基于載流子選擇性接觸的N型晶硅電池鈍化特性研究

張?zhí)旖?，劉大偉，倪玉鳳，楊 露，魏凱峰，宋志成，林 濤

(1.國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司，西安 710100；2.西安理工大學(xué)電子工程系，西安 710048)

0 引 言

制作高效率、低成本的晶硅電池一直是光伏能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而提高晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，除了從光學(xué)角度增加太陽能電池對光的吸收，減少光生載流子在電池表面和體內(nèi)的復(fù)合一直是太陽能電池提效的重要途徑[1]。近年來從硅片質(zhì)量改善來降低體缺陷，開發(fā)新型鈍化材料來降低表面態(tài)密度及界面缺陷，采用先進(jìn)的減反技術(shù)(新型的絨面陷光結(jié)構(gòu)與材料)以提高光的吸收，引入低電阻金屬化技術(shù)降低串聯(lián)電阻，優(yōu)化PN結(jié)制備技術(shù)以及器件結(jié)構(gòu)等取得了一系列重大的進(jìn)展，特別是N型單晶硅具有雜質(zhì)少、純度高、少子壽命高、無晶界位錯(cuò)缺陷及電阻率易于控制等優(yōu)勢，目前已成為實(shí)現(xiàn)高效率太陽電池的理想材料[2]。

基于N型晶硅電池發(fā)展起來的隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池前表面采用疊層膜鈍化工藝，背表面采用超薄氧化硅和摻雜多晶硅的疊層形成隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)，正是由于該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的隧穿鈍化特性，目前該種電池結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25.7%[3]，產(chǎn)業(yè)化電池轉(zhuǎn)換效率也超過了23%[4]。該隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)是通過制備一層超薄氧化硅(～1.5 nm左右)，然后再沉積一層磷摻雜的多晶硅而形成。由于磷摻雜的多晶硅層、隧穿氧化層及硅基體之間功函數(shù)的差異會(huì)使得界面處產(chǎn)生能帶彎曲，最終在隧穿氧化層及磷摻雜硅基體界面處形成一個(gè)勢壘層，該勢壘阻擋空穴達(dá)到界面處，而在二者的界面處則形成了一個(gè)電子累積層，使得電子則能夠輕易到達(dá)兩者的界面處而發(fā)生隧穿效應(yīng)[5-7]。此結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)(HIT)電池、叉指狀背接觸(IBC)等高效電池中，具有巨大的效率潛力[8]。因此隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)是晶硅太陽電池中非常具有工業(yè)化應(yīng)用前景的鈍化技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)了專門的隧穿鈍化接觸對稱結(jié)構(gòu)，并對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在退火摻雜后、沉積SiNx∶H薄膜及燒結(jié)后測試隱開路電壓值，研究該隧穿鈍化接觸結(jié)構(gòu)與疊層膜在太陽能電池制作中的復(fù)合鈍化特性，進(jìn)一步探討了多晶硅與硅基體內(nèi)摻雜濃度分布對隧穿氧化層的疊層鈍化特性的影響，并對該鈍化機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

圖1 隧穿鈍化接觸材料結(jié)構(gòu)Fig.1 Tunneling passivation contact material structure

圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的隧穿鈍化接觸研究的材料結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[9]中的模擬計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)的隧穿氧化層的生長厚度為1.2～1.4 nm，考慮到電池制作過程中多晶硅(Poly-Si)層在正表面的繞度清洗，設(shè)計(jì)的Poly-Si層的厚度為120 nm，SiNx層的設(shè)計(jì)厚度為75 nm。該材料結(jié)構(gòu)中基體選用雙面拋光的電阻率為2.0 Ω·cm的0°偏角的單晶N-Si；隧穿氧化層及多晶硅層均采用Tempress型低壓氣相沉積系統(tǒng)依次生長而成，隧穿氧化層的生長溫度為560～580 ℃，生長氣壓為700 mtor，源材料為氧氣；Poly-Si層沉積溫度為600～610 ℃，生長氣壓為200 mtor，源材料為SiH4。通過低壓氣相沉積系統(tǒng)完成隧穿氧化層及Poly-Si層的生長后，采用凱世通ipv-3000機(jī)臺(tái)對雙面沉積多晶硅層的樣片進(jìn)行磷離子注入，然后在860～880 ℃的溫度下退火處理，完成Poly-Si層磷摻雜源的激活，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。基于圖1(a)的結(jié)構(gòu)，在摻雜多晶硅層的表面沉積一層75 nm厚度的SiNx∶H薄膜，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。完成實(shí)驗(yàn)樣片材料結(jié)構(gòu)的生長制作過程中進(jìn)行背表面摻雜濃度分布及結(jié)構(gòu)鈍化特性測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈍化特性結(jié)果分析

在N型晶硅太陽能電池制作中，一般都需要經(jīng)過表面清洗、擴(kuò)散摻雜、表面鈍化、SiNx∶H薄膜沉積、印刷燒結(jié)等工藝。在這些工藝制程中硅片需要經(jīng)過不同的高溫及表面處理，少子壽命也會(huì)隨之變化。有效少子壽命與樣片的隱開路電壓值(iVoc)呈正相關(guān)性，有效少子壽命越高，其隱開路電壓值越高，相應(yīng)的電池端開路電壓越高，轉(zhuǎn)換效率也提高。為了研究實(shí)驗(yàn)樣片的鈍化特性，將制作完成的實(shí)驗(yàn)樣片，分別在退火處理后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結(jié)后測試隱開路電壓值，鈍化接觸材料結(jié)構(gòu)隱開路電壓值測試結(jié)果如圖2所示，退火后隱開路電壓均值為712 mV，沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值為742 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升30 mV，將沉積SiNx∶H薄膜后的樣片再進(jìn)行燒結(jié)處理，其隱開路電壓值均為738 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值降低4 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升24 mV。根據(jù)圖1(a)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因在于退火后，硅基體內(nèi)N+的摻雜層、隧穿氧化層及摻雜多晶硅疊層的界面處產(chǎn)生能帶彎曲[2,10]。材料的能帶結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，由圖3(a)可知N+層的多子(電子)累積到N+層與隧穿氧化層界面處，而生長的SiOx層很薄，到達(dá)N+層與隧穿氧化層界面處的多子可以隧穿到摻雜的多晶硅層，隱開路電壓均值可達(dá)712 mV。依據(jù)參考文獻(xiàn)的結(jié)果未生長隧穿氧化層時(shí)磷摻雜的poly(N+)產(chǎn)生的場鈍其隱開路電壓值為670～680 mV[11]?？梢娫趽诫s的多晶硅層與硅基體之間生長一層隧穿氧化層，能夠使得隱開路電壓值增加30 mV。當(dāng)沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值達(dá)到742 mV，鈍化特性提升，其鈍化機(jī)理如圖3(b)所示，一方面SiNx∶H薄膜具有很好的減反射作用，使得更多的光入射到樣片中，產(chǎn)生更多的載流子；另一方面由于摻雜的多晶硅表面原子具有大量的非飽和化學(xué)鍵，且多晶硅材料體內(nèi)存在較多的雜質(zhì)和缺陷，沉積SiNx∶H薄膜時(shí)引入的H既飽和了表面的化學(xué)鍵，降低了表面態(tài)密度，又使得部分H進(jìn)入到摻雜多晶硅層內(nèi)，鈍化了體內(nèi)的部分缺陷。因此沉積SiNx∶H薄膜后進(jìn)一步減小了少數(shù)載流子的復(fù)合速率，提高了鈍化特性[12]。

圖2 鈍化接觸材料結(jié)構(gòu)隱開路電壓Fig.2 Implied open circuit voltage of passivated contact material structure

將制作的圖1(b)樣片在峰值溫度為780 ℃的溫度下燒結(jié)，燒結(jié)爐帶的帶速為50 mm/s，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燒結(jié)后其隱開路電壓值略微降低，產(chǎn)生這一結(jié)果的機(jī)理如圖3(b)所示，由于燒結(jié)時(shí)一方面高溫促進(jìn)了氮化硅薄膜中的氫向硅中的內(nèi)擴(kuò)散，鈍化多晶硅及晶硅體內(nèi)的缺陷，使鈍化效果增強(qiáng)，另一方面硅中的氫向外擴(kuò)散，造成鈍化效果減弱，在600 ℃的常規(guī)熱處理時(shí)這兩個(gè)過程達(dá)到平衡，表現(xiàn)為隱開路電壓值在退火前后基本無變化；但是超過600 ℃處理時(shí)，氫的外擴(kuò)散逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為隱開路電壓值下降，特別是在燒結(jié)后冷卻過程中SiNx∶H薄膜中的部分H會(huì)發(fā)生再生態(tài)轉(zhuǎn)變[13]，使得注入多晶硅層的氫變成了氫分子而溢出體外，最后二者綜合作用的結(jié)果使得樣片的隱開路電壓值略有下降從而使得隱開路電壓值降低[14-15]。

圖3 鈍化機(jī)理圖Fig.3 Passivation mechanism diagram

2.2 摻雜濃度分布對鈍化特性分析

圖4為不同樣片退火后摻雜濃度分布曲線，樣片1至樣片4是采用不同的摻雜工藝得到的摻雜濃度分布曲線。由圖4可知各樣片多晶硅層的摻雜濃度保持為一定值，注入的磷摻雜源穿透隧穿氧化層到達(dá)硅基體內(nèi)部，且由樣片1至樣片4磷摻雜源進(jìn)入硅基體內(nèi)的“穿透”深度[16]逐漸增加。

圖4 摻雜濃度分布曲線Fig.4 Doping concentration distribution curves

圖5為不同摻雜濃度分布曲線隱開路電壓值的變化圖，圖5(a～d)隱開路電壓值依次對應(yīng)于圖4中樣片1至樣片4的摻雜濃度分布曲線。將不同摻雜濃度分布的實(shí)驗(yàn)樣片分別在退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結(jié)后采用Sinton WCT-120儀器Generalized模式測試隱開路電壓值，在硅基體內(nèi)具有較淺的“穿透”深度，退火后隱開路電壓均值為653 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達(dá)到734 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了81 mV，然后做燒結(jié)處理，其隱開路電壓的均值為704 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值下降了30 mV；樣片2摻雜退火后隱開路電壓均值為675 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達(dá)到740 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了65 mV，然后燒結(jié)處理后，其隱開路電壓的均值為725 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值下降了15 mV；樣片3摻雜退火后隱開路電壓均值為712 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達(dá)到742 mV，相比于退火后提升了30 mV，然后做燒結(jié)處理，其隱開路電壓均值為738 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值僅僅下降了4 mV；樣片4在硅基體內(nèi)具有較深的“穿透”深度，摻雜退火后隱開路電壓均值為699.8 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達(dá)到714.9 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了10 mV，然后做燒結(jié)處理，其隱開路電壓均值為714.8 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值基本保持不變。

由此可見，隱開路電壓值對摻雜濃度分布非常敏感。隨著摻雜濃度分布進(jìn)入硅基體的“穿透”深度增加，相對應(yīng)的退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結(jié)后隱開路電壓值均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且樣片沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓的增加幅度也逐漸減小，而樣片燒結(jié)后隱開路電壓值又出現(xiàn)不同幅度的下降，摻雜濃度進(jìn)入硅基體的“穿透”深度越深，隱開路電壓值的下降值逐漸減小最后趨向于0，使得沉積SiNx∶H薄膜后和燒結(jié)后隱開路電壓值保持不變。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是當(dāng)摻雜源進(jìn)入硅基體內(nèi)的“穿透”深度較淺時(shí)，多晶硅層的摻雜濃度超過了1×1020/cm3，在Si基體內(nèi)磷摻雜源較少，因此在N+摻雜的硅基體內(nèi)產(chǎn)生形成的場鈍化效果較弱，使得硅體內(nèi)的載流子不易于運(yùn)動(dòng)到隧穿氧化層與硅基體的表面，在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處不能形成較多的電子累積層，因此退火后其鈍化特性較差[17]；隨著硅基體內(nèi)摻雜結(jié)深的增加，其場鈍化效果顯著，在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處產(chǎn)生能帶彎曲從而形成內(nèi)建電場，使得硅體內(nèi)的載流子易于運(yùn)動(dòng)到隧穿氧化層與硅基體的表面形成較多的電子累積層，且累積層的電子易于穿透隧穿氧化層達(dá)到多晶硅層，因而退火后隱開路電壓值較高；隨著硅基體內(nèi)摻雜結(jié)深的進(jìn)一步增加，其場鈍化效果達(dá)到達(dá)到最優(yōu)值，能夠使得在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處形成足夠多的電子累積層，但是進(jìn)一步增加結(jié)深則需要更高的退火溫度和退火時(shí)間，高溫條件會(huì)增加隧穿氧化層與N+摻雜的硅基體界面處的界面陷阱密度，大大增加了N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處的復(fù)合速率，且該種復(fù)合機(jī)理將占據(jù)主導(dǎo)地位，從而使得退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結(jié)后隱開路電壓值降低[18]。其次，沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓值均升高，這是由于SiNx∶H薄膜中引入的氫鈍化作用，使得隱開路電壓升高，這與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

本文分析對比了載流子選擇性鈍化接觸結(jié)構(gòu)在退火后、沉積SiNx∶H薄膜后及燒結(jié)后隱開路電壓值的變化。研究發(fā)現(xiàn)沉積SiNx∶H薄膜后由于H的引入既降低了表面態(tài)密度，又使得部分H進(jìn)入到摻雜多晶硅層內(nèi)，鈍化了體內(nèi)的部分缺陷，使得隱開路電壓值升高；在780 ℃的高溫下燒結(jié)后，由于SiNx∶H薄膜中的部分H會(huì)發(fā)生再生態(tài)轉(zhuǎn)變，使得注入多晶硅層的氫變成了氫分子而溢出體外，從而隱開路電壓值略有降低；且當(dāng)磷摻雜源進(jìn)入硅基體內(nèi)的“穿透”深度較淺時(shí)，在N+摻雜的硅基體內(nèi)形成的場鈍化效果較弱，使得硅基體內(nèi)的載流子不易于運(yùn)動(dòng)到隧穿氧化層與硅基體的界面處而形成電子累積層，因此隱開路電壓值較低；當(dāng)磷摻雜源進(jìn)入硅基體內(nèi)的“穿透”深度較深時(shí)，由于“穿透”深度增加需要更高的退火溫度和退火時(shí)間，高溫條件下會(huì)增加隧穿氧化層與N+摻雜的硅基體界面處的界面陷阱密度，進(jìn)一步增加界面處的復(fù)合速率，從而使得隱開路電壓值降低。即隨著磷摻雜源進(jìn)入硅基體內(nèi)的“穿透”深度增加，相對應(yīng)的退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結(jié)后隱開路電壓值均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。通過背表面摻雜濃度分布曲線的優(yōu)化，可以使得燒結(jié)后的隱開路電壓均值達(dá)到738 mV。