背鈍化機(jī)臺(tái)對(duì)PERC電池EL發(fā)黑影響因素分析

張 永，孟小偉，張進(jìn)臣，王貴梅，邵海嬌

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，河北邢臺(tái) 055550)

氧化鋁薄膜具有優(yōu)良的鈍化效果，常被用于PERC 晶硅電池中[1]，其中MEYER BURGER 公司的MAiA 機(jī)臺(tái)采用的離域間接沉積方式在實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用中占比較大，制備方式主要采用氬氣攜帶TMA 的方式通過(guò)CEM 將液態(tài)TMA 進(jìn)行氣化，通過(guò)氣路進(jìn)入反應(yīng)倉(cāng)體，與笑氣在低壓低溫環(huán)境下，通過(guò)同軸微波系統(tǒng)，將氣體進(jìn)行電離成等離子體，最終在硅片的背表面形成一層15 nm 的氧化鋁薄層，該薄層不僅降低了氮化硅層的N+反型同時(shí)提供了更好的場(chǎng)鈍化特性，匹配背膜的激光開(kāi)槽工藝大大提升了PERC 電池的光電轉(zhuǎn)化效率[1]。但是MAiA 機(jī)臺(tái)在實(shí)際使用過(guò)程中存在一些不穩(wěn)定因素，容易導(dǎo)致氧化鋁薄膜鈍化效果差，從而在成品電池EL 測(cè)試時(shí)出現(xiàn)大面積發(fā)黑現(xiàn)象。本文總結(jié)了MAiA 背鈍化機(jī)臺(tái)在日常使用中出現(xiàn)的導(dǎo)致EL 大面積發(fā)黑的關(guān)鍵因素，同時(shí)也通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善了針對(duì)MAiA 機(jī)臺(tái)預(yù)防EL大面積發(fā)黑的措施。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用了MEYER BURGER 公司生產(chǎn)的MAiA 背鈍化機(jī)臺(tái)對(duì)松宮公司生產(chǎn)的單晶硅片進(jìn)行沉積氧化鋁+氮化硅薄膜，采用上海哲為儀器科技有限公司220 型號(hào)EL 機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析，觀察不同條件下EL 發(fā)黑的情況；采用美國(guó)PV Measurements 的QEX10 測(cè)試儀進(jìn)行量子效率測(cè)試，進(jìn)一步判定EL 發(fā)暗是受長(zhǎng)波還是短波響應(yīng)差影響，采用美國(guó)Sinton 的WCT120 測(cè)試鈍化層電流密度J0值，來(lái)反應(yīng)薄層的鈍化效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用松宮電子公司生產(chǎn)的同一批次0.8～1.1 Ω·cm 電阻率范圍內(nèi)的158 mm×158 mm 原料摻鎵單晶硅片經(jīng)測(cè)試篩選后作為實(shí)驗(yàn)片，從三個(gè)方面：(1)上載倉(cāng)不同溫度；(2)氧化鋁膜不同厚度；(3)TMA 源不同純度進(jìn)行驗(yàn)證，觀察不同條件對(duì)成片電池EL 發(fā)黑和電池光電轉(zhuǎn)換性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 上載(LM)倉(cāng)溫度

上載倉(cāng)采用紅外加熱的方式，對(duì)作為襯底的硅片起到預(yù)升溫的作 用，通 過(guò)設(shè)置LM 倉(cāng)溫度 在50、150、250、350 和400 ℃五個(gè)條件，選取相同片源每個(gè)條件生產(chǎn)800 片，觀察不同溫度下EL 發(fā)黑比例以及電性、表面反向飽和電流密度J01情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

在LM 倉(cāng)不同溫度條件下，EL 發(fā)黑比例隨著LM 倉(cāng)溫度升高而降低，同時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率呈升高趨勢(shì)；當(dāng)LM 倉(cāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，EL 發(fā)黑比例降低和電性能提升趨于穩(wěn)定，到300 ℃時(shí)變化不大；同時(shí)對(duì)不同溫度條件的電池片用WCT120 測(cè)試分析J01如表1 最后一列所示，隨著上載倉(cāng)溫度的提升，J01值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，進(jìn)一步證明隨溫度的提升，降低了電池的表面復(fù)合。

表1 LM 倉(cāng)不同溫度下EL 發(fā)黑比例、電性能對(duì)比

LM 倉(cāng)溫度偏低時(shí)，由于硅片表面受熱不完全，硅片做襯底溫度相對(duì)偏低，在反應(yīng)倉(cāng)沉積的氧化鋁的致密性相對(duì)會(huì)變差[2]，從而出現(xiàn)氧化鋁鈍化性能下降。上載倉(cāng)溫度低導(dǎo)致典型EL 發(fā)黑圖片如圖1 所示。

圖1 上載倉(cāng)溫度小于等于250 ℃時(shí)典型EL發(fā)黑圖像

2.2 氧化鋁厚度

觀察不同氧化鋁厚度條件下，EL 發(fā)黑比例和電池性能變化情況，在MAiA 機(jī)臺(tái)的氧化鋁沉積倉(cāng)，設(shè)定不同的TMA 流量沉積氧化鋁厚度分別為5、10、15 和20 nm 四個(gè)厚度的條件，觀察EL 和電池性能的變化情況如表2 所示。

表2 不同氧化鋁厚度下EL 發(fā)黑比例、電性能

隨著氧化鋁厚度的增加，鈍化效果增加，光電轉(zhuǎn)化效率提升，體現(xiàn)在UOC的提升明顯，氧化鋁厚度在5 nm 時(shí)EL 發(fā)黑比例在8.6%，分析主要是由于氧化鋁厚度太薄，鈍化性能差，但是當(dāng)厚度增加到15 nm 時(shí)，鈍化性能趨于穩(wěn)定，厚度再往上提，轉(zhuǎn)化效率無(wú)明顯提升[3]，氧化鋁厚度偏薄時(shí)，發(fā)黑圖像如圖2 所示。

圖2 氧化鋁厚度偏薄時(shí)EL發(fā)黑圖像

2.3 TMA 純度的影響

TMA 學(xué)名為三甲基鋁，是工業(yè)沉積氧化鋁鈍化薄膜的主要反應(yīng)參與物，常溫下液態(tài)，由于在制備過(guò)程中會(huì)引入鎳鉻鐵等微量的雜質(zhì)，使用中一定程度上在儲(chǔ)液瓶或供液的機(jī)臺(tái)末端會(huì)有雜質(zhì)殘留，當(dāng)雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備主體內(nèi)部時(shí)，常出現(xiàn)TMA 流量波動(dòng)大的情況，并伴隨電性能的下降，如表3 所示。低效片存在EL 發(fā)黑的情況，如圖3 所示。

表3 不同位置機(jī)臺(tái)EL發(fā)黑比例

圖3 TMA 純度不夠?qū)е碌腅L發(fā)黑

由圖4 可知，供液末端的M301 機(jī)臺(tái)效率波動(dòng)更大，效率集中度相對(duì)供液初端的M303 效率集中度要差，測(cè)試低效片EL 發(fā)黑明顯。對(duì)效率偏低的異常片進(jìn)行量子效率測(cè)試，QE曲線顯示長(zhǎng)波段量子效率偏差，如圖5QE 測(cè)試曲線對(duì)比(A1為效率偏低的異常片，A2 為效率正常片)，分析為T(mén)MA 中雜質(zhì)含量偏高導(dǎo)致制備的氧化鋁薄膜鈍化效果差，因此選效率偏低時(shí)對(duì)反應(yīng)倉(cāng)體的粉末進(jìn)行成分測(cè)試分析對(duì)比(圖6 為異常狀態(tài)時(shí)倉(cāng)體粉末微觀結(jié)構(gòu)圖)，測(cè)試粉末中含有氯元素，此為T(mén)MA 中的雜質(zhì)。表4 為異常條件的成分分析對(duì)比結(jié)果。制定措施通過(guò)維護(hù)過(guò)程對(duì)末端主機(jī)臺(tái)進(jìn)行吹掃，減少雜質(zhì)在氧化鋁薄層中的含量得以改善此問(wèn)題[4]。

表4 異常狀態(tài)時(shí)倉(cāng)體粉末成分測(cè)試結(jié)果

圖4 供液末端與初端機(jī)臺(tái)效率分布圖

圖5 量子效率對(duì)比圖

圖6 異常狀態(tài)時(shí)倉(cāng)體粉末微觀圖

3 總結(jié)

氧化鋁膜的制備作為PERC 電池的核心環(huán)節(jié)，如何保證優(yōu)質(zhì)的膜層制備至關(guān)重要，本文通過(guò)對(duì)影響氧化鋁薄膜性質(zhì)的不同因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，明確了MAiA 機(jī)臺(tái)上載倉(cāng)不同溫度、氧化鋁不同厚度，以及TMA 的純度對(duì)EL 發(fā)黑比例及電池性能的影響，并提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施：

(1)當(dāng)倉(cāng)體溫度太低時(shí)由于硅片襯底受熱不好，沉積的氧化鋁薄膜致密性差導(dǎo)致EL 發(fā)黑比例增加，當(dāng)溫度保持在250～300 ℃時(shí)，EL 發(fā)黑得以改善。

(2)氧化鋁厚度太薄時(shí)，不能起到很好的鈍化作用，當(dāng)提高到15 nm 以上時(shí)，鈍化效果趨于穩(wěn)定。

(3)TMA 雜質(zhì)含量對(duì)EL 發(fā)黑以及電性能影響至關(guān)重要，因此定期的機(jī)臺(tái)吹掃是必要的，目的是降低主機(jī)臺(tái)內(nèi)雜質(zhì)含量，臨時(shí)措施可以通過(guò)適當(dāng)降低氧化鋁薄層的厚度2～3 nm 進(jìn)行緩解。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的結(jié)論在氧化鋁膜層實(shí)際生產(chǎn)制備過(guò)程中具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。