摘要：原子沉積的Al2O3膜可以應用為背鈍化電介質層，來制作PERC鈍化發射極的晶體硅太陽能電池。存在負電荷Al2O3的低電阻率P型硅通過良好的背鈍化，轉換效率已經達到 20.6%。其中最優工藝是30nm的Al2O3薄膜上覆蓋著200nm通過等離子增強化學沉積（PECVD）的硅氧膜（SiOx），會導致70cm/s的背面復合速率（SRV），而如果只是130nm的單層Al2O3，會導致90cm/s的背面復合速率。

關鍵詞：晶體硅太陽能電池；表面鈍化；高效電池；氧化鋁。

1、介紹

硅太陽能電池現在的趨勢是越來越薄的晶體硅（c-Si）片和越來越高的轉換效率，所以有效地減少表面復合損失變得越來越重要。在高效實驗室硅太陽能電池[1-3]中，在高溫（≥900℃）中通O2，生長的SiO2可以有效地抑制表面復合，再經過約400℃的退火，低電阻率（~1Ωcm）P型硅片存在Al薄膜和熱生長的SiO2，這樣輕摻雜背表面可以實現非常低的表面復合速率（SRVs）[4]。

另外，對于近能帶隙光子，堆疊在硅片背面的SiO2/Al充當良好的反射鏡，提高了光子的吸收，所以電池的短波響應也提高了。高熱氧不能應用于電池大量的工業生產的主要原因之一是硅片少子壽命對高溫敏感，特別是溫度約為900℃時，多晶硅片中少子壽命會減少很多[5]。所以，低溫表面鈍化替代品需要擁有和SiO2相同的特性，這是在未來工業生產晶體硅高效太陽能電池所必須的。另一種主要研究的替代品是氮化硅（SiNx），一般用化學汽相淀積（PECVD）法在約400℃時生成，而且在P型硅上具有和SiO2相同的SRVs [6、7]。但是當其應用于鈍化極的背面和（PERC）太陽能電池的背面時，相比于SiO2鈍化膜，短波電流密度減少的速度要快得多[8]。這種影響歸因于氮化硅膜中高濃度正電荷在氮化硅膜下的c-Si中引發了倒置層，這種倒置層和基區接觸的耦合導致短波電流密度大量減少，這種不利的影響稱為寄生分流[9]。另一個可以得到與退火的SiO2相同SRVs的低溫鈍化方案，是用氫化非晶硅（a-Si）在200℃-250℃[10]范圍內進行PECVD沉積。盡管事實上寄生分流不會發生在氫化非晶硅鈍化太陽能電池上，但是新的問題是熱處理過程中氫化非晶硅鈍化的高強度。

最近，由載流子壽命測試[11,12]結果表明由原子層沉積（ALD）生長的氧化鋁（Al2O3）薄層在p型或n型硅表面提供了鈍化良好的表面態。在低電阻率P型硅上已經證明了利用低溫等離子的ALD 其SRVs<13cm/s[12]。氧化鋁層中的固定負電荷密度導致P型c-Si表面存在一個累積層，這個累積層在電池片背面可以提供一個有效的場效應鈍化。對于相鄰能帶隙的光子，由于其較高的透明度，所以在c-Si電池片背面ALD沉積氧化鋁是最理想的選擇。本文中，我們提出氧化鋁背鈍化的PERC太陽能電池的第一個結果，證明了原子層沉積的氧化鋁對未來高效晶體硅太陽能電池的巨大優勢。

2、太陽能電池流程

圖1表示的是PERC太陽能電池結構，利用這項研究證明氧化鋁背鈍化對高效太陽能電池的適用性。圖2表示的是PERC太陽能電池制作流程圖，襯底我們使用的是（100）單晶硅硅片，厚度為310μm，電阻率為0-5Ω.cm；用KOH腐蝕硅片表面，得到絨面結構；再用POCl3源擴散得到方阻為100Ω/□的n+發射極；經過濕刻，用HF將磷硅玻璃除掉；濕刻后，在1000℃的氧化過程中硅片表面生長了一層二氧化硅；最后，我們將電池片將分為3類，每一類接受不同的背鈍化：（1）第一類熱生長SiO2，（2）第二類生長130nm的氧化鋁膜，（3）第三類用30nm的氧化鋁膜鈍化，再用PECVD鍍上一層200nm的SiOx膜。


ALD氧化鋁沉積過程分為兩個自限反應，包括三甲基氯和氧氣的等離子體。Hoex等人的研究應用了退火工藝[11]，沉積后的退火步驟已經在圖2中列出。PECVD是用SiH4和N2O沉積出的SiOx膜。剩下的制作流程對于三個類別的電池片都是相同的，使用光刻點接觸開口蝕刻到介電層背面，光刻掩模導致存在2毫米的點接觸間距，而且金屬化率為4%。在整個電池背面使用電子束蒸發，可以蒸發掉20μm的鋁。N+發射極的氧化是在500℃下進行10min，得到約1.5nm厚的氧化層[15]，20μm的Al金屬網格是通過氧化層上的掩膜蒸發掉的。最后，表面鈍化的SiNx膜是在300℃下用PECVD沉積到PERC電池的正面[6]。上文提到的電池片在空氣氛圍中在300℃下退火1min，可以稍微提高填充因子和開路電壓。


3結果

表1是不同表面鈍化處理的的PERC太陽能電池的性能參數，測試條件是25℃，100mW/cm2，AM1.5G。經過退火生成SiO2背鈍化可用來作為最好的參考，轉換效率為20.5%，開路電壓Voc=656mV，短路電流密度Jsc=38.9mA/cm2。內部量子效應的分析顯示正面發射極限制了Voc，所有SiO2背鈍化的電池參數顯示了高重合現象；Al2O3、Al2O3/SiOx和SiO2各

鈍化電池的平均參數都在分散范圍內。值得注意的是，Al2O3和Al2O3/SiOx背鈍化電池的Jsc不比SiO2背鈍化電池低。在高正電荷電介質的情況下，由于上述的背鈍化效果，SiNx電介質中正電荷密度大于1012cm-2，相比于SiO2，Jsc會降低1-2mA/cm-2[8,9]。氧化鋁中出現這種效應是沒有預料到的，氧化鋁是負電荷電介質，在P型硅表面誘生出一層累積層。通常氧化鋁層的負電荷密度高達1013cm-2[11.16],如表1所示，Al2O3/SiOx背鈍化電池是鈍化效果最好的電池，其轉換效率為20.6%，Voc=660mV，Jsc=39.0Ma/cm2。

表1中不可能詳細地列出背鈍化電池的各個參數，這些電池主要是正面發射極存在復合損失。因此，我們在波長800-1200nm范圍內分析IQE來證明不同背鈍化電池的SRVs。圖3所示的是3種不同的典型背鈍化電池的IQE隨波長變化的函數關系，圖中實線表示符合測量數據。本文中使用軟件LASSIE建立IQE與波長關系的模型[17,18]，結合Basore[19] 的外部IOE分析和Brendel改進的光學模型[20]。載流子壽命主要是受俄歇復合影響，由于電阻率為0-5Ωcm的P型硅片的擴散長度為Lb=1500μm[21]。表2中背面SRVs Sr和背面反射率Rr可以從IQE的分析結構中取得，所有背鈍化結構全部可以反射近帶隙光子（Rr=91%）。退火后的參照電池的SRVs相當于Sr=（90±20）cm/s。單層氧化鋁背鈍化的電池中Sr與用SiO2鈍化的參照電池相等，表明ALD沉積的氧化鋁與退火生成SiO2的鈍化效果一樣好。對于Al2O3/SiOx的堆積會造成Sr的減少，導致Sr只有（70±20）cm/s，這是由于Al2O3/Si表面的界面態的氫化作用。



其中，Dn是電子擴散系數，W是硅片厚度，P是接觸距離，f是金屬化率，Smet和Spass分別是金屬化和背鈍化處的SRVs。方程（1）適用于低注入條件下Smet的任意值，這已經得到實驗驗證[22,23]。根據方程（1），對于鈍化良好的點接觸在非金屬處（如Spass=0）的SRVs最小值Sr,min由方程右側第一項給出。本文設定Sr,min=73cm/s，清楚地證明在Al2O3/ SiOx鈍化的條件下背面鈍化層的復合完全可以忽略。注意盡管Al2O3/ SiOx鈍化效果稍好一些，但是單層Al2O3鈍化電池的SRV也在很大程度上決定了金屬接觸處的復合率。顯然，IQE的結果證明了原子層沉積Al2O3是一種有效的鈍化方法。

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