TOPCon太陽電池發射極Al2O3/SiNx與SiO2/Al2O3/SiNx疊層膜鈍化性能的比較

楊 露,劉大偉,張 婷,魏凱峰,石慧君

(青海黃河上游水電開發有限責任公司西安太陽能電力分公司，西安 710000)

0 引 言

隨著晶硅太陽電池技術不斷發展和創新，高光電轉換效率電池的制備需要良好的表面鈍化[1-2]。常規P型電池的鋁背場與硅片完全接觸，金屬復合較大。而鈍化發射極背面接觸(passivated emitter rear contact, PERC)電池通過在背面沉積鈍化介質膜，并采用激光局部開窗，使鋁背場與硅片局部接觸，減少了金屬背極與背表面的接觸，有效降低背表面復合率，使電池的開壓和轉換效率得到明顯提升[3]。之后隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivated contact, TOPCon)電池技術革新，通過低壓化學氣相沉積技術在硅片背面沉積隧穿氧化層和摻雜多晶硅層，不僅可以實現載流子的選擇性收集，且背面鈍化實現極低的飽和電流密度[4]。

鈍化是通過降低表面缺陷態密度，防止少數載流子在缺陷態的復合[5-6]。電池的表面鈍化分為場效應鈍化和化學鈍化。化學鈍化通過飽和表面懸掛鍵減少界面電子態、降低表面復合速率，通常可用沉積含氫原子的半導體薄膜來實現。場效應鈍化基于表面膜層內的固定電荷，排斥相同極性的載流子，阻止載流子移動至表面，降低表面復合速率。優異的表面鈍化能夠降低少數載流子的表面復合速率，從而提高電池的轉換效率。晶硅電池常用的鈍化膜包括二氧化硅(SiO2)[7-8]、氮化硅(SiNx)[9-10]、三氧化二鋁(Al2O3)[11-13]等。

二氧化硅膜層在晶硅電池表現出優異的界面鈍化效果[14-15]，因為二氧化硅膜層中存在大量固定正電荷，這些固定正電荷不僅可以降低硅片表面缺陷態密度，而且能降低硅片表面復合速率[16-18]。通常采用高溫熱氧化方法生長二氧化硅膜層，但這并不適合產業化應用，因為高溫熱氧化工藝需要900 ℃以上的溫度，此高溫制程不僅顯著降低硅片的體壽命，而且較高的能耗也會導致成本增加。

近年來，原子層沉積技術形成的三氧化二鋁層作為硅表面鈍化層得到了深入研究[19-20]。與其他電介質如二氧化硅或碳化硅相比，單獨的氮化硅層對硼發射結的鈍化能力較差，故多使用其他鈍化膜與氮化硅結合形成疊層膜。而氧化鋁包含高密度的內置負電荷(高達1013個基本電荷/cm2)，作為表面場，可以阻止少子電子向表面移動，降低復合概率[21-22]。其優異的鈍化效果歸功于兩個方面：首先是在Si/SiO2界面處復合中心的化學鈍化；二是由于靠近Si表面的高濃度本征負電荷，Al2O3提供了較強的場效應鈍化，產生的電場有效地排斥來自表面復合中心的電子[20,23]。

目前，現有產線TOPCon電池結構如圖1所示，電池正面的疊層鈍化膜由SiO2、Al2O3和SiNx三層膜組成。其中SiO2膜是通過硅片在熱的濃硝酸中發生氧化反應形成，膜層厚度為1～2 nm，這種方式形成的SiO2膜層均勻性差，工藝穩定性較差，且反應需要使用大量的硝酸，對環境有一定的污染[24]。因此，需要開發出一個正面不使用二氧化硅膜層的工藝。為了對現有技術工藝路線進行優化，本文對3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化性能進行了測試，在此基礎上進一步研究了Al2O3厚度對Al2O3/SiNx疊層膜鈍化性能的影響。基于Al2O3膜層優異的鈍化性能開發出了電池正面僅沉積Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜的新技術工藝路線，不僅簡化了工藝步驟，而且降低了生產成本，電池的光電轉換效率也不受影響。

1 實 驗

本實驗采用158.75 mm×158.75 mm規格的N型直拉硅片，電阻率范圍為0.3～2.1 Ω·cm，少子壽命≥500 μs。本文主要研究了TOPCon電池發射極3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化性能，并基于Al2O3/SiNx疊層鈍化膜結構進一步研究了Al2O3厚度(1.5 nm、3 nm和5 nm)對鈍化性能和電池I-V性能的影響。

圖2 不同疊層鈍化膜的對稱結構制備流程Fig.2 Preparation process of symmetrical structure of different stacked passivation films

疊層鈍化膜對稱結構的制備流程為：硅片首先經過NaOH堿制絨于高溫(80～85 ℃)下形成金字塔絨面以減少光學反射，再將制絨后的硅片放入硼擴散管內進行雙面硼擴散形成P+/N-Si/P+對稱結構，硼擴散方阻為130 Ω/□，表面濃度為1.3×1019atoms/cm3，摻雜結深為0.8 μm。采用HF/HCl混合溶液清洗硅片表面的硼硅玻璃之后，分別進行熱硝酸氧化(nitric acid oxidation of silicon, NAOS)鈍化，雙面沉積三氧化二鋁。NAOS鈍化通過在盛有40 ℃的純硝酸溶液中反應400 s實現，NAOS鈍化的二氧化硅層厚度為1～2 nm。Al2O3在微導公司制備的原子層沉積設備中進行沉積，沉積溫度為250 ℃，Al2O3厚度為1.5 nm。隨后將實驗片放入等離子體增強化學氣相沉積設備中雙面沉積氮化硅膜層，氮化硅膜層厚度為85 nm，最后將樣品放在產業化應用的高溫燒結爐(峰值溫度750 ℃)中進行快速退火處理，具體工藝流程圖如圖2所示，按照此流程可分別制備出SiO2/SiNx、Al2O3/SiNx和SiO2/Al2O3/SiNx疊層膜的對稱結構。使用Sinton WCT-120測量對稱結構的有效載流子壽命，在有效壽命測量中，發射結飽和電流密度(J0)和隱開路電壓值(iVoc)表征鈍化性能。有效少子壽命與測試片的隱開路電壓值(iVoc)呈正相關性，有效少子壽命越高，其隱開路電壓值越高，相應的電池端開路電壓越高，轉換效率也提高。

2 結果與討論

2.1 3種不同疊層鈍化膜的鈍化性能研究

基于TOPCon電池現有技術工藝路線，電池發射極P+的疊層鈍化膜由SiO2、Al2O3和SiNx三層膜組成，各膜層的厚度分別為1.2 nm、1.5 nm和85 nm。為了對各膜層的鈍化性能進行研究，分別測試了Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx三種結構(見圖3)的鈍化水平，每組各有8個樣品。

圖3 不同疊層鈍化膜的對稱結構示意圖Fig.3 Schematic diagrams of different stacked passivation films

圖4為3種不同疊層鈍化膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化水平測試結果。從圖中可以看出，每組樣品的測試數據較集中，工藝穩定性較好，Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平優于SiO2/SiNx，而SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx的鈍化水平最佳，隱開路電壓均值為705 mV。因為隨著開路電壓值的增加，表面復合減小，電池光電轉換效率升高，故需要沉積SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx三層疊層鈍化膜以降低電池正面的復合，保證良好的鈍化水平和電池性能。

圖4 不同疊層鈍化膜的隱開路電壓值Fig.4 Implied open-circuit voltage ofdifferent stacked passivation films

2.2 不同Al2O3厚度的鈍化性能研究

由上述實驗結果可知：Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平優于SiO2/SiNx，說明Al2O3膜層的鈍化水平具有較大的潛力，故接下來進一步研究不同Al2O3厚度的Al2O3/SiNx疊層膜的鈍化性能。圖5為不同Al2O3厚度的對稱結構示意圖，均為Al2O3/SiNx疊層膜，而Al2O3厚度從1.5 nm逐漸增加至3 nm和5 nm，每組各8個樣品。

圖5 不同Al2O3厚度的Al2O3/SiNx對稱結構示意圖Fig.5 Schematic diagrams of different thickness of Al2O3 for Al2O3/SiNx

圖6為不同Al2O3厚度(1.5 nm、3 nm、5 nm)的疊層鈍化膜的隱開路電壓測試值，從圖中可以看出，當Al2O3厚度由1.5 nm增加到3 nm時，鈍化性能得到明顯提升，隱開路電壓均值達到707 mV，提升了20 mV。這是因為當Al2O3厚度增加時，一方面場效應鈍化效果增強，復合降低；另一方面，加厚的Al2O3使其被電池正面的金字塔絨面扎破的概率降低，保證了良好的表面鈍化性能。而Al2O3厚度繼續增加至5 nm時，鈍化水平基本不變，隱開路電壓均值維持在707 mV。綜上可知，Al2O3(3 nm)/SiNx和Al2O3(5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化水平均可與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜相當。故可以通過增加Al2O3厚度簡化正面疊層膜，用Al2O3(3 nm)/SiNx代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜。

圖6 不同Al2O3厚度的隱開路電壓值Fig.6 Implied open-circuit voltage of different thickness of Al2O3

2.3 電池性能研究

基于以上實驗結果，制作Al2O3(1.5 nm)/SiNx和Al2O3(3 nm)/SiNx疊層鈍化膜的TOPCon電池，并與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的TOPCon電池作為對比組。各組樣品的TOPCon電池電性能測試結果如表1所示。

表1 不同疊層鈍化膜制備的TOPCon太陽電池的I-V參數Table 1 I-V parameters of TOPCon solar cells fabricated with different stacked passivation films

從表1來看，對于相同Al2O3厚度的TOPCon電池，當去掉SiO2鈍化膜層時，1.5 nm Al2O3與SiNx組成的疊層膜電池的轉換效率比對比組低0.25個百分點，主要表現在開壓降低3 mV，填充因子FF降低0.45個百分點，電池EL圖像整體發暗(見圖7(b))。這是因為Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能比SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜差。當Al2O3的厚度從1.5 nm增加到3 nm時，電池的轉換效率升高了0.23個百分點，開路電壓Voc升高4 mV，填充因子FF升高0.27個百分點。且3 nm Al2O3與SiNx組成的疊層膜電池的轉換效率與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜對比組電池的轉換效率基本持平，效率差僅為0.02%，電池EL圖形無缺陷和不良(見圖7)。以上電池的測試結果與鈍化性能結果一致。即疊層鈍化膜的隱開路電壓均值數值越高，鈍化性能越好，電池的開路電壓和轉換效率也越高。說明可以采用加厚Al2O3厚度的方法將電池正面的鈍化膜簡化，即用Al2O3(3 nm)/SiNx代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx，這樣不僅解決了使用硝酸污染環境的問題，而且簡化了工藝步驟，同時電池的光電轉換效率不受影響。

圖7 不同疊層鈍化膜制備的TOPCon太陽電池EL圖像Fig.7 EL images of TOPCon solar cells fabricated with different stacked passivation films

3 結 論

本文分析對比了3種不同疊層膜(SiO2/SiNx、Al2O3(1.5 nm)/SiNx、SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx)的鈍化水平，并研究了Al2O3厚度對鈍化性能和電池效率的影響。研究發現SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能優于Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜，而SiO2/SiNx疊層膜的鈍化性能最差。通過增加Al2O3的沉積厚度發現，Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜的鈍化性能與SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx相當，隱開路電壓均值可達到707 mV，對應電池的光電轉換效率可以達到23.84%。基于上述實驗結果可以使用Al2O3(3 nm)/SiNx疊層膜代替SiO2/Al2O3(1.5 nm)/SiNx疊層膜，這不僅減少了電池的工藝流程，而且降低了生產成本，且電池的光電轉換效率不受影響。