趙增超，李 明，周小榮，郭 艷，黃嘉斌

(湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司，長(zhǎng)沙 410013)

0 引言

提升太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率是降低光伏發(fā)電成本、實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的關(guān)鍵。鈍化發(fā)射極及背接觸(Passivation Emitter and Rear Contact，PERC)太陽(yáng)電池是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的高效太陽(yáng)電池之一，其產(chǎn)能逐年擴(kuò)大。該電池是在傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)上增加了背表面鈍化結(jié)構(gòu)，抑制了載流子背表面復(fù)合。目前，氧化鋁(AlOx)是公認(rèn)的良好的背鈍化材料，尤其是對(duì)于p 型晶體硅太陽(yáng)電池而言[1-3]，其沉積在硅片襯底后不僅具有高濃度的固定負(fù)電荷，使Si-AlOx界面能帶彎曲，而且還阻止了少數(shù)載流子向背表面漂移，從而場(chǎng)鈍化效果優(yōu)異。

PERC 太陽(yáng)電池通常采用AlOx膜與氮化硅(SiNx)膜作為鈍化膜。普遍采用原子層沉積(ALD)設(shè)備沉積AlOx膜，這在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域已得到了廣泛的研究[4-6]，但ALD 設(shè)備無(wú)法完成SiNx膜的制備，因此需要等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備來(lái)完成，以便最終形成AlOx/SiNx疊層鈍化結(jié)構(gòu)[4]。由于PERC 太陽(yáng)電池的鈍化層無(wú)法僅由ALD 設(shè)備單獨(dú)完成，這增加了設(shè)備采購(gòu)及維護(hù)成本；而PECVD 設(shè)備可以獨(dú)立完成AlOx/SiNx鈍化膜的沉積，因此在后續(xù)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，PECVD 設(shè)備逐漸取代了ALD 設(shè)備。

在實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，沉積AlOx/SiNx鈍化膜時(shí)首先采用的是頻率為2.45 GHz 的微波PECVD 設(shè)備[7-10]，但該設(shè)備的成本是頻率為30～300 kHz 的低頻PECVD 設(shè)備的2～3 倍，因此，低頻PECVD 設(shè)備逐漸被接受并廣泛應(yīng)用[11-12]。然而，由于針對(duì)低頻PECVD 設(shè)備沉積AlOx/SiNx鈍化膜的研究相對(duì)較少，因此對(duì)其沉積特性及所沉積膜層的鈍化性能也無(wú)深入的研究。本文利用40 kHz 的低頻PECVD 設(shè)備采用不同工藝方法在硅片襯底上沉積AlOx/SiNx鈍化膜，分別利用少子壽命測(cè)試儀(型號(hào)為Sinton WCT-120)和傅里葉紅外光譜(FTIR)分析了不同工藝方法下的膜層少子壽命與成鍵結(jié)構(gòu)，以期通過(guò)改進(jìn)沉積工藝來(lái)提升PERC 太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的低頻PECVD 設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 低頻PECVD 設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematics of low frequency PECVD

將硅片襯底放置在低頻PECVD 設(shè)備反應(yīng)腔室的電極兩側(cè)，其沉積鈍化膜時(shí)的參數(shù)為：沉積過(guò)程中的壓強(qiáng)約為200 Pa，AlOx膜與SiNx膜沉積時(shí)的放電功率密度分別為130±5 mW/cm2與240±10 mW/cm2，AlOx膜沉積過(guò)程中的反應(yīng)氣體為N2O、三甲基鋁(TMA)及Ar，SiNx膜沉積過(guò)程中通入的氣體為SiH4和NH3。

2 膜層樣品的制備與性能分析

2.1 AlOx/SiNx 鈍化膜樣品的制備與性能分析

2.1.1 鈍化膜樣品的制備

采用低頻PECVD 設(shè)備制備鈍化膜的常規(guī)流程為：利用KOH 溶液將硅片的雙面進(jìn)行腐蝕拋光，得到襯底樣品；將襯底樣品放置在低頻PECVD 設(shè)備反應(yīng)腔室的電極兩側(cè)，依次進(jìn)行AlOx膜與SiNx膜的沉積，膜層厚度分別為12±1 nm 和100±4 nm；將沉積后的樣品通過(guò)燒結(jié)爐完成退火工藝，以激活膜層的鈍化性能。

為了研究使用低頻PECVD 設(shè)備沉積鈍化膜時(shí)，采用不同工藝對(duì)鈍化膜性能的影響，將p 型＜100＞晶向、電阻率為1 Ω·cm 的直拉單晶硅片(下文簡(jiǎn)稱“p 型單晶硅片”)分為5 組，分別采用不同的工藝，制備流程除某些步驟不同外，其他步驟均相同。

將p 型單晶硅片襯底的雙面均采用低頻PECVD 設(shè)備沉積相同的鈍化膜。1 組硅片襯底在沉積AlOx膜后、沉積SiNx膜前增加利用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理的過(guò)程，此工藝生產(chǎn)的樣品為1#樣品；1 組硅片襯底采用鈍化膜常規(guī)沉積流程，在沉積AlOx膜后直接在其上沉積SiNx膜，此工藝生產(chǎn)的樣品為2#樣品；同時(shí)采用梅耶博格生產(chǎn)的微波PECVD(型號(hào)：MAIA 2.1)設(shè)備沉積AlOx/SiNx鈍化膜，此工藝生產(chǎn)的樣品稱為3#樣品，以此樣品作為對(duì)照組。1#樣品與2#樣品的鈍化膜制備流程如圖2 所示。

圖2 1#樣品與2#樣品的鈍化膜制備流程圖Fig.2 Flow chart of preparation of passivation film for 1 # sample and 2# sample

2.1.2 性能分析

1) 少子壽命測(cè)試。采用少子壽命測(cè)試儀對(duì)制備的3 種鈍化膜樣品進(jìn)行少子壽命測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng)注入載流子濃度為1015cm-3時(shí)，1#樣品～3#樣品的少子壽命分別為271、54和243 μs。未經(jīng)過(guò)N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理的2#樣品的少子壽命與其他2 個(gè)樣品的差距較大。

由于AlOx與硅片襯底接觸，而鈍化效果主要發(fā)生在鈍化膜與硅片襯底的界面處，因此該鈍化膜結(jié)構(gòu)中起主導(dǎo)作用的是AlOx。2#樣品的少子壽命低可能是因?yàn)檩^低的頻率增強(qiáng)了離子對(duì)硅片襯底的轟擊作用，Si-AlOx界面未形成良好的SiOx膜層，導(dǎo)致AlOx膜未帶有足夠大的固定負(fù)電荷密度，無(wú)良好的場(chǎng)鈍化效果，使界面處載流子復(fù)合嚴(yán)重；而且AlOx膜層內(nèi)O 含量較少，在后續(xù)退火過(guò)程中無(wú)足夠多的O 在表面形成界面氧化層參與到固定電荷的形成過(guò)程，抑制了鈍化效果。

圖 3 1#樣品～3#樣品的少子壽命情況Fig.3 The minority-carrier lifetime of 1 # sample～3 # sample

從圖3 中還可以看出，由于1#樣品增加了利用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理的步驟，其少子壽命顯著增大，達(dá)到了3#樣品的鈍化效果。這可能是因?yàn)榈皖lPECVD 設(shè)備采用直接等離子體放電模式，即硅片襯底直接作為電極參與放電，而在放電過(guò)程中，由于電子速度遠(yuǎn)高于離子速度，便在電極附近形成等離子體鞘層，增大了該區(qū)域的電場(chǎng)；而且頻率較低時(shí)，離子在電場(chǎng)方向變化前已經(jīng)到達(dá)電極，對(duì)硅片襯底表面轟擊，從而使AlOx膜沉積過(guò)程中形成的不穩(wěn)定的Si-O 鍵被破壞。

2) 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析。圖4 為1#樣品和2#樣品的FTIR 圖，其中，波數(shù)范圍750～850 cm-1[10]的吸收峰對(duì)應(yīng)Al-O 四面體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，沉積的AlOx膜中包含Al-O 四面體結(jié)構(gòu)和Al-O 八面體結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)Si-AlOx界面處的四面體結(jié)構(gòu)中的Al 配位表現(xiàn)為凈負(fù)電荷，而八面體結(jié)構(gòu)中的Al 配位表現(xiàn)為“+3”價(jià)態(tài)。因此，含有更多Al-O 四面體結(jié)構(gòu)的AlOx膜具有更優(yōu)異的場(chǎng)鈍化效果。經(jīng)過(guò)N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理后，四面體結(jié)構(gòu)的Al-O 鍵吸收峰明顯增強(qiáng)，表征其固定負(fù)電荷密度增強(qiáng)，這與少子壽命測(cè)試的結(jié)果一致。

圖 4 1#樣品和2#樣品的FTIR 圖Fig.4 FTIR spectra of 1# sample and 2# sample

2.2 AlOx 膜樣品的制備與FTIR 分析

2.2.1 AlOx膜樣品的制備

在接下來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)環(huán)節(jié)，63名選民代表參加了投票?！皟?yōu)秀票57票，稱職票5票，基本稱職票1票，不稱職票0票，總體評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。”鎮(zhèn)人大主席宣布測(cè)評(píng)結(jié)果的話音剛落，會(huì)場(chǎng)響起了熱烈的掌聲，李興軍緊張的神情才稍稍放松了下來(lái)。

測(cè)試單層AlOx膜的特性。在鈍化膜制備過(guò)程中，只沉積AlOx膜，其為4#樣品；沉積AlOx膜后利用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理，該樣品為5#樣品。

2.2.2 FTIR 圖分析

圖5 為4#樣品和5#樣品的FTIR 圖。

圖5 4#樣品和5#樣品的FTIR 圖Fig.5 FTIR spectra of 4# sample and 5# sample

由圖5 可知，利用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理后的AlOx膜，其Si-O 鍵吸收峰明顯增強(qiáng)，Si-O 鍵吸收峰的波數(shù)范圍為900～1200 cm-1[10]。該結(jié)果表明通過(guò)等離子體表面處理，Si-AlOx界面中的O 含量增大，且氧化層增加，有助于場(chǎng)鈍化效應(yīng)的增強(qiáng)，這與少子壽命的測(cè)試結(jié)果一致。

2.3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)1#樣品～5#樣品進(jìn)行測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，采用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理的樣品的鈍化效果較好，可將此處理過(guò)程理解為氧的注入過(guò)程，使Si-AlOx界面形成了良好的氧化層，起到了負(fù)電荷的傳輸作用，從而大幅提升了少子壽命。

3 PERC 電池樣品的制備與性能分析

3.1 PERC 電池樣品的制備

將p 型單晶硅片分為2 組，每組均為200 片，完成PERC 電池的制備。其中，鈍化膜采用低頻PECVD 設(shè)備沉積的一組PERC 電池記為電池A，并且AlOx膜沉積后加入了N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理步驟；鈍化膜采用微波PECVD設(shè)備沉積的一組PERC 電池記為電池B。2 種PERC 電池的制備流程如圖6 所示。

圖6 2 種PERC 電池的制備流程圖Fig.6 Flow chart of preparation of two kinds of PERC solar cells

3.2 性能分析

由表1 和圖7 可知，采用低頻PECVD 設(shè)備沉積AlOx/SiNx鈍化膜時(shí)，對(duì)背鈍化工藝進(jìn)行優(yōu)化后，即在沉積AlOx膜后加入利用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理的步驟，載流子復(fù)合性能得到了改善，制備得到的PERC 電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.48%，最佳轉(zhuǎn)換效率為22.69%，這2 個(gè)值達(dá)到了采用微波PECVD 設(shè)備沉積AlOx/SiNx鈍化膜的同等水平。

表 1 PERC 電池的性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Illuminated performance results of PERC solar cells

圖7 2 種PERC 電池的轉(zhuǎn)換效率分布Fig.7 Conversion efficiency distribution of two kinds of PERC solar cells

4 結(jié)論

本文對(duì)低頻PECVD 設(shè)備沉積的AlOx/SiNx鈍化膜的性能進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

1)較低的頻率增強(qiáng)了離子對(duì)硅片襯底的轟擊作用，使Si-AlOx未能形成良好的界面氧化層，且膜層內(nèi)的Al-O 四面體結(jié)構(gòu)占比較低，從而降低了膜層的場(chǎng)鈍化效應(yīng)，使載流子復(fù)合嚴(yán)重，無(wú)法起到良好的鈍化作用。

2)硅片襯底沉積AlOx膜后，采用N2O/NH3氣體進(jìn)行等離子體表面處理，向膜層內(nèi)注入O，使界面處形成用于價(jià)電子傳輸?shù)腟iOx層，并且提升了AlOx的Al-O 四面體結(jié)構(gòu)占比和Si-O 鍵成鍵比例，明顯改善了鈍化效果，少子壽命由54 μs提升到271 μs。利用改進(jìn)的沉積工藝，使小批量生產(chǎn)的PERC 電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.48%。