低頻PECVD 設備沉積的AlOx/SiNx 鈍化膜的性能研究

趙增超，李 明，周小榮，郭 艷，黃嘉斌

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410013)

0 引言

提升太陽電池的轉換效率是降低光伏發電成本、實現光伏發電平價上網的關鍵。鈍化發射極及背接觸(Passivation Emitter and Rear Contact，PERC)太陽電池是目前技術最成熟、應用最廣泛的高效太陽電池之一，其產能逐年擴大。該電池是在傳統太陽電池的基礎上增加了背表面鈍化結構，抑制了載流子背表面復合。目前，氧化鋁(AlOx)是公認的良好的背鈍化材料，尤其是對于p 型晶體硅太陽電池而言[1-3]，其沉積在硅片襯底后不僅具有高濃度的固定負電荷，使Si-AlOx界面能帶彎曲，而且還阻止了少數載流子向背表面漂移，從而場鈍化效果優異。

PERC 太陽電池通常采用AlOx膜與氮化硅(SiNx)膜作為鈍化膜。普遍采用原子層沉積(ALD)設備沉積AlOx膜，這在實驗領域已得到了廣泛的研究[4-6]，但ALD 設備無法完成SiNx膜的制備，因此需要等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備來完成，以便最終形成AlOx/SiNx疊層鈍化結構[4]。由于PERC 太陽電池的鈍化層無法僅由ALD 設備單獨完成，這增加了設備采購及維護成本；而PECVD 設備可以獨立完成AlOx/SiNx鈍化膜的沉積，因此在后續的工業應用領域中，PECVD 設備逐漸取代了ALD 設備。

在實驗研究和工業生產中，沉積AlOx/SiNx鈍化膜時首先采用的是頻率為2.45 GHz 的微波PECVD 設備[7-10]，但該設備的成本是頻率為30～300 kHz 的低頻PECVD 設備的2～3 倍，因此，低頻PECVD 設備逐漸被接受并廣泛應用[11-12]。然而，由于針對低頻PECVD 設備沉積AlOx/SiNx鈍化膜的研究相對較少，因此對其沉積特性及所沉積膜層的鈍化性能也無深入的研究。本文利用40 kHz 的低頻PECVD 設備采用不同工藝方法在硅片襯底上沉積AlOx/SiNx鈍化膜，分別利用少子壽命測試儀(型號為Sinton WCT-120)和傅里葉紅外光譜(FTIR)分析了不同工藝方法下的膜層少子壽命與成鍵結構，以期通過改進沉積工藝來提升PERC 太陽電池的轉換效率。

1 實驗設備

本實驗采用的低頻PECVD 設備的結構示意圖如圖1 所示。

圖1 低頻PECVD 設備的結構示意圖Fig.1 Structure schematics of low frequency PECVD

將硅片襯底放置在低頻PECVD 設備反應腔室的電極兩側，其沉積鈍化膜時的參數為：沉積過程中的壓強約為200 Pa，AlOx膜與SiNx膜沉積時的放電功率密度分別為130±5 mW/cm2與240±10 mW/cm2，AlOx膜沉積過程中的反應氣體為N2O、三甲基鋁(TMA)及Ar，SiNx膜沉積過程中通入的氣體為SiH4和NH3。

2 膜層樣品的制備與性能分析

2.1 AlOx/SiNx 鈍化膜樣品的制備與性能分析

2.1.1 鈍化膜樣品的制備

采用低頻PECVD 設備制備鈍化膜的常規流程為：利用KOH 溶液將硅片的雙面進行腐蝕拋光，得到襯底樣品；將襯底樣品放置在低頻PECVD 設備反應腔室的電極兩側，依次進行AlOx膜與SiNx膜的沉積，膜層厚度分別為12±1 nm 和100±4 nm；將沉積后的樣品通過燒結爐完成退火工藝，以激活膜層的鈍化性能。

為了研究使用低頻PECVD 設備沉積鈍化膜時，采用不同工藝對鈍化膜性能的影響，將p 型＜100＞晶向、電阻率為1 Ω·cm 的直拉單晶硅片(下文簡稱“p 型單晶硅片”)分為5 組，分別采用不同的工藝，制備流程除某些步驟不同外，其他步驟均相同。

將p 型單晶硅片襯底的雙面均采用低頻PECVD 設備沉積相同的鈍化膜。1 組硅片襯底在沉積AlOx膜后、沉積SiNx膜前增加利用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理的過程，此工藝生產的樣品為1#樣品；1 組硅片襯底采用鈍化膜常規沉積流程，在沉積AlOx膜后直接在其上沉積SiNx膜，此工藝生產的樣品為2#樣品；同時采用梅耶博格生產的微波PECVD(型號：MAIA 2.1)設備沉積AlOx/SiNx鈍化膜，此工藝生產的樣品稱為3#樣品，以此樣品作為對照組。1#樣品與2#樣品的鈍化膜制備流程如圖2 所示。

圖2 1#樣品與2#樣品的鈍化膜制備流程圖Fig.2 Flow chart of preparation of passivation film for 1 # sample and 2# sample

2.1.2 性能分析

1) 少子壽命測試。采用少子壽命測試儀對制備的3 種鈍化膜樣品進行少子壽命測試，測試結果如圖3 所示。

由圖3 可知，當注入載流子濃度為1015cm-3時，1#樣品～3#樣品的少子壽命分別為271、54和243 μs。未經過N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理的2#樣品的少子壽命與其他2 個樣品的差距較大。

由于AlOx與硅片襯底接觸，而鈍化效果主要發生在鈍化膜與硅片襯底的界面處，因此該鈍化膜結構中起主導作用的是AlOx。2#樣品的少子壽命低可能是因為較低的頻率增強了離子對硅片襯底的轟擊作用，Si-AlOx界面未形成良好的SiOx膜層，導致AlOx膜未帶有足夠大的固定負電荷密度，無良好的場鈍化效果，使界面處載流子復合嚴重；而且AlOx膜層內O 含量較少，在后續退火過程中無足夠多的O 在表面形成界面氧化層參與到固定電荷的形成過程，抑制了鈍化效果。

圖 3 1#樣品～3#樣品的少子壽命情況Fig.3 The minority-carrier lifetime of 1 # sample～3 # sample

從圖3 中還可以看出，由于1#樣品增加了利用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理的步驟，其少子壽命顯著增大，達到了3#樣品的鈍化效果。這可能是因為低頻PECVD 設備采用直接等離子體放電模式，即硅片襯底直接作為電極參與放電，而在放電過程中，由于電子速度遠高于離子速度，便在電極附近形成等離子體鞘層，增大了該區域的電場；而且頻率較低時，離子在電場方向變化前已經到達電極，對硅片襯底表面轟擊，從而使AlOx膜沉積過程中形成的不穩定的Si-O 鍵被破壞。

2) 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析。圖4 為1#樣品和2#樣品的FTIR 圖，其中，波數范圍750～850 cm-1[10]的吸收峰對應Al-O 四面體結構。

根據文獻[2]可知，沉積的AlOx膜中包含Al-O 四面體結構和Al-O 八面體結構，研究人員發現Si-AlOx界面處的四面體結構中的Al 配位表現為凈負電荷，而八面體結構中的Al 配位表現為“+3”價態。因此，含有更多Al-O 四面體結構的AlOx膜具有更優異的場鈍化效果。經過N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理后，四面體結構的Al-O 鍵吸收峰明顯增強，表征其固定負電荷密度增強，這與少子壽命測試的結果一致。

圖 4 1#樣品和2#樣品的FTIR 圖Fig.4 FTIR spectra of 1# sample and 2# sample

2.2 AlOx 膜樣品的制備與FTIR 分析

2.2.1 AlOx膜樣品的制備

在接下來的現場測評環節，63名選民代表參加了投票。“優秀票57票，稱職票5票，基本稱職票1票，不稱職票0票，總體評價為優秀。”鎮人大主席宣布測評結果的話音剛落，會場響起了熱烈的掌聲，李興軍緊張的神情才稍稍放松了下來。

測試單層AlOx膜的特性。在鈍化膜制備過程中，只沉積AlOx膜，其為4#樣品；沉積AlOx膜后利用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理，該樣品為5#樣品。

2.2.2 FTIR 圖分析

圖5 為4#樣品和5#樣品的FTIR 圖。

圖5 4#樣品和5#樣品的FTIR 圖Fig.5 FTIR spectra of 4# sample and 5# sample

由圖5 可知，利用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理后的AlOx膜，其Si-O 鍵吸收峰明顯增強，Si-O 鍵吸收峰的波數范圍為900～1200 cm-1[10]。該結果表明通過等離子體表面處理，Si-AlOx界面中的O 含量增大，且氧化層增加，有助于場鈍化效應的增強，這與少子壽命的測試結果一致。

2.3 小結

通過對1#樣品～5#樣品進行測試可以發現，采用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理的樣品的鈍化效果較好，可將此處理過程理解為氧的注入過程，使Si-AlOx界面形成了良好的氧化層，起到了負電荷的傳輸作用，從而大幅提升了少子壽命。

3 PERC 電池樣品的制備與性能分析

3.1 PERC 電池樣品的制備

將p 型單晶硅片分為2 組，每組均為200 片，完成PERC 電池的制備。其中，鈍化膜采用低頻PECVD 設備沉積的一組PERC 電池記為電池A，并且AlOx膜沉積后加入了N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理步驟；鈍化膜采用微波PECVD設備沉積的一組PERC 電池記為電池B。2 種PERC 電池的制備流程如圖6 所示。

圖6 2 種PERC 電池的制備流程圖Fig.6 Flow chart of preparation of two kinds of PERC solar cells

3.2 性能分析

由表1 和圖7 可知，采用低頻PECVD 設備沉積AlOx/SiNx鈍化膜時，對背鈍化工藝進行優化后，即在沉積AlOx膜后加入利用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理的步驟，載流子復合性能得到了改善，制備得到的PERC 電池的平均轉換效率達到了22.48%，最佳轉換效率為22.69%，這2 個值達到了采用微波PECVD 設備沉積AlOx/SiNx鈍化膜的同等水平。

表 1 PERC 電池的性能測試結果Table 1 Illuminated performance results of PERC solar cells

圖7 2 種PERC 電池的轉換效率分布Fig.7 Conversion efficiency distribution of two kinds of PERC solar cells

4 結論

本文對低頻PECVD 設備沉積的AlOx/SiNx鈍化膜的性能進行了研究，得出了以下結論：

1)較低的頻率增強了離子對硅片襯底的轟擊作用，使Si-AlOx未能形成良好的界面氧化層，且膜層內的Al-O 四面體結構占比較低，從而降低了膜層的場鈍化效應，使載流子復合嚴重，無法起到良好的鈍化作用。

2)硅片襯底沉積AlOx膜后，采用N2O/NH3氣體進行等離子體表面處理，向膜層內注入O，使界面處形成用于價電子傳輸的SiOx層，并且提升了AlOx的Al-O 四面體結構占比和Si-O 鍵成鍵比例，明顯改善了鈍化效果，少子壽命由54 μs提升到271 μs。利用改進的沉積工藝，使小批量生產的PERC 電池的平均轉換效率達到了22.48%。