低于650℃，硅片表面亲水性随温度变化基本趋于平缓;高于750℃常压沉积氧化后硅片表面的亲水性较750℃明显变弱，硅片表面亲水性随温度变化同样基本趋于平缓;常压下650℃硅片表面亲水性明显优于其他实验温度。且低于650℃常压沉积氧化后硅片表面亲水性较高于750℃常压沉积氧化后硅片表面亲水性强，由此可知，高于650℃时，常压沉积氧化后硅片表面亲水性随温度升高而减弱，低于650℃时，常压沉积氧化后硅片表面亲水性随温度降低而缓慢减弱，常压沉积氧化最佳温度为650℃，此温度下沉积的氧化层厚度及均匀性最好。

从统计物理角度分析，常压氧化由于其压力较高，相同沉积温度下，相比低压氧化，沉积气体浓度高，但其分子自由程较短，单位时间内到达硅片表面的气体分子较少，沉积速率相对较慢。当温度降低时，沉积气体浓度可进一步升高，且分子自由程变长，单位时间内到达硅片表面的气体分子变多，沉积速率升高较快。但过低的沉积温度也会导致沉积速率变慢，无法保证氧化层的厚度与均匀性。

3.2 EL测试与分析

由图3看出，氧化沉积温度在550-600℃之间，EL图像亮度正常，但550-600℃沉积温度下，存在少量EL黑斑;氧化沉积温度在700-800℃之间，EL图像整体发暗，且黑斑数量较多。结合上述亲水性测试分析，进一步印证650℃沉积温度下，前氧化层表面覆盖均匀性好，可有效钝化表面缺陷，从而保证EL测试的亮度与较少黑斑数量。

3.3 外量子效率测试与分析

上述三个温度区间各选取一个温度值测试EQE，如图4所示，在温度650℃下EQE短波表现最佳，550℃相比650℃略低，而在750℃温度下，短波EQE值相差很多，充分说明750℃下前表面氧化层钝化效果较差，无法有效收集光生载流子。

3.4 电学性能参数测试与分析

结合上述亲水性测试、EL图像结果分析，由表1数据可得出，氧化沉积温度650℃时，电池转换效率最佳，其开路电压与短路电流值均反映出，于此温度下，电池前表面氧化层钝化效果较好;对比700℃-800℃沉积温度下电性能数据，电池转换效率在700℃开始下降幅度较大，此温度下，电池前氧化层沉积厚度较薄或致密度较差，无法达到前表面氧化层钝化作用;对比550℃-600℃沉积温度下电性能数据，电池转换效率有微弱变化，并未出现较大幅度跳动，其可能原因为，于此温度下所沉积氧化层膜厚度满足工艺需求，但致密度较差，其钝化效果相比650℃较弱。

4 结论

对于晶硅电池沉积氧化层，使用常压氧化炉与低压氧化炉，其沉积温度差异较大。

常压氧化炉低温沉积效果较佳，在650℃温度下，分别从亲水性、EL图像、EQE和电性能分析，均优于其他温度，尤其与低压氧化炉沉积温度700℃-750℃相比，得到很大改善。

常压氧化炉压力高，较高沉积温度下，相同量工艺气体分子自由程短，不利于硅片表面沉积氧化层。

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