背表面氮化硅薄膜與氧化鋁薄膜制備工藝對(duì) 單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL的影響

張福慶，王貴梅，張軍杰，李文濤，李 景

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

為了進(jìn)一步提高單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，研究人員針對(duì)單晶硅太陽(yáng)電池背表面鈍化情況展開(kāi)了研究。鈍化的目的是為了盡量減少單晶硅片表面陷阱所引起的非平衡載流子的復(fù)合[1]，通常是在單晶硅片背表面制備1層鈍化膜，即氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜，依靠氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜中的各種原子與半導(dǎo)體表面的懸掛鍵結(jié)合，從而降低單晶硅片表面陷阱對(duì)載流子壽命的影響。

管式PECVD設(shè)備的背面鈍化工藝主要分為升溫、高溫退火、抽真空、氮化硅沉積、清洗這5個(gè)步驟。其中，升溫步驟主要是通過(guò)電阻絲對(duì)設(shè)備的爐管進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱至設(shè)定溫度后進(jìn)行高溫退火。在采用原子層沉積(ALD)設(shè)備與管式PECVD設(shè)備制備單晶硅雙面太陽(yáng)電池背表面鈍化膜的過(guò)程中，管式PECVD設(shè)備的退火工藝對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池的電致發(fā)光(EL)有較大影響。本文通過(guò)在ALD設(shè)備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變的情況下，改變管式PECVD設(shè)備的退火溫度或退火時(shí)間，以及在管式PECVD設(shè)備采用相同退火工藝條件下改變氧化鋁薄膜的厚度，對(duì)背表面氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜制備工藝對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL的影響進(jìn)行了研究。

1 EL的基本原理

EL的基本原理為：向單晶硅太陽(yáng)電池施加正向偏置電壓，在p區(qū)加正電壓、在n區(qū)加負(fù)電壓，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)內(nèi)自建電場(chǎng)的方向恰好相反，從而削弱了p-n結(jié)內(nèi)自建電場(chǎng)對(duì)晶體硅中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下通過(guò)p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散；當(dāng)結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，電子和空穴將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶中時(shí)，多余的能量會(huì)以光的形式釋放出來(lái)[2]。當(dāng)向單晶硅太陽(yáng)電池施加正向電流時(shí)，單晶硅太陽(yáng)電池類似于發(fā)光二極管，會(huì)發(fā)出一定的光，此時(shí)其光強(qiáng)除了與輸入電流成正比外，也和缺陷密度相關(guān)。通過(guò)單晶硅太陽(yáng)電池的EL圖像可以辨別制作電池的原料硅片是否存在瑕疵與工藝污染[3]。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用江蘇微導(dǎo)納米科技股份有限公司生產(chǎn)的三管ALD設(shè)備制備氧化鋁薄膜，深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的五管PD-450管式PECVD設(shè)備制備氮化硅薄膜；采用北京量拓科技有限公司生產(chǎn)的EMPro-PV橢偏儀測(cè)試氧化鋁薄膜的厚度，采用PV-measurement公司生產(chǎn)的光譜測(cè)試儀QEX10進(jìn)行量子效率測(cè)試，采用沛德光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的EL測(cè)試機(jī)對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池進(jìn)行EL測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 管式PECVD設(shè)備的退火溫度對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響

實(shí)驗(yàn)采用ALD設(shè)備制備的氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm，在保證管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間為300 s這一條件不變的情況下，改變管式PECVD設(shè)備的退火溫度，測(cè)試制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5種退火溫度，以30 ℃為溫度間隔依次增加。具體的不同退火溫度時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 不同退火溫度時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions with different annealing temperatures

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，分別在單晶硅片背表面鍍制氮化硅薄膜，然后經(jīng)過(guò)相同的開(kāi)槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝后，測(cè)試制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL情況。不同實(shí)驗(yàn)條件下制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像如圖1所示。

圖1 其他條件保持不變的情況下，管式PECVD設(shè)備采用不同退火溫度對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響Fig. 1 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing temperature in tubular PECVD equipment

由圖1可以看出，在氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm的前提下，當(dāng)管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間均為300 s時(shí)，管式PECVD設(shè)備的退火溫度小于等于460 ℃時(shí)所制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像會(huì)出現(xiàn)大面積或邊緣條狀發(fā)黑的情況。

3.2 管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響

實(shí)驗(yàn)采用ALD設(shè)備制備的氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm，在保證管式PECVD設(shè)備的退火溫度為490 ℃這一條件不變的情況下，改變管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間，測(cè)試制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4種退火時(shí)間，以100 s為時(shí)間間隔依次增加。具體的不同退火時(shí)間時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 不同退火時(shí)間時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions with different annealing times

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，分別在單晶硅片背表面鍍制氮化硅薄膜，然后經(jīng)過(guò)相同的開(kāi)槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝后，測(cè)試制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL情況。不同實(shí)驗(yàn)條件下制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像如圖2所示。

圖2 其他條件保持不變的情況下，管式PECVD設(shè)備采用不同退火時(shí)間對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響Fig. 2 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing times in tubular PECVD equipment

由圖2可以看出，在氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm的前提下，當(dāng)管式PECVD設(shè)備的退火溫度均為490 ℃時(shí)，管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間小于等于200 s時(shí)所制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像會(huì)出現(xiàn)大面積或邊緣條狀發(fā)黑的情況。

3.3 量子效率測(cè)試分析

對(duì)EL圖像發(fā)黑的單晶硅雙面太陽(yáng)電池進(jìn)行量子效率(QE)測(cè)試分析，具體結(jié)果如表3所示。

表3 EL圖像發(fā)黑的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的 QE測(cè)試分析結(jié)果Table 3 Analysis results of QE test of mono-Si bifacial solar cells blackened by EL image

由表3可知，經(jīng)過(guò)QE測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，EL圖像發(fā)黑的單晶硅雙面太陽(yáng)電池在長(zhǎng)波段(800～1100 nm)的QE值較低，在短波段(300～600 nm)的QE值較正常。短波段的QE值一般表征單晶硅片正表面的減反射和電子-空穴的復(fù)合情況，長(zhǎng)波段的QE值一般表征單晶硅片背表面的減反射和電子-空穴的復(fù)合情況。QE測(cè)試結(jié)果與圖1a、圖2a的分析相吻合。分析后可知，EL圖像發(fā)黑是由于單晶硅片背表面的鈍化效果差，復(fù)合增加所導(dǎo)致的。

另外，文獻(xiàn)[4]表明，隨著管式PECVD設(shè)備退火溫度的升高，所鍍制的氧化鋁薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變好。采用ALD設(shè)備制備的氧化鋁薄膜中存在一定量的Al—OH鍵，經(jīng)退火后Al—OH鍵轉(zhuǎn)變成Al—O鍵，并釋放出H原子[5]。在前文改變管式PECVD設(shè)備的退火溫度和退火時(shí)間這2個(gè)實(shí)驗(yàn)中，退火溫度較低或退火時(shí)間較短會(huì)導(dǎo)致單晶硅雙面太陽(yáng)電池出現(xiàn)EL圖像發(fā)黑的情況，分析原因，是因?yàn)楫?dāng)管式PECVD設(shè)備的退火溫度偏低或退火時(shí)間較短時(shí)，氧化鋁薄膜中Al—OH鍵中的H原子不能有效釋放并擴(kuò)散到硅片表面，從而導(dǎo)致H原子不能與硅片表面的懸掛鍵結(jié)合鈍化，導(dǎo)致硅片表面的界面態(tài)仍偏高，影響了單晶硅片背表面的鈍化性能。同時(shí)，氧化鋁薄膜中的有機(jī)雜質(zhì)在一定溫度下會(huì)被去除，在上述實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)管式PECVD設(shè)備的退火溫度小于等于460 ℃時(shí)，氧化鋁薄膜中的有機(jī)雜質(zhì)去除不充分或未被去除。上述2種原因的共同作用會(huì)導(dǎo)致單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像發(fā)黑。

3.4 管式PECVD設(shè)備采用相同的正常退火工藝的情況下，不同氧化鋁薄膜厚度對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響

實(shí)驗(yàn)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)工藝窗口范圍內(nèi)改變ALD設(shè)備的循環(huán)次數(shù)，以0.5 nm為厚度間隔依次增加制備出4種不同厚度的氧化鋁薄膜，且管式PECVD設(shè)備采用相同的正常退火工藝(即退火溫度均為520 ℃、退火時(shí)間均為300 s)。具體的不同氧化鋁薄膜厚度時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。

表4 不同氧化鋁薄膜厚度時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件Table 4 Experimental conditions with different thickness of AlO film

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，在硅片鍍膜后均經(jīng)過(guò)相同的開(kāi)槽激光、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝后，測(cè)試制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL情況。不同實(shí)驗(yàn)條件下制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像如圖3所示。

由圖3可知，在管式PECVD設(shè)備的退火溫度均為520℃、退火時(shí)間均為300 s的條件下，不同厚度的氧化鋁薄膜制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像均正常，無(wú)發(fā)黑情況。分析原因，是因?yàn)樵谝欢ǚ秶难趸X薄膜厚度下，管式PECVD設(shè)備采用正常退火工藝時(shí)，氧化鋁薄膜中的H原子均能夠完全釋放，有機(jī)雜質(zhì)也能夠充分去除，從而使制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像均未出現(xiàn)發(fā)黑情況。

圖3 管式PECVD設(shè)備的退火工藝保持不變的情況下，不同氧化鋁薄膜厚度對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL圖像的影響Fig. 3 Effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different thickness of AlO film when annealing process of tubular PECVD equipment remains unchanged

4 結(jié)論

本文針對(duì)采用ALD設(shè)備與管式PECVD設(shè)備制備背表面鈍化膜的過(guò)程中工藝參數(shù)的變化對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL的影響進(jìn)行了研究，即在氧化鋁薄膜厚度保持不變的條件下改變管式PECVD設(shè)備的退火溫度或退火時(shí)間，以及在管式PECVD設(shè)備采用相同退火工藝的前提下改變氧化鋁薄膜的厚度，最終得出以下結(jié)論：

1)在ALD設(shè)備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變的情況下，管式PECVD設(shè)備的退火溫度偏低會(huì)導(dǎo)致單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像出現(xiàn)大面積或邊緣條狀發(fā)黑的情況。本實(shí)驗(yàn)中，管式PECVD設(shè)備的退火溫度小于等于460 ℃時(shí)，單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像出現(xiàn)了大面積或邊緣條狀發(fā)黑的現(xiàn)象。

2)在ALD設(shè)備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變、管式PECVD設(shè)備的退火溫度保持490 ℃不變的情況下，退火時(shí)間偏低會(huì)導(dǎo)致單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像出現(xiàn)大面積或邊緣條狀發(fā)黑的情況。本實(shí)驗(yàn)中，管式PECVD設(shè)備的退火時(shí)間小于等于200 s時(shí)，單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像出現(xiàn)了大面積或邊緣條狀發(fā)黑的現(xiàn)象。

3)在管式PECVD設(shè)備采用相同退火工藝的前提下，適當(dāng)改變氧化鋁薄膜的厚度，制備的單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像未出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，即該條件的變化對(duì)單晶硅雙面太陽(yáng)電池的EL圖像無(wú)影響。本實(shí)驗(yàn)中，在管式PECVD設(shè)備采用退火溫度為520 ℃、退火時(shí)間為300 s的前提下，將氧化鋁薄膜的厚度從3.0 nm增加至4.5 nm，制備得到的單晶硅雙面太陽(yáng)電池均未出現(xiàn)EL圖像發(fā)黑的情況。

需要說(shuō)明的是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備型號(hào)的區(qū)別和在線(Inline)控制標(biāo)準(zhǔn)的差異可能會(huì)使管式PECVD設(shè)備的退火工藝窗口范圍不同，因此本文所述實(shí)驗(yàn)中得到的管式PECVD設(shè)備的退火溫度、退火時(shí)間的窗口并不是最重要的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的是趨勢(shì)和規(guī)律，針對(duì)采用ALD設(shè)備與管式PECVD設(shè)備制備單晶硅雙面太陽(yáng)電池背表面鈍化膜，制定合理的氧化鋁薄膜厚度及管式PECVD設(shè)備的退火溫度與退火時(shí)間，可以有效避免單晶硅雙面太陽(yáng)電池EL不良現(xiàn)象的產(chǎn)生。