原子层沉积Al2O3钝化膜在太阳电池上的应用研究-权微娟-浙江正泰.pdf-solarbe文库

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SOLAR ENERGY 06/2017 29 0 引言近几年，晶体硅钝化发射极背面接触 PERC 太阳电池备受行业研究者的关注，是未来几年的主打产品。它的主要特点是可充分利用太阳光，效率的提升主要来自背面钝化的改善，以及背面钝化膜光的反射，因此效率得到了整体提高。等离子体增强化学气相沉积 PECVD 法和空间原子层沉积 ALD 法沉积 Al 2 O 3 钝化膜设备的发展，极大推进了晶体硅 PERC 太阳电池的工业化。从工业化应用的角度来讲， ALD 法与 PECVD 法相比具有沉积温度低、成膜匀性好、沉积速率易于控制、成膜质量高沉积薄膜中的杂质含量非常低的明显优势。 ALD 法比 PECVD 法具有更广阔的应用前景 [1] 。 1 实验过程本文采用空间 ALD 法，所使用的前驱体为三甲基铝 TMA 和 H 2 O，反应过程中的两个半反应分别为 AlOH * AlCH 3 3 AlOAlCH 3 2 * CH 4 1 AlCH 3 * H 2 O AlOH * CH 4 2 空间 ALD 法工作示意图如图 1 所示。由图 1 可知，反应前驱体 TMA 和 H 2 O 交错排列，它们之间由 N 2 隔绝，硅片在腔体内随托盘摆动，当硅片移动到 TMA 下方时，发生第一个半反应，当硅片移动到 H 2 O 下方时发生第二个半反应，原子层沉积 Al 2 O 3 钝化膜在太阳电池上的应用研究通过原子层沉积ALD法制备晶体硅钝化发射极背面接触PERC太阳电池中的Al 2 O 3 钝化膜，研究ALD工艺三甲基铝TMA流量、 H 2 O流量对Al 2 O 3 沉积速率的影响。采用不同厚度的Al 2 O 3 钝化膜制备晶体硅PERC太阳电池，结果显示电池效率随Al 2 O 3 膜厚的增加呈先升后降趋势， Al 2 O 3 厚度为7 nm时电池效率最高，达到了19.15。原子层沉积；背钝化； Al 2 O 3 摘要关键词浙江正泰太阳能科技有限公司 ■ 权微娟 * 贺海晏单伟王仕鹏黄海燕陆川收稿日期2016-12-01 通信作者权微娟 1984，女，工程师，主要从事高效晶硅太阳电池方面的研究。weijuan.quanastronergy.com 图 1 空间 ALD 法工作示意图 [2] N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 硅片 TMA H 2 O TMA 技术产品与工程 2017.06印刷.indd 29 2017-6-24 92408 万方数据 SOLAR ENERGY 06/2017 30 硅片在反应腔体内摆动的次数称之为 loop 数，在其他工艺条件一致的情况下， loop 数决定沉积膜的厚度。实验过程中采用椭偏仪和 SEM 测试 Al 2 O 3 厚度，所采用的沉积基片为直拉单晶抛光片。电性能测试中所采用的硅片为铸锭多晶 p 型硅片，厚度为 180±20 μm，面积为 156 mm156 mm，电阻率为 1.0～ 3.0 Ωcm。 PERC 太阳电池的制备流程如图 2 所示。 TMA 流量的最佳范围为 850～ 1000 sccm。 2.2 H 2 O 流量对 Al 2 O 3 沉积速率的影响 H 2 O 流量与 Al 2 O 3 沉积速率的影响见图 4。由图 4 可知，随着 H 2 O 流量增加， Al 2 O 3 的沉积速率也随之增加。 H 2 O 流量在 200～ 350 sccm 之间时， H 2 O 流量增加可迅速提高 Al 2 O 3 的沉积速率；当 H 2 O 流量由 350 sccm 上升至 750 sccm 时， Al 2 O 3 沉积速率的增加趋于平缓，此流量范围内沉积速率可控性更强，便于大规模生产管理。 2 实验结果及分析 2.1 TMA 流量对 Al 2 O 3 沉积速率的影响 TMA 流量对 Al 2 O 3 沉积速率的影响见图 3。由图 3 可知，随着 TMA 流量增加， Al 2 O 3 的沉积速率也随之增大；当 TMA 流量由 550 sccm 增加到 850 sccm 时， Al 2 O 3 的沉积速率是呈直线上升的；而当 TMA 流量由 850 sccm 增加到 1000 sccm 时， Al 2 O 3 沉积速率曲线上升缓慢，这可能是因为 TMA 过量导致。在工业化生产中 Al 2 O 3 沉积速率越大意味着每小时产量越高，但当沉积速率的增长变得缓慢后，再增加 TMA 流量会导致 TMA的浪费，从而增加了生产成本。由此可知，图 2 PERC 太阳电池制备工艺流程图 3 TMA 流量对沉积速率的影响不同 loop 数的 Al 2 O 3 厚度见图 5。通过椭偏仪和 SEM 测试的厚度值非常接近见表 1，椭偏仪操作简单易行，便于大规模生产控制。由图 5 可知，随着 loop 数增加 Al 2 O 3 厚度呈线性增长。由此可见，采用 ALD 方法制备的 Al 2 O 3 膜厚易图 4 H 2 O 流量与沉积速率的关系图制绒扩散刻蚀、去PSG ALD背面PECVD 正面PECVD 激光丝网印刷烧结测试 500 600 700 800 900 1000 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 æ Î q /nm Q -1 TMA sccm æ Î q /nm Q -1 200 300 400 500 600 700 800 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 H 2 O /sccm 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 ¥¨/n m loop 图 5 loop 数与膜厚的关系图表 1 椭偏仪和 SEM 测试 Al 2 O 3 厚度对比测试方法 Al 2 O 3 厚度 /nm loop40 loop60 loop80 loop100 椭偏仪 26.3 42.7 56.3 71.5 SEM 25 41 55 72 技术产品与工程 2017.06印刷.indd 30 2017-6-24 92409 万方数据 SOLAR ENERGY 06/2017 31 于控制，只需增加或减少 loop 数就可得到理想厚度的 Al 2 O 3 钝化膜，而且整面均匀性好。图 6 为不同 loop 数的 Al 2 O 3 厚度的 SEM 图。由图 6 可知，随着 loop 数增加， Al 2 O 3 厚度也随之增加， Al 2 O 3 厚度越厚， Al 2 O 3 和 Si 的界面越清晰， Al 2 O 3 钝化膜的表面越平整，均匀性越好。此外， loop40 时 Al 2 O 3 表面有较大的突起，这可能是因为在沉积 Al 2 O 3 前 Si 表面未处理干净，带入的杂质导致。表 2 不同 Al 2 O 3 厚度的太阳电池电性能参数 Al 2 O 3 厚度 /nm U oc /V I sc /A R s /mΩ R sh /Ω FF / N cell / 数量 3 0.638 9.17 2.2 193 78.78 18.93 240 5 0.640 9.19 2.3 160 78.8 19.04 236 7 0.643 9.22 2.3 246 78.74 19.15 238 11 0.639 9.14 2.3 222 78.74 18.90 235 32 0.637 9.10 2.4 172 78.50 18.61 239 作用。在退火前，储存在 Al 2 O 3 中的 H 原子以 H - O 基的形式存在，退火过程中 H - O 键获得足够的能量断开， H 原子被激活，穿过钝化膜到达 Si - SiO 界面，与硅表面的悬挂键复合，形成 H - Si 键，从而减少了硅表面的界面态密度 [4] 。当 Al 2 O 3 厚度太薄时， Al 2 O 3 中 H 含量太少而未能完全饱和 Si 表面的悬挂键；当 Al 2 O 3 厚度太厚时， H 原子通过钝化膜的困难加大，导致真正能起到钝化作用的 H 原子减少。因此， PERC 太阳电池的转换效率随 Al 2 O 3 厚度呈先升后降趋势。 3 结论本文通过对 ALD 法沉积 Al 2 O 3 钝化膜的工艺进行研究，发现适合量产的 TMA 和 H 2 O 流量范围分别为 850～ 1000 sccm 和 350～ 750 sccm，此范围内的 Al 2 O 3 沉积速率快、成膜质量高、工艺稳定性高。实验过程中采用椭偏仪和 SEM 对同一样品进行测试发现，两种测试方法的测试结果一致。由不同厚度的 Al 2 O 3 钝化膜制备晶体硅 PERC 太阳电池结果显示，电池效率随 Al 2 O 3 膜厚的增加呈先升后降趋势， Al 2 O 3 厚度为 7 nm 时电池效率最高。参考文献 [1] 范欢欢. 原子层沉积制备氧化物光学薄膜的特性研究[D]. 杭州浙江大学, 2013. [2] 张祥. Al 2 O 3 钝化及其在晶硅太阳电池中的应用[J]. 物理学报, 2012, 6118 187303-1 － 187303-8. [3] Dingemans G. Status and prospects of Al 2 O 3 -based surface passivation schemes for silicon solar cells[J]. Journal of Vacuum Science Technology A, 2012, 304 040802-1 － 040802-27. [4] 孙昀. 用于高效硅太阳电池的原子层沉积Al 2 O 3 表面钝化特性研究[J]. 太阳能, 2013, 6 38 － 40. 2.3 Al 2 O 3 厚度对 PERC 太阳电池电性能的影响不同 Al 2 O 3 厚度的太阳电池电性能参数见表 2。由表 2 可知，随着 Al 2 O 3 厚度的增加， PERC 电池的效率先大后小， Al 2 O 3 厚度为 7 nm 时， PERC 太阳电池效率达到最高，为 19.15。这与文献报道的 Al 2 O 3 的钝化效果与沉积厚度有一定的依赖性相一致 [3] 。 Al 2 O 3 中 H 的含量在钝化效果中起着关键的图 6 不同 loop 数的 Al 2 O 3 厚度的 SEM 图 a. loop40 50 µm 25.0 nm 24.0 nm b. loop60 90 µm 41.0 nm c. loop80 120 µm 55.0 nm d. loop100 120 µm 72.2 nm 技术产品与工程 2017.06印刷.indd 31 2017-6-24 92409 万方数据