基于載流子選擇性接觸的N型晶硅電池鈍化特性研究

張天杰，劉大偉，倪玉鳳，楊 露，魏凱峰，宋志成，林 濤

(1.國家電投集團西安太陽能電力有限公司，西安 710100；2.西安理工大學電子工程系，西安 710048)

0 引 言

制作高效率、低成本的晶硅電池一直是光伏能源領域的研究熱點。而提高晶硅太陽能電池的轉換效率，除了從光學角度增加太陽能電池對光的吸收，減少光生載流子在電池表面和體內的復合一直是太陽能電池提效的重要途徑[1]。近年來從硅片質量改善來降低體缺陷，開發新型鈍化材料來降低表面態密度及界面缺陷，采用先進的減反技術(新型的絨面陷光結構與材料)以提高光的吸收，引入低電阻金屬化技術降低串聯電阻，優化PN結制備技術以及器件結構等取得了一系列重大的進展，特別是N型單晶硅具有雜質少、純度高、少子壽命高、無晶界位錯缺陷及電阻率易于控制等優勢，目前已成為實現高效率太陽電池的理想材料[2]。

基于N型晶硅電池發展起來的隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池前表面采用疊層膜鈍化工藝，背表面采用超薄氧化硅和摻雜多晶硅的疊層形成隧穿氧化層鈍化接觸結構，正是由于該結構具有優異的隧穿鈍化特性，目前該種電池結構的實驗室轉換效率達到了25.7%[3]，產業化電池轉換效率也超過了23%[4]。該隧穿氧化層鈍化接觸結構是通過制備一層超薄氧化硅(～1.5 nm左右)，然后再沉積一層磷摻雜的多晶硅而形成。由于磷摻雜的多晶硅層、隧穿氧化層及硅基體之間功函數的差異會使得界面處產生能帶彎曲，最終在隧穿氧化層及磷摻雜硅基體界面處形成一個勢壘層，該勢壘阻擋空穴達到界面處，而在二者的界面處則形成了一個電子累積層，使得電子則能夠輕易到達兩者的界面處而發生隧穿效應[5-7]。此結構可以應用于異質結(HIT)電池、叉指狀背接觸(IBC)等高效電池中，具有巨大的效率潛力[8]。因此隧穿氧化層鈍化接觸結構是晶硅太陽電池中非常具有工業化應用前景的鈍化技術。

本文設計了專門的隧穿鈍化接觸對稱結構，并對設計的結構在退火摻雜后、沉積SiNx∶H薄膜及燒結后測試隱開路電壓值，研究該隧穿鈍化接觸結構與疊層膜在太陽能電池制作中的復合鈍化特性，進一步探討了多晶硅與硅基體內摻雜濃度分布對隧穿氧化層的疊層鈍化特性的影響，并對該鈍化機理進行了分析。

1 材料結構設計與制作

圖1 隧穿鈍化接觸材料結構Fig.1 Tunneling passivation contact material structure

圖1為實驗設計的隧穿鈍化接觸研究的材料結構。參考文獻[9]中的模擬計算結果，設計的隧穿氧化層的生長厚度為1.2～1.4 nm，考慮到電池制作過程中多晶硅(Poly-Si)層在正表面的繞度清洗，設計的Poly-Si層的厚度為120 nm，SiNx層的設計厚度為75 nm。該材料結構中基體選用雙面拋光的電阻率為2.0 Ω·cm的0°偏角的單晶N-Si；隧穿氧化層及多晶硅層均采用Tempress型低壓氣相沉積系統依次生長而成，隧穿氧化層的生長溫度為560～580 ℃，生長氣壓為700 mtor，源材料為氧氣；Poly-Si層沉積溫度為600～610 ℃，生長氣壓為200 mtor，源材料為SiH4。通過低壓氣相沉積系統完成隧穿氧化層及Poly-Si層的生長后，采用凱世通ipv-3000機臺對雙面沉積多晶硅層的樣片進行磷離子注入，然后在860～880 ℃的溫度下退火處理，完成Poly-Si層磷摻雜源的激活，設計的實驗結構如圖1(a)所示。基于圖1(a)的結構，在摻雜多晶硅層的表面沉積一層75 nm厚度的SiNx∶H薄膜，設計的結構如圖1(b)所示。完成實驗樣片材料結構的生長制作過程中進行背表面摻雜濃度分布及結構鈍化特性測試。

2 結果與討論

2.1 鈍化特性結果分析

在N型晶硅太陽能電池制作中，一般都需要經過表面清洗、擴散摻雜、表面鈍化、SiNx∶H薄膜沉積、印刷燒結等工藝。在這些工藝制程中硅片需要經過不同的高溫及表面處理，少子壽命也會隨之變化。有效少子壽命與樣片的隱開路電壓值(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。為了研究實驗樣片的鈍化特性，將制作完成的實驗樣片，分別在退火處理后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結后測試隱開路電壓值，鈍化接觸材料結構隱開路電壓值測試結果如圖2所示，退火后隱開路電壓均值為712 mV，沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值為742 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升30 mV，將沉積SiNx∶H薄膜后的樣片再進行燒結處理，其隱開路電壓值均為738 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值降低4 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升24 mV。根據圖1(a)的結構設計，產生這一結果的主要原因在于退火后，硅基體內N+的摻雜層、隧穿氧化層及摻雜多晶硅疊層的界面處產生能帶彎曲[2,10]。材料的能帶結構如圖3(a)所示，由圖3(a)可知N+層的多子(電子)累積到N+層與隧穿氧化層界面處，而生長的SiOx層很薄，到達N+層與隧穿氧化層界面處的多子可以隧穿到摻雜的多晶硅層，隱開路電壓均值可達712 mV。依據參考文獻的結果未生長隧穿氧化層時磷摻雜的poly(N+)產生的場鈍其隱開路電壓值為670～680 mV[11]。可見在摻雜的多晶硅層與硅基體之間生長一層隧穿氧化層，能夠使得隱開路電壓值增加30 mV。當沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值達到742 mV，鈍化特性提升，其鈍化機理如圖3(b)所示，一方面SiNx∶H薄膜具有很好的減反射作用，使得更多的光入射到樣片中，產生更多的載流子；另一方面由于摻雜的多晶硅表面原子具有大量的非飽和化學鍵，且多晶硅材料體內存在較多的雜質和缺陷，沉積SiNx∶H薄膜時引入的H既飽和了表面的化學鍵，降低了表面態密度，又使得部分H進入到摻雜多晶硅層內，鈍化了體內的部分缺陷。因此沉積SiNx∶H薄膜后進一步減小了少數載流子的復合速率，提高了鈍化特性[12]。

圖2 鈍化接觸材料結構隱開路電壓Fig.2 Implied open circuit voltage of passivated contact material structure

將制作的圖1(b)樣片在峰值溫度為780 ℃的溫度下燒結，燒結爐帶的帶速為50 mm/s，實驗發現燒結后其隱開路電壓值略微降低，產生這一結果的機理如圖3(b)所示，由于燒結時一方面高溫促進了氮化硅薄膜中的氫向硅中的內擴散，鈍化多晶硅及晶硅體內的缺陷，使鈍化效果增強，另一方面硅中的氫向外擴散，造成鈍化效果減弱，在600 ℃的常規熱處理時這兩個過程達到平衡，表現為隱開路電壓值在退火前后基本無變化；但是超過600 ℃處理時，氫的外擴散逐漸占據了主導地位，表現為隱開路電壓值下降，特別是在燒結后冷卻過程中SiNx∶H薄膜中的部分H會發生再生態轉變[13]，使得注入多晶硅層的氫變成了氫分子而溢出體外，最后二者綜合作用的結果使得樣片的隱開路電壓值略有下降從而使得隱開路電壓值降低[14-15]。

圖3 鈍化機理圖Fig.3 Passivation mechanism diagram

2.2 摻雜濃度分布對鈍化特性分析

圖4為不同樣片退火后摻雜濃度分布曲線，樣片1至樣片4是采用不同的摻雜工藝得到的摻雜濃度分布曲線。由圖4可知各樣片多晶硅層的摻雜濃度保持為一定值，注入的磷摻雜源穿透隧穿氧化層到達硅基體內部，且由樣片1至樣片4磷摻雜源進入硅基體內的“穿透”深度[16]逐漸增加。

圖4 摻雜濃度分布曲線Fig.4 Doping concentration distribution curves

圖5為不同摻雜濃度分布曲線隱開路電壓值的變化圖，圖5(a～d)隱開路電壓值依次對應于圖4中樣片1至樣片4的摻雜濃度分布曲線。將不同摻雜濃度分布的實驗樣片分別在退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結后采用Sinton WCT-120儀器Generalized模式測試隱開路電壓值，在硅基體內具有較淺的“穿透”深度，退火后隱開路電壓均值為653 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達到734 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了81 mV，然后做燒結處理，其隱開路電壓的均值為704 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值下降了30 mV；樣片2摻雜退火后隱開路電壓均值為675 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達到740 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了65 mV，然后燒結處理后，其隱開路電壓的均值為725 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值下降了15 mV；樣片3摻雜退火后隱開路電壓均值為712 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達到742 mV，相比于退火后提升了30 mV，然后做燒結處理，其隱開路電壓均值為738 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值僅僅下降了4 mV；樣片4在硅基體內具有較深的“穿透”深度，摻雜退火后隱開路電壓均值為699.8 mV，雙面沉積SiNx∶H薄膜后，其隱開路電壓均值達到714.9 mV，相比于退火后隱開路電壓均值提升了10 mV，然后做燒結處理，其隱開路電壓均值為714.8 mV，相比于沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓均值基本保持不變。

由此可見，隱開路電壓值對摻雜濃度分布非常敏感。隨著摻雜濃度分布進入硅基體的“穿透”深度增加，相對應的退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結后隱開路電壓值均呈現先增加后減小的趨勢，且樣片沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓的增加幅度也逐漸減小，而樣片燒結后隱開路電壓值又出現不同幅度的下降，摻雜濃度進入硅基體的“穿透”深度越深，隱開路電壓值的下降值逐漸減小最后趨向于0，使得沉積SiNx∶H薄膜后和燒結后隱開路電壓值保持不變。產生這一結果的主要原因是當摻雜源進入硅基體內的“穿透”深度較淺時，多晶硅層的摻雜濃度超過了1×1020/cm3，在Si基體內磷摻雜源較少，因此在N+摻雜的硅基體內產生形成的場鈍化效果較弱，使得硅體內的載流子不易于運動到隧穿氧化層與硅基體的表面，在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處不能形成較多的電子累積層，因此退火后其鈍化特性較差[17]；隨著硅基體內摻雜結深的增加，其場鈍化效果顯著，在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處產生能帶彎曲從而形成內建電場，使得硅體內的載流子易于運動到隧穿氧化層與硅基體的表面形成較多的電子累積層，且累積層的電子易于穿透隧穿氧化層達到多晶硅層，因而退火后隱開路電壓值較高；隨著硅基體內摻雜結深的進一步增加，其場鈍化效果達到達到最優值，能夠使得在N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處形成足夠多的電子累積層，但是進一步增加結深則需要更高的退火溫度和退火時間，高溫條件會增加隧穿氧化層與N+摻雜的硅基體界面處的界面陷阱密度，大大增加了N+摻雜的硅基體與隧穿氧化層界面處的復合速率，且該種復合機理將占據主導地位，從而使得退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結后隱開路電壓值降低[18]。其次，沉積SiNx∶H薄膜后隱開路電壓值均升高，這是由于SiNx∶H薄膜中引入的氫鈍化作用，使得隱開路電壓升高，這與前面的實驗結果相一致。

3 結 論

本文分析對比了載流子選擇性鈍化接觸結構在退火后、沉積SiNx∶H薄膜后及燒結后隱開路電壓值的變化。研究發現沉積SiNx∶H薄膜后由于H的引入既降低了表面態密度，又使得部分H進入到摻雜多晶硅層內，鈍化了體內的部分缺陷，使得隱開路電壓值升高；在780 ℃的高溫下燒結后，由于SiNx∶H薄膜中的部分H會發生再生態轉變，使得注入多晶硅層的氫變成了氫分子而溢出體外，從而隱開路電壓值略有降低；且當磷摻雜源進入硅基體內的“穿透”深度較淺時，在N+摻雜的硅基體內形成的場鈍化效果較弱，使得硅基體內的載流子不易于運動到隧穿氧化層與硅基體的界面處而形成電子累積層，因此隱開路電壓值較低；當磷摻雜源進入硅基體內的“穿透”深度較深時，由于“穿透”深度增加需要更高的退火溫度和退火時間，高溫條件下會增加隧穿氧化層與N+摻雜的硅基體界面處的界面陷阱密度，進一步增加界面處的復合速率，從而使得隱開路電壓值降低。即隨著磷摻雜源進入硅基體內的“穿透”深度增加，相對應的退火后、SiNx∶H薄膜沉積后及燒結后隱開路電壓值均呈現先增加后減小的趨勢。通過背表面摻雜濃度分布曲線的優化，可以使得燒結后的隱開路電壓均值達到738 mV。