背鈍化機臺對PERC電池EL發黑影響因素分析

張 永，孟小偉，張進臣，王貴梅，邵海嬌

(晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550)

氧化鋁薄膜具有優良的鈍化效果，常被用于PERC 晶硅電池中[1]，其中MEYER BURGER 公司的MAiA 機臺采用的離域間接沉積方式在實際量產應用中占比較大，制備方式主要采用氬氣攜帶TMA 的方式通過CEM 將液態TMA 進行氣化，通過氣路進入反應倉體，與笑氣在低壓低溫環境下，通過同軸微波系統，將氣體進行電離成等離子體，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+反型同時提供了更好的場鈍化特性，匹配背膜的激光開槽工藝大大提升了PERC 電池的光電轉化效率[1]。但是MAiA 機臺在實際使用過程中存在一些不穩定因素，容易導致氧化鋁薄膜鈍化效果差，從而在成品電池EL 測試時出現大面積發黑現象。本文總結了MAiA 背鈍化機臺在日常使用中出現的導致EL 大面積發黑的關鍵因素，同時也通過一系列實驗，進一步完善了針對MAiA 機臺預防EL大面積發黑的措施。

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗采用了MEYER BURGER 公司生產的MAiA 背鈍化機臺對松宮公司生產的單晶硅片進行沉積氧化鋁+氮化硅薄膜，采用上海哲為儀器科技有限公司220 型號EL 機進行測試分析，觀察不同條件下EL 發黑的情況；采用美國PV Measurements 的QEX10 測試儀進行量子效率測試，進一步判定EL 發暗是受長波還是短波響應差影響，采用美國Sinton 的WCT120 測試鈍化層電流密度J0值，來反應薄層的鈍化效果。

1.2 實驗設計

使用松宮電子公司生產的同一批次0.8～1.1 Ω·cm 電阻率范圍內的158 mm×158 mm 原料摻鎵單晶硅片經測試篩選后作為實驗片，從三個方面：(1)上載倉不同溫度；(2)氧化鋁膜不同厚度；(3)TMA 源不同純度進行驗證，觀察不同條件對成片電池EL 發黑和電池光電轉換性能的影響。

2 實驗結果分析

2.1 上載(LM)倉溫度

上載倉采用紅外加熱的方式，對作為襯底的硅片起到預升溫的作 用，通 過設置LM 倉溫度 在50、150、250、350 和400 ℃五個條件，選取相同片源每個條件生產800 片，觀察不同溫度下EL 發黑比例以及電性、表面反向飽和電流密度J01情況，實驗結果如表1 所示。

在LM 倉不同溫度條件下，EL 發黑比例隨著LM 倉溫度升高而降低，同時光電轉換效率呈升高趨勢；當LM 倉溫度達到250 ℃時，EL 發黑比例降低和電性能提升趨于穩定，到300 ℃時變化不大；同時對不同溫度條件的電池片用WCT120 測試分析J01如表1 最后一列所示，隨著上載倉溫度的提升，J01值呈現明顯下降趨勢，進一步證明隨溫度的提升，降低了電池的表面復合。

表1 LM 倉不同溫度下EL 發黑比例、電性能對比

LM 倉溫度偏低時，由于硅片表面受熱不完全，硅片做襯底溫度相對偏低，在反應倉沉積的氧化鋁的致密性相對會變差[2]，從而出現氧化鋁鈍化性能下降。上載倉溫度低導致典型EL 發黑圖片如圖1 所示。

圖1 上載倉溫度小于等于250 ℃時典型EL發黑圖像

2.2 氧化鋁厚度

觀察不同氧化鋁厚度條件下，EL 發黑比例和電池性能變化情況，在MAiA 機臺的氧化鋁沉積倉，設定不同的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，光電轉化效率提升，體現在UOC的提升明顯，氧化鋁厚度在5 nm 時EL 發黑比例在8.6%，分析主要是由于氧化鋁厚度太薄，鈍化性能差，但是當厚度增加到15 nm 時，鈍化性能趨于穩定，厚度再往上提，轉化效率無明顯提升[3]，氧化鋁厚度偏薄時，發黑圖像如圖2 所示。

圖2 氧化鋁厚度偏薄時EL發黑圖像

2.3 TMA 純度的影響

TMA 學名為三甲基鋁，是工業沉積氧化鋁鈍化薄膜的主要反應參與物，常溫下液態，由于在制備過程中會引入鎳鉻鐵等微量的雜質，使用中一定程度上在儲液瓶或供液的機臺末端會有雜質殘留，當雜質進入設備主體內部時，常出現TMA 流量波動大的情況，并伴隨電性能的下降，如表3 所示。低效片存在EL 發黑的情況，如圖3 所示。

表3 不同位置機臺EL發黑比例

圖3 TMA 純度不夠導致的EL發黑

由圖4 可知，供液末端的M301 機臺效率波動更大，效率集中度相對供液初端的M303 效率集中度要差，測試低效片EL 發黑明顯。對效率偏低的異常片進行量子效率測試，QE曲線顯示長波段量子效率偏差，如圖5QE 測試曲線對比(A1為效率偏低的異常片，A2 為效率正常片)，分析為TMA 中雜質含量偏高導致制備的氧化鋁薄膜鈍化效果差，因此選效率偏低時對反應倉體的粉末進行成分測試分析對比(圖6 為異常狀態時倉體粉末微觀結構圖)，測試粉末中含有氯元素，此為TMA 中的雜質。表4 為異常條件的成分分析對比結果。制定措施通過維護過程對末端主機臺進行吹掃，減少雜質在氧化鋁薄層中的含量得以改善此問題[4]。

表4 異常狀態時倉體粉末成分測試結果

圖4 供液末端與初端機臺效率分布圖

圖5 量子效率對比圖

圖6 異常狀態時倉體粉末微觀圖

3 總結

氧化鋁膜的制備作為PERC 電池的核心環節，如何保證優質的膜層制備至關重要，本文通過對影響氧化鋁薄膜性質的不同因素進行實驗驗證，明確了MAiA 機臺上載倉不同溫度、氧化鋁不同厚度，以及TMA 的純度對EL 發黑比例及電池性能的影響，并提出了有針對性的改進措施：

(1)當倉體溫度太低時由于硅片襯底受熱不好，沉積的氧化鋁薄膜致密性差導致EL 發黑比例增加，當溫度保持在250～300 ℃時，EL 發黑得以改善。

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

(3)TMA 雜質含量對EL 發黑以及電性能影響至關重要，因此定期的機臺吹掃是必要的，目的是降低主機臺內雜質含量，臨時措施可以通過適當降低氧化鋁薄層的厚度2～3 nm 進行緩解。本文通過實驗驗證得到的結論在氧化鋁膜層實際生產制備過程中具有現實的指導意義。