氧化鋁鈍化膜沉積工藝對TOPCon電池鈍化機制的影響

英利能源（中國）有限公司 李 倩

采用江蘇微導(dǎo)納米裝備科技有限公司生產(chǎn)的管式PEALD鍍膜設(shè)備，開展等離子體增強原子層沉積（PEALD）氧化鋁（Al2O3）沉積工藝對TOPCon電池鈍化效果的影響分析。通過研究PEALD沉積工藝中工藝溫度、射頻功率、氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)等工藝參數(shù)對TOPCon電池鈍化效果的影響，得到了最佳的工藝參數(shù)：工藝溫度150℃，射頻功率8000W，氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)45cycles。在該工藝條件下制備TOPCon電池，測得TOPCon電池結(jié)構(gòu)鍍膜燒結(jié)后硅片平均少子壽命為436.1μs，電池平均轉(zhuǎn)換效率達到22.94%。

硅晶體表面的雜質(zhì)和表面特有的缺陷都將在禁帶中形成復(fù)合中心能級，PN結(jié)區(qū)的光生載流子容易在硅片表面復(fù)合，表面復(fù)合速率嚴(yán)重影響太陽能電池的性能。表面復(fù)合速率增大，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率會降低。表面復(fù)合速率與表面缺陷密度成正比，可以通過電池表面沉積或生長鈍化層而降低表面態(tài)密度，從而降低表面復(fù)合速率。由于Al2O3具有大量（1.3×1013～2.0×1013cm-2）固定負電荷，可以產(chǎn)生很強的場鈍化效應(yīng)，可完全消除寄生電容效應(yīng)，為硼和Al摻雜的P+型發(fā)射極以及低電阻的P型、N型硅片提供良好的表面鈍化效果。Agostinellin等人的研究表明，原子層沉積Al2O3薄膜在P型硅片上具有良好的鈍化效果，目前Al2O3薄膜鈍化P型表面的研究已日趨成熟，并且已經(jīng)大量應(yīng)用于生產(chǎn)。相比于P型硅片N型晶體硅體具有少子壽命長、無光致衰減效應(yīng)等優(yōu)點，是目前晶體硅高效低成本太陽能電池的主要研究方向，因此研究Al2O3薄膜對N型硅表面的鈍化效果具有重要意義。

N型TOPCon電池正表面通常采用氧化鋁（Al2O3）+氮化硅（SiNx）疊層膜進行鈍化。本文研究了PEALD方式Al2O3薄膜沉積工藝中工藝溫度、射頻功率、氧化鋁反應(yīng)周期等各個工藝參數(shù)對硅片少子壽命的影響，得到了最佳的Al2O3薄膜沉積工藝參數(shù)，并制作了TOPCon電池。

1 實驗

實驗采用江蘇微導(dǎo)納米科技有限公司生產(chǎn)的管式PEALD鍍膜設(shè)備，使用尺寸為158.75×158.75×0.18mm，電阻率為1.5～2Ω·cm的N型單晶硅片。沉積Al2O3層使用三甲基鋁[Al(CH3)3,(TMA)]作為鋁源，經(jīng)射頻放電后的等離子體的氧自由基作為氧源。實驗過程中Al2O3薄膜沉積厚度為3-10nm，SiNx薄膜沉積使用管式PECVD設(shè)備，沉積厚度為80nm。為進行少子壽命測試，測試樣片采用雙面制絨、雙面硼擴散、HF清洗、雙面Al2O3和雙面氮化硅的流程制作雙面對稱結(jié)構(gòu)硅片，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后進行Sinton測試。得出最佳工藝方案后采用制絨、硼擴散、背面SSE、磷擴散、去繞鍍、濕化學(xué)、正面氧化鋁、正背面氮化硅、印刷、燒結(jié)的流程制作N型TOPCon結(jié)構(gòu)電池并測試電池效率。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 工藝溫度對硅片少子壽命影響

圖1所示為不同工藝溫度及其對應(yīng)的硅片有效少子壽命，可以看出，在相同工藝條件下，只改變沉積時的工藝溫度，隨著溫度增加硅片的有效少子壽命呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢：在100℃的工藝溫度下測得的燒結(jié)后硅片的平均少子壽命為470.3μs，工藝溫度為150℃時，硅片的平均少子壽命升高到553μs，繼續(xù)提升工藝溫度到200℃和250℃，硅片的平均少子壽命分別為506.9μs和450.3μs，較150℃時有明顯下降，在整個實驗的工藝溫度范圍內(nèi)，Al2O3薄膜對硅片少子壽命影響的趨勢是先增加后降低。

圖1 工藝溫度對少子壽命的影響

這是由于在工藝溫度下較低時，前驅(qū)氣體反應(yīng)活性差，原子遷移速率較低，TMA、含氧活性基團容易被硅片冷卻，成核速率慢甚至無法成核，導(dǎo)致Al2O3薄膜表面粗糙、致密性差、場鈍化效果差，更低溫度時甚至?xí)嬖谇膀?qū)體未完全活化或者冷凝現(xiàn)象。而適當(dāng)提升工藝溫度后，原子遷移率提升，原子能遷移到合適的晶格位置成核，有利于反應(yīng)副產(chǎn)物從硅片表面逸出，對應(yīng)生成的Al2O3薄膜平整致密，有較好的場鈍化效果。而工藝溫度繼續(xù)升高，轟擊硅片表面的粒子攜帶能量逐漸增加，導(dǎo)致已經(jīng)成膜部分氧化鋁在等離子體轟擊下脫落，加重硅片表面損傷，硅片表面復(fù)合增加，有效少子壽命降低。

2.2 射頻功率對硅片少子壽命的影響

圖2所示為不同射頻功率及其對應(yīng)的硅片有效少子壽命，可以看出，在相同工藝條件下，只改變射頻功率，隨著射頻功率從小到大，對應(yīng)的硅片有效少子壽命呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢：射頻功率為6000W時，硅片的平均少子壽命為480.15μs，提高射頻功率到8000W時，硅片的平均少子壽命提升到507.15μs，繼續(xù)提高射頻功率到1000W時，硅片的平均少子壽命降低至432.3μs。

圖2 射頻功率對少子壽命的影響

這是由于隨著射頻功率增加，等離子體所攜帶的能量增加，為反應(yīng)提供了足夠的激活能，而氣相分子的碰撞進一步促進了氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離，產(chǎn)生更多的高活性成膜基團，使得沉積的Al2O3薄膜膜厚和致密性增加，進而增強了Al2O3薄膜的場鈍化效果，提高了硅片的少子壽命。而過高的射頻功率則會因為成膜基團攜帶能量過高，等離子體轟擊硅片表面造成的損傷加大，會對硅片造成嚴(yán)重的射頻損傷，導(dǎo)致表面復(fù)合增加，有效少子壽命降低。

2.3 氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)對硅片少子壽命的影響

Al2O3薄膜的原子層沉積過程中，每個生長周期包括2個半反應(yīng)，開始時，在空氣中的水蒸氣被硅片表面吸附，在硅片表面形成烴基團，將硅片放入反應(yīng)爐管后，將TMA前驅(qū)體氣體脈沖的通入反應(yīng)腔，TMA與吸附的烴基團發(fā)生反應(yīng)，直到表面全部鈍化，鋁原子甲基團覆蓋在整個硅片表面上，剩余的TMA分子與反應(yīng)生成的甲烷通過吹掃帶出爐管。下一步氧氣進入爐管，在射頻激發(fā)下，氧自由基與懸掛的甲基團發(fā)生反應(yīng)，形成Al-O鍵和新的表面烴基團，反應(yīng)剩余產(chǎn)物由吹掃帶出爐管，完成一個反應(yīng)周期，生成第一層氧化鋁單原子層。重復(fù)上述過程，再次產(chǎn)生完全的鈍化單原子層。原子層沉積的優(yōu)點是可以通過控制反應(yīng)周期數(shù)可以精確地控制Al2O3薄膜的沉積厚度，制備表面平滑、均勻性好、無針孔、重復(fù)性好的Al2O3薄膜。表1為本實驗氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)與Al2O3薄膜厚度對應(yīng)關(guān)系。

表1 氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)及對應(yīng)Al2O3薄膜厚度

圖3所示為不同氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)及其對應(yīng)的硅片少子壽命，可以看出，在相同的工藝條件下，隨著反應(yīng)周期數(shù)增加，少子壽命呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢：反應(yīng)周期為30cycles時，硅片的平均少子壽命為352.05μs，增加反應(yīng)周期，Al2O3薄膜厚度增加，反應(yīng)周期數(shù)在45cycles時，硅片的平均少子壽命明顯增加為523.36μs，反應(yīng)周期數(shù)增加到80cycles時，硅片的平均少子壽命下降到479.4μs。這是由于TOPCon電池正表面通常采用氧化鋁（Al2O3）+氮化硅（SiNx）疊層膜進行鈍化，適當(dāng)增加Al2O3薄膜厚度，對應(yīng)的場鈍化效應(yīng)增強，硅片表面鈍化效果增強，有效少子壽命增加。SiNx薄膜的氫鈍化機制為：制備氮化硅膜層的過程中存在大量的氫原子通過飽和晶界上的懸掛鍵，顯著減弱復(fù)合中心，降低表面態(tài)密度，對硅片表面和體內(nèi)進行鈍化。而當(dāng)Al2O3薄膜厚度過厚時，SiNx薄膜的氫被其阻擋，導(dǎo)致氫鈍化受到阻礙，因此硅片表面整體的鈍化變差，有效少子壽命降低。

圖3 氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)對硅片少子壽命的影響

2.4 最佳工藝測試結(jié)果

在上述實驗結(jié)果中得出了最佳沉積工藝方案：工藝溫度150℃，射頻功率8000W，氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)45cycles。在該工藝條件下進行TOPCon電池制備，圖4所示為測試鍍膜燒結(jié)后硅片平均少子壽命結(jié)果，可以看出在該工藝條件下電池結(jié)構(gòu)硅片平均少子壽命為436.1μs。從表2中可以看到該工藝條件下批量電池轉(zhuǎn)換效率可達到22.9%以上。

圖4 最佳工藝方案下鍍膜后硅片少子壽命

表2 TOPCon電池性能

結(jié)論：利用PEALD方式沉積Al2O3薄膜，分別驗證了100℃、150℃、200℃和250℃四種工藝溫度，6000W、8000W、10000W三種射頻功率以及30、45、80cycel三種氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)下硅片的有效少子壽命，得到了最佳沉積工藝參數(shù)工藝溫度150℃，射頻功率8000W，氧化鋁反應(yīng)周期數(shù)45cycles，并在該工藝條件下制備TOPCon電池，測得TOPCon電池結(jié)構(gòu)鍍膜燒結(jié)后硅片平均少子壽命為436.1μs，電池平均轉(zhuǎn)換效率達到22.94%。