＊王玉超 杜朋軒 盛之林* 黃康 范占軍

（1.北方民族大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 寧夏硅靶及硅碳負(fù)極材料工程技術(shù)研究中心 寧夏 750021 2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧夏 750021 3.寧夏高創(chuàng)特能源科技有限公司 寧夏 750021）

基于一層摻雜多晶硅和超薄界面氧化硅的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，已被證明能夠克服當(dāng)前鋁背場（Al-BSF）以及鈍化發(fā)射極和背面觸點（PERC）工業(yè)太陽能電池技術(shù)的效率限制[1]。對于具有poly-Si/SiOx鈍化接觸的（TOPCon）太陽能電池，實驗室效率已經(jīng)超過24%，其理論極限也已經(jīng)達(dá)28%[2]。鈍化接觸結(jié)構(gòu)如圖1所示，此結(jié)構(gòu)能夠選擇性的讓多數(shù)載流子通過而阻止少數(shù)載流子進入，摻雜的濃度差和PN結(jié)也起到了很好的化學(xué)鈍化和場效應(yīng)鈍化作用。首先，在襯底上沉積一層α-Si薄膜作為前驅(qū)體，通過高溫退火工藝再結(jié)晶為poly-Si結(jié)構(gòu)，此方式稱為間接制備法。沉積α-Si薄膜的制備技術(shù)可分為兩大類，化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）但是化學(xué)反應(yīng)過程會伴隨有毒氣體的產(chǎn)生，使用成本和復(fù)雜性高。物理氣相沉積技術(shù)即磁控濺射法（MS）與其他CVD技術(shù)相比，具有沉積簡單，低溫工藝，更高的靶材使用率和消除SiH4等有毒物質(zhì)的優(yōu)點[3]，因此，本次提出采用MS來沉積一層α-Si。

圖1 鈍化接觸結(jié)構(gòu)的能帶圖

Oezmen OT等人[4]用四點探針法分析了poly-Si薄膜在襯底上B的外置擴散。采用改良后的兩步退火樣品電阻率值降低到91mΩ·cm2，計算后載流子濃度約為2.89×1017cm-3。D.Yan,A.等人[5]提出了一種基于PVD的更安全，更簡單的制備鈍化接觸層方法，在900℃退火后，在超薄SiOx上形成原位摻雜的poly-Si膜中間層，從而同時提供選擇性傳導(dǎo)和表面鈍化，測試薄膜接觸電阻率低于50mΩ·cm2。

濺射法沉積α-Si中工作壓強是重要的一項參數(shù)，利用Si和B的共濺射，經(jīng)過真空管式爐進行高溫退火使α-Si再結(jié)晶成poly-Si結(jié)構(gòu)。通過各種表征技術(shù)的組合來研究沉積壓力對poly-Si/SiOx的結(jié)構(gòu)、光電特性的影響，最終這些發(fā)現(xiàn)就可以用于通過濺射方法制造高質(zhì)量的鈍化接觸結(jié)構(gòu)。

1.實驗材料和方法

(1)實驗設(shè)備及材料

使用JDCK-F4000D型高真空磁控濺射系統(tǒng)在單晶硅（c-Si）襯底上濺射硅薄膜，c-Si晶面取向（100）。在Ar氣體（純度99.99%）中，氬氣分壓40sccm，靶基距11cm，濺射功率為100W。高純硅P型靶材，純度為99.999%，電阻率為0.01Ω·cm2。單晶硅襯底用激光切割成2×2cm的樣品，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的濕式化學(xué)清洗法（RCA）清洗步驟后，使用過氧化氫（H2O2）溶液在室溫下生長30min形成一層薄薄的SiOx。

(2)表征方法

利用臺階儀（型號Dektak 150）進行薄膜厚度的測試沉積速率的計算格式為：υ=D/t，其中，D為臺階儀測得平均薄膜厚度；t為硅薄膜的沉積時間。通過掃描電子顯微鏡（型號為Zeiss SIGMA）觀察材料表面的形貌。XRD測試?yán)眯吞柺荄8 Advance衍射儀。利用霍爾測試儀進行接觸電阻率和載流子濃度的分析。Raman測試?yán)貌ㄩL為532nm的光譜測試儀。使用飛行時間二次離子質(zhì)譜（型號TOF.SIMS 5-100），對樣品的B摻雜深度和含量分布進行測試。

2.實驗結(jié)果與討論

(1)工作壓強對沉積速率的影響

從圖2可以看出，工作壓強增大會降低沉積速率，從0.2Pa時的2.06nm/min下降到1Pa的1.06nm/min。對這現(xiàn)象的一種解釋為：盡管在較高的壓力下，等離子體中Ar離子密度的增加會引起濺射產(chǎn)額的增大，但由于Si原子和Ar離子之間的質(zhì)量差很大，濺射出的Si原子更有可能通過與Ar離子碰撞而返回靶材。另一個普遍的解釋原因在于分子平均自由程λ的變化。由公式（1）得到[6]：

圖2 不同工作壓強下沉積速率的變化

式中，T為環(huán)境溫度；p為工作壓強；k為常數(shù)。隨著壓強p的增大，λ減小，增加了濺射粒子之間的碰撞幾率，使得粒子所攜帶的能量進一步被損耗，引起了沉積到基板的速率降低。因此，在較低的壓力下可實現(xiàn)更高的沉積速率。

(2)表面形貌及顆粒尺寸分析

如圖3所示，工作壓強在0.5Pa（未退火）時的表面形貌和不同壓強下沉積的硅薄膜在950℃高溫退火后的表面形態(tài)。由Nano Measurer軟件計算出SEM圖片全域顆粒的尺寸，得到顆粒分布的直方圖分布數(shù)據(jù)，并擬合出顆粒尺寸的對數(shù)分布函數(shù)，進行晶粒尺寸的估計。平均晶粒尺寸與壓強的變化結(jié)果如圖3（f）所示，隨著壓強的降低，平均晶粒尺寸也不斷的減小，最低的壓強（0.2Pa）平均晶粒尺寸為23.11nm。

圖3 （a）0.5Pa未退火和不同壓強（b）0.2Pa，（c）0.5Pa，（d）0.8Pa，（e）1Pa下退火后的SEM圖像；退火后的（f）不同壓強下薄膜沉積速率變化

通過對表面形貌的分析，未退火的樣品顯示了部分結(jié)晶的情況，表面晶粒密度很小，呈現(xiàn)一定的無序性。退火后硅薄膜表面在較低的壓強下，濺射粒子沉積速率過大，在襯底表面遷移擴散的速度很低，表層離子遷移所需克服的激活勢能降低，隨壓強的升高團簇現(xiàn)象增多，容易形成較多的團簇狀結(jié)構(gòu)。硅薄膜表面的粗糙度會隨著工作壓強的增大而增大，較高的壓強，雜質(zhì)越容易被摻入[7]。

隨著壓強的增大，導(dǎo)致了濺射粒子運動的自由程減少，沉積速率降低，那么在成膜時顆粒的聚集程度就出現(xiàn)減少，成核晶粒生長率降低，導(dǎo)致晶粒尺寸越小。

(3)光學(xué)特性表征

利用Raman光譜測試的硅薄膜拉曼頻移TO聲子頻帶的橫坐標(biāo)位置，具體展示了Si薄膜的晶化情況，可用于測試薄膜內(nèi)部是否晶化。這里主要關(guān)注460～550cm-1之間的TO聲子頻帶進行討論。根據(jù)公式（2）計算硅薄膜結(jié)晶率。

式中，Iα為無定形的非晶相；Ic為頻移在520cm-1處的結(jié)晶相；在非晶和結(jié)晶相之間的稱為混合相Im。計算的結(jié)晶率結(jié)果如表1所示：

表1 晶化率與工作壓強

圖5是不同工作壓強下的非晶硅薄膜在950℃退火后的Raman光譜圖，結(jié)晶峰520cm-1處越高，壓強越低，衍射峰半高寬減小，晶粒尺寸越大，表明晶化現(xiàn)象越明顯。隨著壓強的減小，晶化程度加深，1Pa下制備出的poly-Si的晶化率在48%以上。0.2Pa制備的poly-Si的晶化率最高為61%，達(dá)到了很好的晶化效果。

圖4 在不同壓強下沉積的poly-Si薄膜Raman光譜圖

(4)電學(xué)特性表征

使用霍爾測試儀對鈍化接觸結(jié)構(gòu)的接觸電阻率和空穴載流子濃度進行了測量。測試結(jié)果如圖5所示，值得注意的是，在原位摻雜之中，在0.5Pa接觸電阻率（2mΩ·cm2）非常低，并隨著沉積壓力的增加而增加，此時對應(yīng)0.5Pa壓強下制備硅薄膜載流子濃度也達(dá)到最高為5.4×1019cm-3。另外，增加的退火溫度也會降低接觸電阻率。盡管如此，該工藝仍能為poly-Si/SiOx/c-Si結(jié)構(gòu)提供出色的界面鈍化質(zhì)量。

圖5 不同壓強下沉積薄膜的接觸電阻率和載流子濃度變化

使用TOF-SIMS對0.5Pa的硅薄膜進行了測試，結(jié)果如圖6所示，硅薄膜摻雜原子的含量逐級緩慢遞減，直到碰到界面后驟降，這是因為除了界面化學(xué)鈍化功能外，界面SiOx層可以作為屏障來阻止摻雜劑從poly-Si層擴散到c-Si襯底。經(jīng)過分析，80nm的poly-Si/SiOx/c-Si界面處的摻雜原子濃度大于5.236×1019cm-3，與霍爾測試的結(jié)果相近。此外圖中用SIMS測量的相應(yīng)的30Si+深度濃度剖面，用于觀察poly-Si層厚度，結(jié)果也證明了薄膜厚度在預(yù)期范圍內(nèi)。

圖6 在0.5Pa壓強沉積的950℃退火后SIMS圖

3.結(jié)論

綜上所述，本研究展示了一種制造空穴選擇性鈍化接觸的方法，并提出了濺射工作壓強對制備的poly-Si薄膜及其相應(yīng)的原位B摻雜poly-Si/SiOx的結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明：0.5Pa壓強下沉積的α-Si在950℃高溫退火后重結(jié)晶為poly-Si結(jié)構(gòu)，接觸電阻率最低為2.04mΩ·cm2，最高載流子濃度是5.4×1019cm-3，硅薄膜的結(jié)晶分?jǐn)?shù)可以達(dá)到54%，并且可以獲得高達(dá)21nm的晶粒尺寸。