楊 露,劉大偉,張 婷,魏凱峰,石慧君

(青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽(yáng)能電力分公司，西安 710000)

0 引 言

隨著晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高光電轉(zhuǎn)換效率電池的制備需要良好的表面鈍化[1-2]。常規(guī)P型電池的鋁背場(chǎng)與硅片完全接觸，金屬?gòu)?fù)合較大。而鈍化發(fā)射極背面接觸(passivated emitter rear contact, PERC)電池通過(guò)在背面沉積鈍化介質(zhì)膜，并采用激光局部開(kāi)窗，使鋁背場(chǎng)與硅片局部接觸，減少了金屬背極與背表面的接觸，有效降低背表面復(fù)合率，使電池的開(kāi)壓和轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升[3]。之后隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivated contact, TOPCon)電池技術(shù)革新，通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硅片背面沉積隧穿氧化層和摻雜多晶硅層，不僅可以實(shí)現(xiàn)載流子的選擇性收集，且背面鈍化實(shí)現(xiàn)極低的飽和電流密度[4]。

鈍化是通過(guò)降低表面缺陷態(tài)密度，防止少數(shù)載流子在缺陷態(tài)的復(fù)合[5-6]。電池的表面鈍化分為場(chǎng)效應(yīng)鈍化和化學(xué)鈍化?；瘜W(xué)鈍化通過(guò)飽和表面懸掛鍵減少界面電子態(tài)、降低表面復(fù)合速率，通?？捎贸练e含氫原子的半導(dǎo)體薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)效應(yīng)鈍化基于表面膜層內(nèi)的固定電荷，排斥相同極性的載流子，阻止載流子移動(dòng)至表面，降低表面復(fù)合速率。優(yōu)異的表面鈍化能夠降低少數(shù)載流子的表面復(fù)合速率，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。晶硅電池常用的鈍化膜包括二氧化硅(SiO2)[7-8]、氮化硅(SiNx)[9-10]、三氧化二鋁(Al2O3)[11-13]等。

二氧化硅膜層在晶硅電池表現(xiàn)出優(yōu)異的界面鈍化效果[14-15]，因?yàn)槎趸枘又写嬖诖罅抗潭ㄕ姾?，這些固定正電荷不僅可以降低硅片表面缺陷態(tài)密度，而且能降低硅片表面復(fù)合速率[16-18]。通常采用高溫?zé)嵫趸椒ㄉL(zhǎng)二氧化硅膜層，但這并不適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，因?yàn)楦邷責(zé)嵫趸に囆枰?00 ℃以上的溫度，此高溫制程不僅顯著降低硅片的體壽命，而且較高的能耗也會(huì)導(dǎo)致成本增加。

近年來(lái)，原子層沉積技術(shù)形成的三氧化二鋁層作為硅表面鈍化層得到了深入研究[19-20]。與其他電介質(zhì)如二氧化硅或碳化硅相比，單獨(dú)的氮化硅層對(duì)硼發(fā)射結(jié)的鈍化能力較差，故多使用其他鈍化膜與氮化硅結(jié)合形成疊層膜。而氧化鋁包含高密度的內(nèi)置負(fù)電荷(高達(dá)1013個(gè)基本電荷/cm2)，作為表面場(chǎng)，可以阻止少子電子向表面移動(dòng)，降低復(fù)合概率[21-22]。其優(yōu)異的鈍化效果歸功于兩個(gè)方面：首先是在Si/SiO2界面處復(fù)合中心的化學(xué)鈍化；二是由于靠近Si表面的高濃度本征負(fù)電荷，Al2O3提供了較強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)鈍化，產(chǎn)生的電場(chǎng)有效地排斥來(lái)自表面復(fù)合中心的電子[20,23]。

目前，現(xiàn)有產(chǎn)線(xiàn)TOPCon電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，電池正面的疊層鈍化膜由SiO2、Al2O3和SiNx三層膜組成。其中SiO2膜是通過(guò)硅片在熱的濃硝酸中發(fā)生氧化反應(yīng)形成，膜層厚度為1～2 nm，這種方式形成的SiO2膜層均勻性差，工藝穩(wěn)定性較差，且反應(yīng)需要使用大量的硝酸，對(duì)環(huán)境有一定的污染[24]。因此，需要開(kāi)發(fā)出一個(gè)正面不使用二氧化硅膜層的工藝。為了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)工藝路線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，本文對(duì)3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化性能進(jìn)行了測(cè)試，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了Al2O3厚度對(duì)Al2O3/SiNx疊層膜鈍化性能的影響?；贏l2O3膜層優(yōu)異的鈍化性能開(kāi)發(fā)出了電池正面僅沉積Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜的新技術(shù)工藝路線(xiàn)，不僅簡(jiǎn)化了工藝步驟，而且降低了生產(chǎn)成本，電池的光電轉(zhuǎn)換效率也不受影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用158.75 mm×158.75 mm規(guī)格的N型直拉硅片，電阻率范圍為0.3～2.1 Ω·cm，少子壽命≥500 μs。本文主要研究了TOPCon電池發(fā)射極3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化性能，并基于Al2O3/SiNx疊層鈍化膜結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究了Al2O3厚度(1.5 nm、3 nm和5 nm)對(duì)鈍化性能和電池I-V性能的影響。

圖2 不同疊層鈍化膜的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)制備流程Fig.2 Preparation process of symmetrical structure of different stacked passivation films

疊層鈍化膜對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的制備流程為：硅片首先經(jīng)過(guò)NaOH堿制絨于高溫(80～85 ℃)下形成金字塔絨面以減少光學(xué)反射，再將制絨后的硅片放入硼擴(kuò)散管內(nèi)進(jìn)行雙面硼擴(kuò)散形成P+/N-Si/P+對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，硼擴(kuò)散方阻為130 Ω/□，表面濃度為1.3×1019atoms/cm3，摻雜結(jié)深為0.8 μm。采用HF/HCl混合溶液清洗硅片表面的硼硅玻璃之后，分別進(jìn)行熱硝酸氧化(nitric acid oxidation of silicon, NAOS)鈍化，雙面沉積三氧化二鋁。NAOS鈍化通過(guò)在盛有40 ℃的純硝酸溶液中反應(yīng)400 s實(shí)現(xiàn)，NAOS鈍化的二氧化硅層厚度為1～2 nm。Al2O3在微導(dǎo)公司制備的原子層沉積設(shè)備中進(jìn)行沉積，沉積溫度為250 ℃，Al2O3厚度為1.5 nm。隨后將實(shí)驗(yàn)片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中雙面沉積氮化硅膜層，氮化硅膜層厚度為85 nm，最后將樣品放在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的高溫?zé)Y(jié)爐(峰值溫度750 ℃)中進(jìn)行快速退火處理，具體工藝流程圖如圖2所示，按照此流程可分別制備出SiO2/SiNx、Al2O3/SiNx和SiO2/Al2O3/SiNx疊層膜的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。使用Sinton WCT-120測(cè)量對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的有效載流子壽命，在有效壽命測(cè)量中，發(fā)射結(jié)飽和電流密度(J0)和隱開(kāi)路電壓值(iVoc)表征鈍化性能。有效少子壽命與測(cè)試片的隱開(kāi)路電壓值(iVoc)呈正相關(guān)性，有效少子壽命越高，其隱開(kāi)路電壓值越高，相應(yīng)的電池端開(kāi)路電壓越高，轉(zhuǎn)換效率也提高。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種不同疊層鈍化膜的鈍化性能研究

基于TOPCon電池現(xiàn)有技術(shù)工藝路線(xiàn)，電池發(fā)射極P+的疊層鈍化膜由SiO2、Al2O3和SiNx三層膜組成，各膜層的厚度分別為1.2 nm、1.5 nm和85 nm。為了對(duì)各膜層的鈍化性能進(jìn)行研究，分別測(cè)試了Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx三種結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)的鈍化水平，每組各有8個(gè)樣品。

圖3 不同疊層鈍化膜的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of different stacked passivation films

圖4為3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化水平測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，每組樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)較集中，工藝穩(wěn)定性較好，Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平優(yōu)于SiO2/SiNx，而SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx的鈍化水平最佳，隱開(kāi)路電壓均值為705 mV。因?yàn)殡S著開(kāi)路電壓值的增加，表面復(fù)合減小，電池光電轉(zhuǎn)換效率升高，故需要沉積SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx三層疊層鈍化膜以降低電池正面的復(fù)合，保證良好的鈍化水平和電池性能。

圖4 不同疊層鈍化膜的隱開(kāi)路電壓值Fig.4 Implied open-circuit voltage ofdifferent stacked passivation films

2.2 不同Al2O3厚度的鈍化性能研究

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平優(yōu)于SiO2/SiNx，說(shuō)明Al2O3膜層的鈍化水平具有較大的潛力，故接下來(lái)進(jìn)一步研究不同Al2O3厚度的Al2O3/SiNx疊層膜的鈍化性能。圖5為不同Al2O3厚度的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖，均為Al2O3/SiNx疊層膜，而Al2O3厚度從1.5 nm逐漸增加至3 nm和5 nm，每組各8個(gè)樣品。

圖5 不同Al2O3厚度的Al2O3/SiNx對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagrams of different thickness of Al2O3 for Al2O3/SiNx

圖6為不同Al2O3厚度(1.5 nm、3 nm、5 nm)的疊層鈍化膜的隱開(kāi)路電壓測(cè)試值，從圖中可以看出，當(dāng)Al2O3厚度由1.5 nm增加到3 nm時(shí)，鈍化性能得到明顯提升，隱開(kāi)路電壓均值達(dá)到707 mV，提升了20 mV。這是因?yàn)楫?dāng)Al2O3厚度增加時(shí)，一方面場(chǎng)效應(yīng)鈍化效果增強(qiáng)，復(fù)合降低；另一方面，加厚的Al2O3使其被電池正面的金字塔絨面扎破的概率降低，保證了良好的表面鈍化性能。而Al2O3厚度繼續(xù)增加至5 nm時(shí)，鈍化水平基本不變，隱開(kāi)路電壓均值維持在707 mV。綜上可知，Al2O3(3 nm)/SiNx和Al2O3(5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平均可與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜相當(dāng)。故可以通過(guò)增加Al2O3厚度簡(jiǎn)化正面疊層膜，用Al2O3(3 nm)/SiNx代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜。

圖6 不同Al2O3厚度的隱開(kāi)路電壓值Fig.6 Implied open-circuit voltage of different thickness of Al2O3

2.3 電池性能研究

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制作Al2O3(1.5 nm)/SiNx和Al2O3(3 nm)/SiNx疊層鈍化膜的TOPCon電池，并與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的TOPCon電池作為對(duì)比組。各組樣品的TOPCon電池電性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同疊層鈍化膜制備的TOPCon太陽(yáng)電池的I-V參數(shù)Table 1 I-V parameters of TOPCon solar cells fabricated with different stacked passivation films

從表1來(lái)看，對(duì)于相同Al2O3厚度的TOPCon電池，當(dāng)去掉SiO2鈍化膜層時(shí)，1.5 nm Al2O3與SiNx組成的疊層膜電池的轉(zhuǎn)換效率比對(duì)比組低0.25個(gè)百分點(diǎn)，主要表現(xiàn)在開(kāi)壓降低3 mV，填充因子FF降低0.45個(gè)百分點(diǎn)，電池EL圖像整體發(fā)暗(見(jiàn)圖7(b))。這是因?yàn)锳l2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能比SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜差。當(dāng)Al2O3的厚度從1.5 nm增加到3 nm時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率升高了0.23個(gè)百分點(diǎn)，開(kāi)路電壓Voc升高4 mV，填充因子FF升高0.27個(gè)百分點(diǎn)。且3 nm Al2O3與SiNx組成的疊層膜電池的轉(zhuǎn)換效率與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜對(duì)比組電池的轉(zhuǎn)換效率基本持平，效率差僅為0.02%，電池EL圖形無(wú)缺陷和不良(見(jiàn)圖7)。以上電池的測(cè)試結(jié)果與鈍化性能結(jié)果一致。即疊層鈍化膜的隱開(kāi)路電壓均值數(shù)值越高，鈍化性能越好，電池的開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率也越高。說(shuō)明可以采用加厚Al2O3厚度的方法將電池正面的鈍化膜簡(jiǎn)化，即用Al2O3(3 nm)/SiNx代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx，這樣不僅解決了使用硝酸污染環(huán)境的問(wèn)題，而且簡(jiǎn)化了工藝步驟，同時(shí)電池的光電轉(zhuǎn)換效率不受影響。

圖7 不同疊層鈍化膜制備的TOPCon太陽(yáng)電池EL圖像Fig.7 EL images of TOPCon solar cells fabricated with different stacked passivation films

3 結(jié) 論

本文分析對(duì)比了3種不同疊層膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化水平，并研究了Al2O3厚度對(duì)鈍化性能和電池效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能優(yōu)于Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜，而SiO2/SiNx疊層膜的鈍化性能最差。通過(guò)增加Al2O3的沉積厚度發(fā)現(xiàn)，Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx相當(dāng)，隱開(kāi)路電壓均值可達(dá)到707 mV，對(duì)應(yīng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到23.84%?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果可以使用Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜，這不僅減少了電池的工藝流程，而且降低了生產(chǎn)成本，且電池的光電轉(zhuǎn)換效率不受影響。