用原子层沉积方法制作氧化铝钝化膜的太阳能电池(2015晶澳)..docx

用原子层沉积方法制作氧化铝钝化膜的太阳能电池摘要：原子沉积的Al2O3膜可以应用为背钝化电介质层，来制作PERC钝化发射极的晶体硅太阳能电池。存在负电荷Al2O3的低电阻率P型硅通过良好的背钝化，转换效率已经达到 20.6%。其中最优工艺是30nm的Al2O3薄膜上覆盖着200nm通过等离子增强化学沉积（PECVD）的硅氧膜（SiOx），会导致70cm/s的背面复合速率（SRV），而如果只是130nm的单层Al2O3，会导致90cm/s的背面复合速率。关键词：晶体硅太阳能电池；表面钝化；高效电池；氧化铝。1 介绍硅太阳能电池现在的趋势是越来越薄的晶体硅（c-Si）片和越来越高的转换效率，所以有效地减少表面复合损失变得越来越重要。在高效实验室硅太阳能电池[1-3]中，在高温（≥900℃）中通O2，生长的SiO2可以有效地抑制表面复合，再经过约400℃的退火，低电阻率（~1Ωcm）P型硅片存在Al薄膜和热生长的SiO2，这样轻掺杂背表面可以实现非常低的表面复合速率（SRVs）[4]。另外，对于近能带隙光子，堆叠在硅片背面的SiO2/Al充当良好的反射镜，提高了光子的吸收，所以电池的短波响应也提高了。高热氧不能大量应用于电池工业生产的主要原因之一是硅片少子寿命对高温敏感，特别是温度约为900℃时，多晶硅片中少子寿命会减少很多[5]。所以，低温表面钝化替代品需要拥有和SiO2相同的特性，这是在未来工业生产晶体硅高效太阳能电池所必须的。另一种主要研究的替代品是氮化硅（SiNx），一般用化学汽相淀积（PECVD）法在约400℃时生成，而且在P型硅上具有和SiO2相同的SRVs [6、7]。但是当其应用于钝化极的背面和（PERC）太阳能电池的背面时，相比于SiO2钝化膜，短波电流密度减少的速度要快得多[8]。这种影响归因于氮化硅膜中高浓度正电荷在氮化硅膜下的c-Si中引发了倒置层，这种倒置层和基区接触的耦合导致短波电流密度大量减少，这种不利的影响称为寄生分流[9]。另一个可以得到与退火的SiO2相同SRVs的低温钝化方案，是用氢化非晶硅（a-Si）在200℃-250℃[10]范围内进行PECVD沉积。尽管事实上寄生分流不会发生在氢化非晶硅钝化太阳能电池上，但是新的问题是热处理过程中氢化非晶硅钝化的高强度。最近，由载流子寿命测试[11,12]结果表明由原子层沉积（ALD）生长的氧化铝（Al2O3）薄层在p型或n型硅表面提供了钝化良好的表面态。在低电阻率P型硅上已经证明了利用低温等离子的ALD 其SRVs13cm/s[12]。氧化铝层中的固定负电荷密度导致P型c-Si表面存在一个累积层，这个累积层在电池片背面可以提供一个有效的场效应钝化。对于相邻能带隙的光子，由于其较高的透明度，所以在c-Si电池片背面ALD沉积氧化铝是最理想的选择。本文中，我们提出氧化铝背钝化的PERC太阳能电池的第一个结果，证明了原子层沉积的氧化铝对未来高效晶体硅太阳能电池的巨大优势。2 太阳能电池流程图1表示的是PERC太阳能电池结构，利用这项研究证明氧化铝背钝化对高效太阳能电池的适用性。图2表示的是PERC太阳能电池制作流程图，衬底我们使用的是（100）单晶硅硅片，厚度为310μm，电阻率为0-5Ω.cm；用KOH腐蚀硅片表面，得到绒面结构；再用POCl3源扩散得到方阻为100Ω/□的n+发射极；经过湿刻，用HF将磷硅玻璃除掉；湿刻后，在1000℃的氧化过程中硅片表面生长了一层二氧化硅；最后，我们将电池片将分为3类，每一类接受不同的背钝化：（1）第一类热生长SiO2，（2）第二类生长130nm的氧化铝膜，（3）第三类用30nm的氧化铝膜钝化，再用PECVD镀上一层200nm的SiOx膜。 ALD氧化铝沉积过程分为两个自限反应，包括三甲基氯和氧气的等离子体。Hoex等人的研究应用了退火工艺[11]，沉积后的退火步骤已经在图2中列出。PECVD是用SiH4和N2O沉积出的SiOx膜。剩下的制作流程对于三个类别的电池片都是相同的，使用光刻点接触开口蚀刻到介电层背面，光刻掩模导致存在2毫米的点接触间距，而且金属化率为4%。在整个电池背面使用电子束蒸发，可以蒸发掉20μm的铝。N+发射极的氧化是在500℃下进行10min，得到约1.5nm厚的氧化层[15]，20μm的Al金属网格是通过氧化层上的掩膜蒸发掉的。最后，表面钝化的SiNx膜是在300℃下用PECVD沉积到PERC电池的正面[6]。上文提到的电池片在空气氛围中在300℃下退火1min，可以稍微提高填充因子和开路电压。3 结果表1是不同表面钝化处理的的PERC太阳能电池的性能参数，测试条件是25℃，100mW/cm2，AM1.5G。经过退火生成SiO2背钝化可用来作为最好的参考，转换效率为20.5%，开路电压Voc=