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N 型太阳能电池叠层膜钝化技术研究郎芳王子谦张伟李锋史金超光伏材料与技术国家重点实验室英利能源（中国）有限公司摘要本文从提升 N 型太阳能电池表面钝化入手，分析了单层膜 SiNx、双层膜 SiNx/SiOx 或 SiNx/AlOx 及三层膜 SiNx/ AlOx /SiOx 对 N 型太阳能电池表面钝化的不同作用。实验结果表明， SiNx/AlOx/SiOx 三层膜可以实现对 N 型太阳能电池硼发射极表面的优异钝化。在烧结过程中，氢从 SiNx 扩散到 SiOx/Si 界面提供了极好的化学钝化。p型表面达到更好的表面钝化是通过 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜提供的场效应钝化和化学钝化共同作用的结果。关键词表面钝化膜；SiN x/ AlOx /SiOx；N 型太阳能电池通讯作者郎芳研究方向N 型高效太阳能电池技术 Emailfang.langyingli.com 1. 研究背景目前，N 型硅材料正日益受到光伏产业和科学界的关注。一些优点使得它更适合于高效率太阳能电池的制造 [1]。首先，N 型材料对常见的金属污染物（如 Fe）具有更大的耐受性，这对少数载流子寿命有明显的影响。与具有类似杂质浓度的 P 型 C-Si 衬底相比，这种优势可能导致更高的少数载流子扩散长度。此外，N 型材料不受硼氧缺陷的影响，这对于 P 型 C-Si 沉底的太阳能电池极易产生光诱导衰减。 [2,3] 晶体硅光伏行业的发展趋势是要制造出更薄、更高效的电池片。当硅片厚度小于少数载流子的扩散长度时，电池表面的复合速率对效率的影响就显得非常重要 [4]。随着硅片厚度的减薄，硅片的表面复合越来越重要，因此更需要开发更优异的表面钝化方法。通过改善表面钝化的质量来降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。通过 AlOx 膜层钝化 N 型太阳能电池的 p发射极表面已经引起了光伏界的极大兴趣。采用 ALD、PECVD、溅射等技术制备的钝化 AlOx 层，可以获得高水平的表面钝化。本文介绍了用 Al2O3 钝化 p发射极表面的 N 型太阳电池的一些实验进展。我们发现 Al2O3 层的钝化效率随着薄 SiO2 中间层的增加而增强。在 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜上钝化的电池性能最优。 2. 研究结果与讨论本实验采用 156156mm 的 N 型硅片，电阻率 1-3Ω·cm，厚度为 200μm。实验过程全部采用英利 N 型电池量产设备。 2.1 实验过程硅片首先碱制绒，形成双面织构化金字塔结构。随后通过 POCl3 源扩散形成方块电阻为 30Ω/sq 的背面场。接着通过 BBr3 源扩散形成方块电阻为 60Ω/sq 的发射极。在 HF 溶液中浸泡以去除硼硅玻璃和磷硅玻璃。之后将硅片随机分为四组A 、B 、C 和 D 组，B 组和 D 组在硝酸水溶液中进行清洗，在硅片的上下表面制备薄 SiOx 钝化层，膜层厚度约 1nm。C 组和 D 组在 180℃接受热 ALD 工艺，形成薄的 AlOx 钝化层，膜层厚度约 5nm。此后，通过 PECVD 工艺在所有这些硅片上沉积相同的 SiNx 减反射膜，膜层厚度约 80nm。在不同组的硅片发射极的表面上形成不同的钝化层，见表 1。通过丝网印刷方法形成金属接触，并选取温度为 750℃的烧结条件下完成太阳能电池工艺。实验同时制备 a、b、c、d 四组不同膜层在硅片上下表面成膜形成的双面对称结构，即 p/n/p结构进行后续分析测试。 2.2 实验结果根据上述过程制成太阳电池，在标准测试条件下测试结果见表 2。只采用 SiNx 作为钝化层，电池效率非常低，主要表现为开路电压和短路电流非常低。采用双层膜堆叠钝化，无论是 SiNx/SiOx 或是 SiNx/AlOx 堆叠，两组得到较为一致的电池结果。两组的开路电压、短路电流参数也非常接近，因此可以判断出两种堆叠膜层在 N 型太阳能电池表面的钝化性能相当。SiN x/ AlOx /SiOx 三层膜堆叠钝化得到最高的太阳电池转换效率，其开路电压和短路电流较 A、B、C 组均有明显的提升，达到了最好的表面钝化效果。表 1. 不同分组的硅片表面钝化膜层. 太阳电池分组 p/n/p器件钝化膜层 A a SiNx B b SiNx/SiOx C c SiNx/AlOx D d SiNx/AlOx /SiOx 表 2. 不同钝化膜层的太阳电池参数中间值AM1.5G, 100 mW/cm 2, 25℃. 太阳电池分组钝化膜层 UocV IscA/cm2 FF Efficiency）膜层厚度（nm ） A SiNx 0.623 37.29 78.93 18.34 80 B SiNx/SiOx 0.651 39.07 80.84 20.57 80/1 C SiNx/AlOx 0.651 39.05 80.82 20.54 80/5 D SiNx/AlOx /SiOx 0.654 39.53 80.35 20.78 80/5/1 2.3 测试表征与讨论对 a、b、c、d 四组覆盖了不同钝化层的 p/n/p双面对称结构进行分析测试。通过测量这些样品的有效寿命，我们可以进一步了解不同膜层之间的差异。图 1 显示了不同钝化膜层下测量的这些样品的有效寿命，样品在烧结前后分别进行测量。图 1. 样品的有效寿命（样品在烧结前后分别进行测量）。由图 1 可见对于单层 SiNx 的样品，其有效寿命非常低，并且在烧结前后几乎相同，表明 SiNx 对 P型表面钝化的影响非常有限。具有 SiNx/SiOx 双层膜的样品，烧结前与 SiNx 样品具有相同的有效寿命，但烧结后其寿命提高了近十倍，这主要是由于 SiNx 和 SiOx 的联合作用， SiNx 层是氢的储层，含氢原子扩散到 SiOx/Si 界面并钝化悬挂键，通常称为化学钝化。在 SiNx/AlOx 堆叠钝化样品的情况下，烧结前的有效寿命比 SiOx/SiNx 堆叠钝化的样品高约 2 倍，这可能是由于在 AlOx 层的沉积过程中存在的固定负电荷，导致场效应钝化，烧结后其有效寿命大幅增加。最高有效寿命来自于 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜样品。该样品在烧结前就具有较高水平的表面钝化，此时的寿命几乎等于 SiNx/AlOx 烧结后的样品，这意味着 SiOx 中间层增强了钝化效应，大大降低了界面缺陷密度，烧结后钝化效果大大提高。 3. 结论实验结果表明，SiN x/AlOx/SiOx 三层膜可以实现对 N 型太阳能电池硼发射极表面的优异钝化。在烧结过程中，氢从 SiNx 扩散到 SiOx/Si 界面提供了极好的化学钝化。p 型表面达到更好的表面钝化是通过 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜提供的场效应钝化和化学钝化共同作用的结果。参考文献 [1] Jan Benick, Oliver Schultz-Wittmann, Jonas Schön, and Stefan W. Glunz, “Surface passivation schemes for high-efficiency n-type Si solar cells,“ physica status solidi RRL – Rapid Research Letters 2 4, 145-147 2008. [2] Manabu Itsumi, Yoshiyuki Sato, Kazuo Imai, and Norikuni Yabumoto, “Characterization of metallic impurities in Si using a recombination-lifetime correlation method,“ Journal of Applied Physics 82 7, 3250-3255 1997. [3] Daniel Macdonald and L. J. Geerligs, “Recombination activity of interstitial iron and other transition metal point defects in p- and n-type crystalline silicon,“ Applied Physics Letters 85 18, 4061-4063 2004. [4] ABERLE A G. Surface passivation of crystalline silicon solar cells a review [J]. Progress in Photovoltaics, 2000,85473-487.