N型太阳能电池Al2O3薄膜钝化性能研究

昵称25720224 2017-02-07

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摘要：文章从提升N型太阳能电池发电效率和降低其加工成本入手，分析了如何通过钝化机制来降低电池的复合，通过对Al2O3薄膜制备过程中臭氧浓度、沉积温度、烧结温度以及Al2O3薄膜的厚度进行对比和分析，发现Al2O3薄膜在一个较宽的范围内能够达到较稳定的钝化效果，因此其工业应用前景广阔。

　　随着气候条件的不断恶化以及不可再生能源的不断开采，为了保证能源的持续利用，可再生能源受到青睐，尤其是太阳能不断被关注和利用。但是由于其效率偏低且成本偏高，导致其利用率并未达到最大化。为了进一步降低太阳能电池的生产成本并提高其转换效率，应用更薄的硅片成为太阳能行业的发展趋势。随着硅片厚度的减薄，硅片的表面复合就越来越重要，因此需要开发更优异的表面钝化方法。

　　表面钝化的方法可以归纳为化学钝化和场效应钝化两类。由于表面复合的速率直接与界面缺陷的密度相关，化学钝化是通过减少界面处的缺陷数量来达到减少表面复合速率的。通常使用氢原子或一层薄的半导体膜来实现化学钝化作用，它们可以同未配位的原子（悬挂键）结合，从而减少界面缺陷密度。场效应钝化是通过内建电场来减少硅片界面处电子或空穴的浓度从而达到表面钝化的作用。由于复合过程需要同时有电子和空穴的存在，当两者在界面处的浓度在约同一个数量级（假定电子和空穴具有相同的捕获截面）时会达到最高的复合速率，其他情况下复合速率与界面处电子的浓度相关。在场效应钝化中，硅片界面处的电子或空穴的浓度被界面处的内建电场屏蔽。这种内建电场可以通过向界面下掺杂或是在界面处形成固定电荷来获得。

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Al2O3薄膜的制备方法

　　沉积Al2O3薄膜的方法有原子层沉积法（ALD）、等离子增益化学气相沉积法（PECVD）、溶胶凝胶法（Solgel）以及属于物理气相沉积的溅射法（sputtering）。原子层沉积法分为热原子层沉积和等离子辅助原子层沉积，通常使用三甲基铝（TMA）为前驱体，使用水、臭氧或氧气作为氧化剂。ALD工艺可以分为两个自限制的半反应。每个半反应前驱原子通过精确地单个原子层的生长使表面达到饱和。第一个半反应中TMA分子与吸附于表面的OH基团反应。最后铝原子和甲基覆盖了表面，而沉积腔室中剩余的TMA分子将不再与表面反应。用惰性气体或是氧气吹扫沉积腔室后，再进行第二个半反应，交替进行。

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Al2O3薄膜钝化的机理

　　Al2O3薄膜有高质量的钝化性能可归因于它能结合良好的化学钝化和场效应钝化。其中化学钝化是源于降低了表面缺陷密度（Dit），场效应钝化是通过大量在c-Si/Al2O3界固化了的负电荷（Qf）电场屏蔽少数载流子来实现的。Al2O3双电导是由带电的（AlO4）1－基团和分离的Al3＋离子组成的连续随机的网络。为与局部电中性

　　原则一致，比例应为3∶1，相应的反应为2（Al2O3）＝3（AlO4/2）1－＋Al3＋。此结构下，Al原子有两种不同的结合方式：在（AlO4）1－单元中是四面体对等结构，在与O－相邻的环境中形成八面体间隙结构。固定负电荷的形成可以通过在SiO2/Al2O3界面处O－对Al3＋的非对称性屏蔽来完成。

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实验过程及结果

　　3.1工艺流程

　　常规N型电池的加工工艺为表面织构化、磷硼共扩散、边缘绝缘、化学处理、PECVD钝化、印刷烧结。通过在化学处理后PECVD钝化前增加Al2O3薄膜的生长来增加此新的钝化层实现新工艺流程。

　　3.2Al2O3薄膜的制备

　　实验中Al2O3薄膜由热原子层沉积法来制备，以臭氧（O3）和三甲基铝（TMA）为反应前驱体，在反应炉中175℃下反应生成Al2O3，反应炉的压力根据通入气体的不同而变化。臭氧由臭氧发生器以纯氧为原料提供。反应开始先由氮气携带气化的TMA进入反应腔，通入TMA约5s后会在硅片表面均匀吸附一层TMA，然后以氮气吹扫整个腔室以除去多余的TMA分子。接着以氮气携带臭氧进入腔室，臭氧与硅片表面的TMA分子反应生成一层Al2O3薄膜。

　　3.3测试与表征

　　实验电池片采用少子寿命测试仪、椭偏仪、电致发光（EL）和光致发光（PL）、扫描电子显微镜（SEM）、CORRESCAN等设备对电池片寿命、膜层厚度、电池片性能、表面形貌等进行表征。

　　3.4结果与讨论

　　3.4.1臭氧浓度：对比三组数据，当臭氧浓度为200g/m3时，填充因子最高，光电转换效率也最高。同时发现在不同臭氧浓度条件下电池性能比较接近，说明Al2O3薄膜的钝化性能对于臭氧浓度并不敏感。

　　3.4.2温度：实验中固定臭氧的浓度为200g/m3，沉积温度从175℃升高到275℃，变化达100℃，而电池的开压下降了约1mV，其他各电池参数都较接近。说明Al2O3薄膜的钝化性能对沉积温度也不敏感。

　　3.4.3烧结温度：实验中所沉积Al2O3薄膜的膜厚为5nm。带有Al2O3薄膜的电池，随着烧结温度的上升开路电压逐渐下降，而填充因子则先升后降，在烧结温度升高10℃时达到最高，此时电池的效率也达到最高。说明Al2O3薄膜的存在会对浆料的烧结有一定的影响，升高温度有利于形成更好的电极接触。

　　3.4.4Al2O3薄膜膜厚：对比5nm、3nm和1.5nm厚度的Al2O3薄膜，这三组电池片随着Al2O3膜厚的增加，电池的开压和短路电流都逐渐上升，说明Al2O3的钝化效果随着其膜厚的增加而增加。即使是Al2O3薄膜在1.5nm时，仍表现出较好的钝化性能。说明原子层沉积法制备的超薄Al2O3膜可以运用于工业级太阳能电池的钝化。