石惠君 倪玉鳳 張 博 陳 丹 王冬冬

（1．青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司太陽能電池及組件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000；2．青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，陜西 西安 710100）

晶硅光伏太陽電池的飛速發(fā)展對(duì)晶體硅電池表面鈍化要求越來越高。其中硅片厚度朝著越來越輕薄化的方向發(fā)展，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的電池表面復(fù)合問題。由于硅片厚度變薄，晶體的周期性被破壞，從而產(chǎn)生懸掛鍵，使晶體表面存在大量位于帶隙中的缺陷能級(jí)。位錯(cuò)、化學(xué)殘留物以及表面金屬的沉積等都會(huì)引入缺陷能級(jí)，這些使硅片表面成為復(fù)合中心[1]。由于氧化鋁鈍化薄膜具有較高的固定負(fù)電荷密度（Qf）和較低的界面缺陷密度（Dit），因此能夠同時(shí)具備良好的化學(xué)鈍化和場(chǎng)化學(xué)鈍化作用，并對(duì)P型和n型晶體硅電池表面有良好的鈍化效果[2]。

目前，氧化鋁薄膜常見的制備方法有磁控濺射、陽極氧化、溶膠-凝膠法、電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積以及原子氣相沉積等。ALD（Atomic Layer Deposition）原子層沉積技術(shù)是一種基于有序、表面自限制性反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積薄膜的方法。該制備方法具有成膜厚度可控、高保形性、高平整性、良好的附著性以及低熱預(yù)算等優(yōu)點(diǎn)[3]。該文采用原子層沉積技術(shù)在N型硅片上沉積了氧化鋁薄膜，并研究了制備工藝參數(shù)對(duì)氧化鋁薄膜對(duì)稱結(jié)構(gòu)鈍化性的影響，在最優(yōu)的工藝參數(shù)下制備了TOPCon成品電池。

1 試驗(yàn)

1.1 TOPCon電池結(jié)構(gòu)

該文試驗(yàn)采用尺寸為G1（158.75mm×158.75mm）、厚度為160nm以及電阻率為0.3～2.1的N型硅片進(jìn)行試驗(yàn)電池片制備。制備的TOPCon電池片結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體制備流程如下：1）通過NaOH溶液和制絨添加劑在硅片表面進(jìn)行雙面制絨，絨面金子塔尺寸為15μm～20μm。2）通過BBr3進(jìn)行單面高溫?zé)釘U(kuò)散制備正表面發(fā)射極，控制方塊電阻120Ω/□～200Ω/□。3）應(yīng)用濃度為10%～15%的HF溶液，將反應(yīng)過程中硅片背面和四周邊緣產(chǎn)生的硼硅玻璃清洗干凈。4）在硅片背面采用NaOH溶液和堿拋添加劑進(jìn)行拋光，硅片質(zhì)量減少約0.15g～0.3g。5）在硅片背面采用管式LPCVD設(shè)備制備SiO2遂穿氧化層和多晶硅層，氧化層厚度約1nm～2nm，多晶硅層厚度約100nm～150nm。6）通過POCl3在背面進(jìn)行磷擴(kuò)散，控制方塊電阻30Ω/□～50Ω/□。7）采用濃度為5%～8%的HF溶液清洗正面磷硅玻璃。8）采用NaOH溶液和去繞度添加劑清洗正面多晶硅繞度。9）采用ALD管式熱原子沉積設(shè)備制備雙面氧化鋁薄膜，厚度為3nm～10nm。10）采用管式PECVD制備雙面SiNx薄膜，用以減反射和鈍化，正、背面厚度分別為70nm～80nm、90nm～100nm，正、背面折射率分別為2.0～2.2、2.0～2.05。11）進(jìn)行正、背面絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)，燒結(jié)峰值溫度范圍為750℃～780℃。

圖1 n-TOPCon電池結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)樣品制備

該試驗(yàn)采用微導(dǎo)有限公司KF6000型原子層沉積設(shè)備，通過熱沉積技術(shù)在N型原始硅片上制備氧化鋁薄膜，硅片尺寸為158.75mm×158.75mm，電阻率為0.3～2.1。

在試驗(yàn)過程中，為了準(zhǔn)確測(cè)試Al2O3薄膜的鈍化性，試驗(yàn)片采用雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具體制備流程如下：先將N型原始硅片進(jìn)行雙面制絨，將制絨后的絨面片放入硼擴(kuò)散爐管中進(jìn)行雙面硼擴(kuò)散，形成P+/N-si/P+結(jié)構(gòu)。采用濃度為15%的HF溶液去除硼擴(kuò)散沉積后表面的硼硅玻璃。然后在管式原子層沉積設(shè)備中進(jìn)行雙面Al2O3鈍化膜沉積，將試驗(yàn)片放入管式PECVD鍍膜設(shè)備中進(jìn)行雙面氮化硅減反膜沉積，氮化硅膜厚約80nm。再將試驗(yàn)片放入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)退火工藝，燒結(jié)爐峰值溫度為760℃，制備后的對(duì)稱結(jié)構(gòu)樣品如圖2所示。最后將試驗(yàn)片放入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)爐峰值溫度為760℃。采用SintonWCT-120測(cè)量制備好的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的有效少子壽命。

圖2 Al2O3鈍化膜對(duì)稱結(jié)構(gòu)圖

1.3 ALD原子層沉積原理

原子層沉積是一種特殊的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)相比，ALD由A、B的半反應(yīng)序列組成，具有表面自限制、薄膜厚度可自由控制和較低的生長溫度等特點(diǎn)[4]。ALD制備氧化鋁薄膜通常以TMA為金屬鋁源，水蒸氣為氧源，每個(gè)循環(huán)主要由4個(gè)步驟組成，具體如下：1）TMA蒸氣脈沖進(jìn)入管式反應(yīng)腔室，在暴露的硅基底表面發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)A。2）采用高純氮?dú)鈱⑽窗l(fā)生反應(yīng)的TMA蒸氣和反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物甲烷從反應(yīng)腔室清理出去。3）水蒸氣脈沖進(jìn)入反應(yīng)腔室，與TMA發(fā)生反應(yīng)的硅基底表面進(jìn)行表面化學(xué)反應(yīng)B。4）高純氮?dú)獍盐窗l(fā)生反應(yīng)的水蒸氣和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物甲烷從反應(yīng)腔室清理出去。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝溫度對(duì)硅片少子壽命的影響

加熱溫度是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數(shù)之一，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，該文主要研究不同加熱溫度對(duì)Al2O3薄膜對(duì)稱結(jié)構(gòu)少子壽命（τ）的影響。不同加熱溫度下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表1。

表1 不同沉積溫度下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同沉積溫度對(duì)硅片少子壽命的影響如圖3所示。從圖3可以看出，在相同工藝參數(shù)下，隨著沉積溫度從200℃升至250℃，Al2O3薄膜的少子壽命呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢(shì)。當(dāng)沉積溫度為220℃時(shí)，前驅(qū)體TMA與硅基底表面反應(yīng)活性最強(qiáng)，生成的Al2O3薄膜均勻性和致密性最好，硅片鈍化性達(dá)到最優(yōu)，少子壽命達(dá)到最大值354μs。溫度過低時(shí)，可能會(huì)使前驅(qū)體TMA與硅基底表面發(fā)生不完全化學(xué)反應(yīng)，降低Al2O3薄膜的生長速率；溫度過高時(shí)，前驅(qū)體TMA與硅基底生長表面解吸作用加劇，會(huì)降低Al2O3薄膜生長速率，過高和過低的生長溫度都不利于Al2O3薄膜生長。

圖3 不同加熱溫度下Al2O3薄膜少子壽命變化

2.2 反應(yīng)循環(huán)次數(shù)對(duì)硅片少子壽命的影響

反應(yīng)循環(huán)次數(shù)是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數(shù)之一，通過控制反應(yīng)循環(huán)次數(shù)，即可精確控制膜厚。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，該文主要研究了不同沉積循環(huán)數(shù)對(duì)Al2O3薄膜對(duì)稱結(jié)構(gòu)少子壽命（τ）的影響。不同沉積循環(huán)下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表2。

表2 不同循環(huán)下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同反應(yīng)循環(huán)次數(shù)對(duì)硅片少子壽命的影響如圖4所示。從圖4可以看出，在相同工藝參數(shù)下，隨著反應(yīng)循環(huán)數(shù)增加，硅片平均少子壽命呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)周期循環(huán)達(dá)到25cycle時(shí)，硅片的平均少子壽命僅為241μs。當(dāng)反應(yīng)周期循環(huán)增至65cycle時(shí)，硅片的平均少子壽命達(dá)到307μs。繼續(xù)將反應(yīng)周期循環(huán)次數(shù)增至80cycle，硅片的平均少子壽命降至273μs。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)循環(huán)次數(shù)超過65cycle時(shí)，硅片表面生成的Al2O3薄膜少子壽命不再增加，表明在該反應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的Al2O3薄膜有良好的場(chǎng)鈍化效應(yīng)[5]。

圖4 不同沉積循環(huán)數(shù)下Al2O3薄膜的少子壽命變化

2.3 TMA流量對(duì)硅片少子壽命的影響

TMA流量是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數(shù)之一，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，該文主要研究了不同TMA流量參數(shù)對(duì)Al2O3薄膜對(duì)稱結(jié)構(gòu)少子壽命（τ）的影響。不同TMA流量下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表3。

表3 不同TMA流量下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同TMA流量對(duì)硅片少子壽命的影響如圖5所示。從圖5可以看出，在相同工藝參數(shù)下，隨著TMA流量增加，硅片少子壽命呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢(shì)。當(dāng)TMA流量為18sccm時(shí)，硅片少子壽命平均值達(dá)到241μs，繼續(xù)將TMA流量增至30sccm，硅片平均少子壽命從241μs提升至308μs。分析認(rèn)為，隨著TMA流量的提升，反應(yīng)中Al離子的數(shù)目增加，與硅基體反應(yīng)更劇烈，生成的Al2O3薄膜致密性增加，增強(qiáng)了Al2O3薄膜的場(chǎng)鈍化效應(yīng)，提升了硅片的少子壽命。當(dāng)TMA流量增至36sccm時(shí)，TMA反應(yīng)量太大，不能充分分解，在爐管內(nèi)生成了碳化鋁（Al4C3）。該成分會(huì)附著在Si基底表面，阻礙Al2O3薄膜生長，導(dǎo)致硅片少子壽命下降。

圖5 不同TMA流量下Al2O3薄膜的少子壽命的變化

2.4 TOPCon電池制備

從上述試驗(yàn)結(jié)果可得出Al2O3薄膜制備最佳工藝參數(shù)為加熱溫度220℃，反應(yīng)循環(huán)數(shù)65cycle，TMA流量24sccm。該文在最優(yōu)的氧化鋁薄膜制備工藝條件下進(jìn)行了TOPCon電池制備，制備后的半成品藍(lán)膜片燒結(jié)前與燒結(jié)后的少子壽命值如圖6所示。由圖6可以看出，燒結(jié)后的半成品少子壽命數(shù)值達(dá)到524μs。成品TOPCon電池電性能參數(shù)見表4。制備后的電池隱開路電壓達(dá)到713mV，短路電流達(dá)到10.32mA，填充因子FF為82.63%，電池效率為24.10%。

表4 TOPCon電池電性能參數(shù)

圖6 鍍膜片燒結(jié)前和燒結(jié)后的少子壽命變化

3 結(jié)論

該文采用KF6000型原子層沉積設(shè)備研究了加熱溫度、反應(yīng)循環(huán)次數(shù)和TMA流量等工藝參數(shù)對(duì)Al2O3薄膜鈍化性的影響。試驗(yàn)表明，上述參數(shù)對(duì)Al2O3薄膜鈍化特性有不同程度的影響，得出了具有良好鈍化特性且適用于產(chǎn)線的Al2O3薄膜制備方法。結(jié)果表明，在加熱溫度220℃、反應(yīng)循環(huán)次數(shù)65cycle、TMA流量30sccm的條件下，Al2O3薄膜鈍化性最優(yōu)。在該工藝參數(shù)下制備的N型TOPCon電池的電池效率達(dá)到24.10%。