一種常壓氧化爐熱氧工藝研究

趙彩霞 張波 楊飛飛 孟秀峰

【摘 要】 本文針對PERC（鈍化發射極背面接觸）電池生產中，常壓氧化制備氧化層熱氧親水性較差的問題，通過優化調整常壓氧化工藝沉積溫度，并經親水性、EL（電致發光）、EQE（外量子效率）、電性能測試等測試表征，研究表明：常壓條件下進行氧化層制備，較低的沉積溫度下，沉積速率較大，其所沉積氧化層致密度高，鈍化效果好。

【關鍵詞】 常壓;沉積溫度;親水性;外量子效率

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）04-0094-03

1引言

近年來，單晶PERC以其領先的技術優勢，市場份額增加較快，為進一步提效和降本，研發了很多針對單晶PERC工藝的各項創新技術，其中發射極氧化層的制備尤為關鍵，但氧化層的制備主要利用低壓氧化爐，直接增加電池端的制造成本，如能合理利用常壓氧化爐制備氧化層，則可大幅降低設備投入成本，成為各大公司重點考慮的方向。

目前國內外主要利用低壓氧化爐制備氧化層，其產品均勻性好、沉積速率高，而常壓氧化爐存在沉積均勻性較差、沉積速率低的問題，且其調試過程比較復雜，難度較大，故而未經工業化生產推廣應用。

本文利用常壓氧化爐制備前表面氧化層，摒棄非主要影響因子，主要研究關鍵影響因素沉積溫度，分別通過硅片表面親水性、電致發光、外量子效率及電學性能等測試，分析不同溫度影響下，所形成的氧化層的質量水平，從而確定最佳常壓氧化爐生產工藝。

2試驗方法

考慮到常壓與低壓設備與工藝條件的差異性，主要考慮常壓下不同沉積溫度對硅片表面親水性的影響，分別通過親水性、EL（電致發光）、EQE（外量子效率）、電性能測試分析其不同沉積溫度下的表現。

2.1 主要原料及設備

本實驗所用硅片都為P型Cz（直拉法）摻硼，面積大小為158.75×158.75mm2，電阻率為0.5-1.4Ω·cm，厚度180μm。常壓CT氧化爐設備，可調溫度范圍0-1500℃。

2.2 試驗過程

在親水性試驗過程中，測試親水性所用硅片需經單晶制絨、低壓擴散制結、背表面拋光工序后，經自動裝片裝置將硅片放置于石英舟內，進入常壓氧化爐，通O2和N2，在固定溫度與壓力下，于硅片表面生長一層2-5nm的氧化硅層，然后將氧化后硅片進行親水性測試。

在電性能測試過程中，原硅片經單晶制絨、低壓擴散制結、背表面拋光、前表面氧化（多種沉積溫度對比測試）、背鈍化膜制備、激光開槽工序后，最后經絲網印刷工序形成前后金屬接觸，使用Halm機臺測試IV數據。

3 測試與分析

3.1 親水性測試與分析

工藝沉積溫度測試分為六個溫度的試驗550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，沉積10min，親水性測試結果如圖1。

用移液管在經常溫氧化爐氧化處理后的硅片表面不同位置滴一滴水（0.05ml），如圖1所示，水平放置，觀察相同時間下水滴擴散面積，水滴擴散面積與溫度的關系見圖2。

由圖1可知，不同沉積溫度氧化后硅片表面親水性顯著不同，其中750℃是實際低壓（約2kPa）生產溫度。由圖1、圖2可知，常壓650℃沉積氧化后硅片的親水性明顯強于750℃實際低壓生產沉積氧化后硅片表面親水性，低于650℃常壓沉積氧化后硅片表面親水性較650℃緩慢變弱，且沉積溫度低于650℃，硅片表面親水性隨溫度變化基本趨于平緩;高于750℃常壓沉積氧化后硅片表面的親水性較750℃明顯變弱，硅片表面親水性隨溫度變化同樣基本趨于平緩;常壓下650℃硅片表面親水性明顯優于其他實驗溫度。且低于650℃常壓沉積氧化后硅片表面親水性較高于750℃常壓沉積氧化后硅片表面親水性強，由此可知，高于650℃時，常壓沉積氧化后硅片表面親水性隨溫度升高而減弱，低于650℃時，常壓沉積氧化后硅片表面親水性隨溫度降低而緩慢減弱，常壓沉積氧化最佳溫度為650℃，此溫度下沉積的氧化層厚度及均勻性最好。

從統計物理角度分析，常壓氧化由于其壓力較高，相同沉積溫度下，相比低壓氧化，沉積氣體濃度高，但其分子自由程較短，單位時間內到達硅片表面的氣體分子較少，沉積速率相對較慢。當溫度降低時，沉積氣體濃度可進一步升高，且分子自由程變長，單位時間內到達硅片表面的氣體分子變多，沉積速率升高較快。但過低的沉積溫度也會導致沉積速率變慢，無法保證氧化層的厚度與均勻性。

3.2 EL測試與分析

由圖3看出，氧化沉積溫度在550-600℃之間，EL圖像亮度正常，但550-600℃沉積溫度下，存在少量EL黑斑;氧化沉積溫度在700-800℃之間，EL圖像整體發暗，且黑斑數量較多。結合上述親水性測試分析，進一步印證650℃沉積溫度下，前氧化層表面覆蓋均勻性好，可有效鈍化表面缺陷，從而保證EL測試的亮度與較少黑斑數量。

3.3 外量子效率測試與分析

上述三個溫度區間各選取一個溫度值測試EQE，如圖4所示，在溫度650℃下EQE短波表現最佳，550℃相比650℃略低，而在750℃溫度下，短波EQE值相差很多，充分說明750℃下前表面氧化層鈍化效果較差，無法有效收集光生載流子。

3.4 電學性能參數測試與分析

結合上述親水性測試、EL圖像結果分析，由表1數據可得出，氧化沉積溫度650℃時，電池轉換效率最佳，其開路電壓與短路電流值均反映出，于此溫度下，電池前表面氧化層鈍化效果較好;對比700℃-800℃沉積溫度下電性能數據，電池轉換效率在700℃開始下降幅度較大，此溫度下，電池前氧化層沉積厚度較薄或致密度較差，無法達到前表面氧化層鈍化作用;對比550℃-600℃沉積溫度下電性能數據，電池轉換效率有微弱變化，并未出現較大幅度跳動，其可能原因為，于此溫度下所沉積氧化層膜厚度滿足工藝需求，但致密度較差，其鈍化效果相比650℃較弱。

4 結論

對于晶硅電池沉積氧化層，使用常壓氧化爐與低壓氧化爐，其沉積溫度差異較大。

常壓氧化爐低溫沉積效果較佳，在650℃溫度下，分別從親水性、EL圖像、EQE和電性能分析，均優于其他溫度，尤其與低壓氧化爐沉積溫度700℃-750℃相比，得到很大改善。

常壓氧化爐壓力高，較高沉積溫度下，相同量工藝氣體分子自由程短，不利于硅片表面沉積氧化層。

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