摘要：原子沉積的Al2O3膜可以應(yīng)用為背鈍化電介質(zhì)層，來制作PERC鈍化發(fā)射極的晶體硅太陽能電池。存在負(fù)電荷Al2O3的低電阻率P型硅通過良好的背鈍化，轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到 20.6%。其中最優(yōu)工藝是30nm的Al2O3薄膜上覆蓋著200nm通過等離子增強(qiáng)化學(xué)沉積（PECVD）的硅氧膜（SiOx），會導(dǎo)致70cm/s的背面復(fù)合速率（SRV），而如果只是130nm的單層Al2O3，會導(dǎo)致90cm/s的背面復(fù)合速率。
關(guān)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(xiàn)在的趨勢是越來越薄的晶體硅（c-Si）片和越來越高的轉(zhuǎn)換效率，所以有效地減少表面復(fù)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(fù)合，再經(jīng)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(xiàn)非常低的表面復(fù)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(dāng)良好的反射鏡，提高了光子的吸收，所以電池的短波響應(yīng)也提高了。高熱氧不能大量應(yīng)用于電池工業(yè)生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)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(xué)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(dāng)其應(yīng)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(fā)了倒置層，這種倒置層和基區(qū)接觸的耦合導(dǎo)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(nèi)進(jìn)行PECVD沉積。盡管事實上寄生分流不會發(fā)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(qiáng)度。
最近，由載流子壽命測試[11,12]結(jié)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(tài)。在低電阻率P型硅上已經(jīng)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(fù)電荷密度導(dǎo)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(yīng)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(jié)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(yōu)勢。
2 太陽能電池流程
圖1表示的是PERC太陽能電池結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)；再用POCl3源擴(kuò)散得到方阻為100Ω/□的n+發(fā)射極；經(jīng)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(yīng)，包括三甲基氯和氧氣的等離子體。Hoex等人的研究應(yīng)用了退火工藝[11]，沉積后的退火步驟已經(jīng)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(dǎo)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(fā)，可以蒸發(fā)掉20μm的鋁。N+發(fā)射極的氧化是在500℃下進(jìn)行10min，得到約1.5nm厚的氧化層[15]，20μm的Al金屬網(wǎng)格是通過氧化層上的掩膜蒸發(fā)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(jié)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(shù)，測試條件是25℃，100mW/cm2，AM1.5G。經(jīng)過退火生成SiO2背鈍化可用來作為最好的參考，轉(zhuǎn)換效率為20.5%，開路電壓Voc=656mV，短路電流密度Jsc=38.9mA/cm2。內(nèi)部量子效應(yīng)的分析顯示正面發(fā)射極限制了Voc，所有SiO2背鈍化的電池參數(shù)顯示了高重合現(xiàn)象；Al2O3、Al2O3/SiOx和SiO2各鈍化電池的平均參數(shù)都在分散范圍內(nèi)。
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(zhì)的情況下，由于上述的背鈍化效果，SiNx電介質(zhì)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(xiàn)這種效應(yīng)是沒有預(yù)料到的，氧化鋁是負(fù)電荷電介質(zhì)，在P型硅表面誘生出一層累積層。通常氧化鋁層的負(fù)電荷密度高達(dá)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(zhuǎn)換效率為20.6%，Voc=660mV，Jsc=39.0Ma/cm2。
表1中不可能詳細(xì)地列出背鈍化電池的各個參數(shù)，這些電池主要是正面發(fā)射極存在復(fù)合損失。因此，我們在波長800-1200nm范圍內(nèi)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(shù)關(guān)系，圖中實線表示符合測量數(shù)據(jù)。本文中使用軟件LASSIE建立IQE與波長關(guān)系的模型[17,18]，結(jié)合Basore[19]的外部IOE分析和Brendel改進(jìn)的光學(xué)模型[20]。載流子壽命主要是受俄歇復(fù)合影響，由于電阻率為0-5Ωcm的P型硅片的擴(kuò)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(jié)構(gòu)中取得，所有背鈍化結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dǎo)致Sr只有（70±20）cm/s，這是由于Al2O3/Si表面的界面態(tài)的氫化作用。
波長λ（nm）
圖3 IQE隨波長的變化圖
| 鈍化膜類型 | 背面復(fù)合速率Sr（cm/s） | 反射率Rr（%） |
| SiO2(220nm) | 90±20 | 91±1 |
| Al2O3(130nm) | 90±20 | 90±1 |
| Al2O3(30nm)/ SiOx(200nm) | 70±20 | 91±1 |
表2 有效背面復(fù)合速率Sr和反射率Rr
點接觸背面的有效SRVs可以由Fischer方程給出
其中，Dn是電子擴(kuò)散系數(shù)，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(jīng)得到實驗驗證[22,23]。根據(jù)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(cè)第一項給出。本文設(shè)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(fù)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(fù)合率。顯然，IQE的結(jié)果證明了原子層沉積Al2O3是一種有效的鈍化方法。
