N型太陽能電池Al2O3薄膜鈍化性能研究

郎芳

摘要：文章從提升N型太陽能電池發電效率和降低其加工成本入手，分析了如何通過鈍化機制來降低電池的復合，通過對Al2O3薄膜制備過程中臭氧濃度、沉積溫度、燒結溫度以及Al2O3薄膜的厚度進行對比和分析，發現Al2O3薄膜在一個較寬的范圍內能夠達到較穩定的鈍化效果，因此其工業應用前景廣闊。

關鍵詞：Al2O3薄膜；表面復合；N型太陽能電池；鈍化性能；發電效率 文獻標識碼：A

中圖分類號：O47 文章編號：1009-2374（2016）34-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.014

隨著氣候條件的不斷惡化以及不可再生能源的不斷開采，為了保證能源的持續利用，可再生能源受到青睞，尤其是太陽能不斷被關注和利用。但是由于其效率偏低且成本偏高，導致其利用率并未達到最大化。為了進一步降低太陽能電池的生產成本并提高其轉換效率，應用更薄的硅片成為太陽能行業的發展趨勢。隨著硅片厚度的減薄，硅片的表面復合就越來越重要，因此需要開發更優異的表面鈍化方法。

表面鈍化的方法可以歸納為化學鈍化和場效應鈍化兩類。由于表面復合的速率直接與界面缺陷的密度相關，化學鈍化是通過減少界面處的缺陷數量來達到減少表面復合速率的。通常使用氫原子或一層薄的半導體膜來實現化學鈍化作用，它們可以同未配位的原子（懸掛鍵）結合，從而減少界面缺陷密度。

場效應鈍化是通過內建電場來減少硅片界面處電子或空穴的濃度從而達到表面鈍化的作用。由于復合過程需要同時有電子和空穴的存在，當兩者在界面處的濃度在約同一個數量級（假定電子和空穴具有相同的捕獲截面）時會達到最高的復合速率，其他情況下復合速率與界面處電子的濃度相關。在場效應鈍化中，硅片界面處的電子或空穴的濃度被界面處的內建電場屏蔽。這種內建電場可以通過向界面下摻雜或是在界面處形成固定電荷來獲得。

1 Al2O3薄膜的制備方法

沉積Al2O3薄膜的方法有原子層沉積法（ALD）、等離子增益化學氣相沉積法（PECVD）、溶膠凝膠法（Sol-gel）以及屬于物理氣相沉積的濺射法（sputtering）。

原子層沉積法分為熱原子層沉積和等離子輔助原子層沉積，通常使用三甲基鋁（TMA）為前驅體，使用水、臭氧或氧氣作為氧化劑。ALD工藝可以分為兩個自限制的半反應。每個半反應前驅原子通過精確地單個原子層的生長使表面達到飽和。第一個半反應中TMA分子與吸附于表面的OH基團反應。最后鋁原子和甲基覆蓋了表面，而沉積腔室中剩余的TMA分子將不再與表面反應。用惰性氣體或是氧氣吹掃沉積腔室后，再進行第二個半反應，交替進行。

2 Al2O3薄膜鈍化的機理

Al2O3薄膜有高質量的鈍化性能可歸因于它能結合良好的化學鈍化和場效應鈍化。其中化學鈍化是源于降低了表面缺陷密度（Dit），場效應鈍化是通過大量在c-Si/Al2O3界固化了的負電荷（Qf）電場屏蔽少數載流子來實現的。Al2O3雙電導是由帶電的（AlO4）1-基團和分離的Al3+離子組成的連續隨機的網絡。為與局部電中性原則一致，比例應為3∶1，相應的反應為2（Al2O3）=3（AlO4/2）1-+Al3+。此結構下，Al原子有兩種不同的結合方式：在（AlO4）1-單元中是四面體對等結構，在與O-相鄰的環境中形成八面體間隙結構。固定負電荷的形成可以通過在SiO2/Al2O3界面處O-對Al3+的非對稱性屏蔽來完成。

3 實驗過程及結果

3.1 工藝流程

常規N型電池的加工工藝為表面織構化、磷硼共擴散、邊緣絕緣、化學處理、PECVD鈍化、印刷燒結。通過在化學處理后PECVD鈍化前增加Al2O3薄膜的生長來增加此新的鈍化層實現新工藝流程。

3.2 Al2O3薄膜的制備

實驗中Al2O3薄膜由熱原子層沉積法來制備，以臭氧（O3）和三甲基鋁（TMA）為反應前驅體，在反應爐中175℃下反應生成Al2O3，反應爐的壓力根據通入氣體的不同而變化。臭氧由臭氧發生器以純氧為原料提供。反應開始先由氮氣攜帶氣化的TMA進入反應腔，通入TMA約5s后會在硅片表面均勻吸附一層TMA，然后以氮氣吹掃整個腔室以除去多余的TMA分子。接著以氮氣攜帶臭氧進入腔室，臭氧與硅片表面的TMA分子反應生成一層Al2O3薄膜。

3.3 測試與表征

實驗電池片采用少子壽命測試儀、橢偏儀、電致發光（EL）和光致發光（PL）、掃描電子顯微鏡（SEM）、CORRESCAN等設備對電池片壽命、膜層厚度、電池片性能、表面形貌等進行表征。

3.4 結果與討論

3.4.1 臭氧濃度：對比三組數據，當臭氧濃度為200g/m3時，填充因子最高，光電轉換效率也最高。同時發現在不同臭氧濃度條件下電池性能比較接近，說明Al2O3薄膜的鈍化性能對于臭氧濃度并不敏感。

3.4.2 溫度：實驗中固定臭氧的濃度為200g/m3，沉積溫度從175℃升高到275℃，變化達100℃，而電池的開壓下降了約1mV，其他各電池參數都較接近。說明Al2O3薄膜的鈍化性能對沉積溫度也不敏感。

3.4.3 燒結溫度：實驗中所沉積Al2O3薄膜的膜厚為5nm。帶有Al2O3薄膜的電池，隨著燒結溫度的上升開路電壓逐漸下降，而填充因子則先升后降，在燒結溫度升高10℃時達到最高，此時電池的效率也達到最高。說明Al2O3薄膜的存在會對漿料的燒結有一定的影響，升高溫度有利于形成更好的電極接觸。

3.4.4 Al2O3薄膜膜厚：對比5nm、3nm和1.5nm厚度的Al2O3薄膜，這三組電池片隨著Al2O3膜厚的增加，電池的開壓和短路電流都逐漸上升，說明Al2O3的鈍化效果隨著其膜厚的增加而增加。即使是Al2O3薄膜在1.5nm時，仍表現出較好的鈍化性能。說明原子層沉積法制備的超薄Al2O3膜可以運用于工業級太陽能電池的鈍化。

4 結語

本文將Al2O3薄膜用于N型電池的硼發射極表面鈍化取得了良好的效果。通過對比不同ALD條件下Al2O3薄膜的鈍化效果，發現可以在很寬的反應條件下制備Al2O3薄膜并不會對其鈍化性能產生較大影響。實驗發現通過熱原子層沉積法制備的超薄Al2O3薄膜，即使在1.5nm時仍能獲得良好的鈍化效果。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）