背表面氮化硅薄膜與氧化鋁薄膜制備工藝對 單晶硅雙面太陽電池EL的影響

張福慶，王貴梅，張軍杰，李文濤，李 景

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

為了進一步提高單晶硅太陽電池的光電轉換效率，研究人員針對單晶硅太陽電池背表面鈍化情況展開了研究。鈍化的目的是為了盡量減少單晶硅片表面陷阱所引起的非平衡載流子的復合[1]，通常是在單晶硅片背表面制備1層鈍化膜，即氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜，依靠氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜中的各種原子與半導體表面的懸掛鍵結合，從而降低單晶硅片表面陷阱對載流子壽命的影響。

管式PECVD設備的背面鈍化工藝主要分為升溫、高溫退火、抽真空、氮化硅沉積、清洗這5個步驟。其中，升溫步驟主要是通過電阻絲對設備的爐管進行加熱，當加熱至設定溫度后進行高溫退火。在采用原子層沉積(ALD)設備與管式PECVD設備制備單晶硅雙面太陽電池背表面鈍化膜的過程中，管式PECVD設備的退火工藝對單晶硅雙面太陽電池的電致發光(EL)有較大影響。本文通過在ALD設備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變的情況下，改變管式PECVD設備的退火溫度或退火時間，以及在管式PECVD設備采用相同退火工藝條件下改變氧化鋁薄膜的厚度，對背表面氧化鋁薄膜與氮化硅薄膜制備工藝對單晶硅雙面太陽電池EL的影響進行了研究。

1 EL的基本原理

EL的基本原理為：向單晶硅太陽電池施加正向偏置電壓，在p區加正電壓、在n區加負電壓，正向電壓的電場與p-n結內自建電場的方向恰好相反，從而削弱了p-n結內自建電場對晶體硅中電子擴散運動所產生的阻礙作用，使n區中的自由電子在正向電壓的作用下通過p-n結向p區擴散；當結區內同時存在大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，電子和空穴將在注入區產生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶中時，多余的能量會以光的形式釋放出來[2]。當向單晶硅太陽電池施加正向電流時，單晶硅太陽電池類似于發光二極管，會發出一定的光，此時其光強除了與輸入電流成正比外，也和缺陷密度相關。通過單晶硅太陽電池的EL圖像可以辨別制作電池的原料硅片是否存在瑕疵與工藝污染[3]。

2 實驗儀器

本實驗采用江蘇微導納米科技股份有限公司生產的三管ALD設備制備氧化鋁薄膜，深圳市捷佳偉創新能源裝備股份有限公司生產的五管PD-450管式PECVD設備制備氮化硅薄膜；采用北京量拓科技有限公司生產的EMPro-PV橢偏儀測試氧化鋁薄膜的厚度，采用PV-measurement公司生產的光譜測試儀QEX10進行量子效率測試，采用沛德光電科技(上海)有限公司生產的EL測試機對單晶硅雙面太陽電池進行EL測試。

3 實驗過程與結果分析

3.1 管式PECVD設備的退火溫度對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響

實驗采用ALD設備制備的氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm，在保證管式PECVD設備的退火時間為300 s這一條件不變的情況下，改變管式PECVD設備的退火溫度，測試制備的單晶硅雙面太陽電池的EL情況。根據現場工藝經驗，實驗共設置5種退火溫度，以30 ℃為溫度間隔依次增加。具體的不同退火溫度時的實驗條件如表1所示。

表1 不同退火溫度時的實驗條件Table 1 Experimental conditions with different annealing temperatures

根據上述實驗條件，分別在單晶硅片背表面鍍制氮化硅薄膜，然后經過相同的開槽激光、絲網印刷、燒結工藝后，測試制備的單晶硅雙面太陽電池的EL情況。不同實驗條件下制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像如圖1所示。

圖1 其他條件保持不變的情況下，管式PECVD設備采用不同退火溫度對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響Fig. 1 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing temperature in tubular PECVD equipment

由圖1可以看出，在氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm的前提下，當管式PECVD設備的退火時間均為300 s時，管式PECVD設備的退火溫度小于等于460 ℃時所制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像會出現大面積或邊緣條狀發黑的情況。

3.2 管式PECVD設備的退火時間對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響

實驗采用ALD設備制備的氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm，在保證管式PECVD設備的退火溫度為490 ℃這一條件不變的情況下，改變管式PECVD設備的退火時間，測試制備的單晶硅雙面太陽電池的EL情況。根據現場工藝經驗，實驗共設置4種退火時間，以100 s為時間間隔依次增加。具體的不同退火時間時的實驗條件如表2所示。

表2 不同退火時間時的實驗條件Table 2 Experimental conditions with different annealing times

根據上述實驗條件，分別在單晶硅片背表面鍍制氮化硅薄膜，然后經過相同的開槽激光、絲網印刷、燒結工藝后，測試制備的單晶硅雙面太陽電池的EL情況。不同實驗條件下制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像如圖2所示。

圖2 其他條件保持不變的情況下，管式PECVD設備采用不同退火時間對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響Fig. 2 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing times in tubular PECVD equipment

由圖2可以看出，在氧化鋁薄膜的厚度均為4 nm的前提下，當管式PECVD設備的退火溫度均為490 ℃時，管式PECVD設備的退火時間小于等于200 s時所制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像會出現大面積或邊緣條狀發黑的情況。

3.3 量子效率測試分析

對EL圖像發黑的單晶硅雙面太陽電池進行量子效率(QE)測試分析，具體結果如表3所示。

表3 EL圖像發黑的單晶硅雙面太陽電池的 QE測試分析結果Table 3 Analysis results of QE test of mono-Si bifacial solar cells blackened by EL image

由表3可知，經過QE測試后發現，EL圖像發黑的單晶硅雙面太陽電池在長波段(800～1100 nm)的QE值較低，在短波段(300～600 nm)的QE值較正常。短波段的QE值一般表征單晶硅片正表面的減反射和電子-空穴的復合情況，長波段的QE值一般表征單晶硅片背表面的減反射和電子-空穴的復合情況。QE測試結果與圖1a、圖2a的分析相吻合。分析后可知，EL圖像發黑是由于單晶硅片背表面的鈍化效果差，復合增加所導致的。

另外，文獻[4]表明，隨著管式PECVD設備退火溫度的升高，所鍍制的氧化鋁薄膜的結晶質量變好。采用ALD設備制備的氧化鋁薄膜中存在一定量的Al—OH鍵，經退火后Al—OH鍵轉變成Al—O鍵，并釋放出H原子[5]。在前文改變管式PECVD設備的退火溫度和退火時間這2個實驗中，退火溫度較低或退火時間較短會導致單晶硅雙面太陽電池出現EL圖像發黑的情況，分析原因，是因為當管式PECVD設備的退火溫度偏低或退火時間較短時，氧化鋁薄膜中Al—OH鍵中的H原子不能有效釋放并擴散到硅片表面，從而導致H原子不能與硅片表面的懸掛鍵結合鈍化，導致硅片表面的界面態仍偏高，影響了單晶硅片背表面的鈍化性能。同時，氧化鋁薄膜中的有機雜質在一定溫度下會被去除，在上述實驗中，當管式PECVD設備的退火溫度小于等于460 ℃時，氧化鋁薄膜中的有機雜質去除不充分或未被去除。上述2種原因的共同作用會導致單晶硅雙面太陽電池的EL圖像發黑。

3.4 管式PECVD設備采用相同的正常退火工藝的情況下，不同氧化鋁薄膜厚度對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響

實驗通過在現場工藝窗口范圍內改變ALD設備的循環次數，以0.5 nm為厚度間隔依次增加制備出4種不同厚度的氧化鋁薄膜，且管式PECVD設備采用相同的正常退火工藝(即退火溫度均為520 ℃、退火時間均為300 s)。具體的不同氧化鋁薄膜厚度時的實驗條件如表4所示。

表4 不同氧化鋁薄膜厚度時的實驗條件Table 4 Experimental conditions with different thickness of AlO film

根據上述實驗條件，在硅片鍍膜后均經過相同的開槽激光、絲網印刷、燒結工藝后，測試制備的單晶硅雙面太陽電池的EL情況。不同實驗條件下制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像如圖3所示。

由圖3可知，在管式PECVD設備的退火溫度均為520℃、退火時間均為300 s的條件下，不同厚度的氧化鋁薄膜制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像均正常，無發黑情況。分析原因，是因為在一定范圍的氧化鋁薄膜厚度下，管式PECVD設備采用正常退火工藝時，氧化鋁薄膜中的H原子均能夠完全釋放，有機雜質也能夠充分去除，從而使制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像均未出現發黑情況。

圖3 管式PECVD設備的退火工藝保持不變的情況下，不同氧化鋁薄膜厚度對單晶硅雙面太陽電池EL圖像的影響Fig. 3 Effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different thickness of AlO film when annealing process of tubular PECVD equipment remains unchanged

4 結論

本文針對采用ALD設備與管式PECVD設備制備背表面鈍化膜的過程中工藝參數的變化對單晶硅雙面太陽電池EL的影響進行了研究，即在氧化鋁薄膜厚度保持不變的條件下改變管式PECVD設備的退火溫度或退火時間，以及在管式PECVD設備采用相同退火工藝的前提下改變氧化鋁薄膜的厚度，最終得出以下結論：

1)在ALD設備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變的情況下，管式PECVD設備的退火溫度偏低會導致單晶硅雙面太陽電池的EL圖像出現大面積或邊緣條狀發黑的情況。本實驗中，管式PECVD設備的退火溫度小于等于460 ℃時，單晶硅雙面太陽電池的EL圖像出現了大面積或邊緣條狀發黑的現象。

2)在ALD設備鍍制氧化鋁薄膜厚度保持不變、管式PECVD設備的退火溫度保持490 ℃不變的情況下，退火時間偏低會導致單晶硅雙面太陽電池的EL圖像出現大面積或邊緣條狀發黑的情況。本實驗中，管式PECVD設備的退火時間小于等于200 s時，單晶硅雙面太陽電池的EL圖像出現了大面積或邊緣條狀發黑的現象。

3)在管式PECVD設備采用相同退火工藝的前提下，適當改變氧化鋁薄膜的厚度，制備的單晶硅雙面太陽電池的EL圖像未出現發黑現象，即該條件的變化對單晶硅雙面太陽電池的EL圖像無影響。本實驗中，在管式PECVD設備采用退火溫度為520 ℃、退火時間為300 s的前提下，將氧化鋁薄膜的厚度從3.0 nm增加至4.5 nm，制備得到的單晶硅雙面太陽電池均未出現EL圖像發黑的情況。

需要說明的是，在實際生產過程中，設備型號的區別和在線(Inline)控制標準的差異可能會使管式PECVD設備的退火工藝窗口范圍不同，因此本文所述實驗中得到的管式PECVD設備的退火溫度、退火時間的窗口并不是最重要的。通過實驗得到的是趨勢和規律，針對采用ALD設備與管式PECVD設備制備單晶硅雙面太陽電池背表面鈍化膜，制定合理的氧化鋁薄膜厚度及管式PECVD設備的退火溫度與退火時間，可以有效避免單晶硅雙面太陽電池EL不良現象的產生。