ALD制備氧化鋁及其鈍化性研究

石惠君 倪玉鳳 張 博 陳 丹 王冬冬

（1．青海黃河上游水電開發有限責任公司太陽能電池及組件研發實驗室，青海 西寧 810000；2．青海黃河上游水電開發有限責任公司西安太陽能電力分公司，陜西 西安 710100）

晶硅光伏太陽電池的飛速發展對晶體硅電池表面鈍化要求越來越高。其中硅片厚度朝著越來越輕薄化的方向發展，同時也帶來了嚴重的電池表面復合問題。由于硅片厚度變薄，晶體的周期性被破壞，從而產生懸掛鍵，使晶體表面存在大量位于帶隙中的缺陷能級。位錯、化學殘留物以及表面金屬的沉積等都會引入缺陷能級，這些使硅片表面成為復合中心[1]。由于氧化鋁鈍化薄膜具有較高的固定負電荷密度（Qf）和較低的界面缺陷密度（Dit），因此能夠同時具備良好的化學鈍化和場化學鈍化作用，并對P型和n型晶體硅電池表面有良好的鈍化效果[2]。

目前，氧化鋁薄膜常見的制備方法有磁控濺射、陽極氧化、溶膠-凝膠法、電子束蒸發、化學氣相沉積以及原子氣相沉積等。ALD（Atomic Layer Deposition）原子層沉積技術是一種基于有序、表面自限制性反應的化學氣相沉積薄膜的方法。該制備方法具有成膜厚度可控、高保形性、高平整性、良好的附著性以及低熱預算等優點[3]。該文采用原子層沉積技術在N型硅片上沉積了氧化鋁薄膜，并研究了制備工藝參數對氧化鋁薄膜對稱結構鈍化性的影響，在最優的工藝參數下制備了TOPCon成品電池。

1 試驗

1.1 TOPCon電池結構

該文試驗采用尺寸為G1（158.75mm×158.75mm）、厚度為160nm以及電阻率為0.3～2.1的N型硅片進行試驗電池片制備。制備的TOPCon電池片結構如圖1所示，具體制備流程如下：1）通過NaOH溶液和制絨添加劑在硅片表面進行雙面制絨，絨面金子塔尺寸為15μm～20μm。2）通過BBr3進行單面高溫熱擴散制備正表面發射極，控制方塊電阻120Ω/□～200Ω/□。3）應用濃度為10%～15%的HF溶液，將反應過程中硅片背面和四周邊緣產生的硼硅玻璃清洗干凈。4）在硅片背面采用NaOH溶液和堿拋添加劑進行拋光，硅片質量減少約0.15g～0.3g。5）在硅片背面采用管式LPCVD設備制備SiO2遂穿氧化層和多晶硅層，氧化層厚度約1nm～2nm，多晶硅層厚度約100nm～150nm。6）通過POCl3在背面進行磷擴散，控制方塊電阻30Ω/□～50Ω/□。7）采用濃度為5%～8%的HF溶液清洗正面磷硅玻璃。8）采用NaOH溶液和去繞度添加劑清洗正面多晶硅繞度。9）采用ALD管式熱原子沉積設備制備雙面氧化鋁薄膜，厚度為3nm～10nm。10）采用管式PECVD制備雙面SiNx薄膜，用以減反射和鈍化，正、背面厚度分別為70nm～80nm、90nm～100nm，正、背面折射率分別為2.0～2.2、2.0～2.05。11）進行正、背面絲網印刷和燒結，燒結峰值溫度范圍為750℃～780℃。

圖1 n-TOPCon電池結構圖

1.2 試驗樣品制備

該試驗采用微導有限公司KF6000型原子層沉積設備，通過熱沉積技術在N型原始硅片上制備氧化鋁薄膜，硅片尺寸為158.75mm×158.75mm，電阻率為0.3～2.1。

在試驗過程中，為了準確測試Al2O3薄膜的鈍化性，試驗片采用雙面對稱結構，具體制備流程如下：先將N型原始硅片進行雙面制絨，將制絨后的絨面片放入硼擴散爐管中進行雙面硼擴散，形成P+/N-si/P+結構。采用濃度為15%的HF溶液去除硼擴散沉積后表面的硼硅玻璃。然后在管式原子層沉積設備中進行雙面Al2O3鈍化膜沉積，將試驗片放入管式PECVD鍍膜設備中進行雙面氮化硅減反膜沉積，氮化硅膜厚約80nm。再將試驗片放入高溫燒結爐中進行燒結退火工藝，燒結爐峰值溫度為760℃，制備后的對稱結構樣品如圖2所示。最后將試驗片放入高溫燒結爐中進行燒結，燒結爐峰值溫度為760℃。采用SintonWCT-120測量制備好的對稱結構的有效少子壽命。

圖2 Al2O3鈍化膜對稱結構圖

1.3 ALD原子層沉積原理

原子層沉積是一種特殊的化學氣相沉積技術，與傳統化學氣相沉積技術相比，ALD由A、B的半反應序列組成，具有表面自限制、薄膜厚度可自由控制和較低的生長溫度等特點[4]。ALD制備氧化鋁薄膜通常以TMA為金屬鋁源，水蒸氣為氧源，每個循環主要由4個步驟組成，具體如下：1）TMA蒸氣脈沖進入管式反應腔室，在暴露的硅基底表面發生化學吸附反應A。2）采用高純氮氣將未發生反應的TMA蒸氣和反應產生的副產物甲烷從反應腔室清理出去。3）水蒸氣脈沖進入反應腔室，與TMA發生反應的硅基底表面進行表面化學反應B。4）高純氮氣把未發生反應的水蒸氣和反應過程中產生的副產物甲烷從反應腔室清理出去。

2 結果與討論

2.1 工藝溫度對硅片少子壽命的影響

加熱溫度是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數之一，在其他工藝參數不變的情況下，該文主要研究不同加熱溫度對Al2O3薄膜對稱結構少子壽命（τ）的影響。不同加熱溫度下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表1。

表1 不同沉積溫度下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同沉積溫度對硅片少子壽命的影響如圖3所示。從圖3可以看出，在相同工藝參數下，隨著沉積溫度從200℃升至250℃，Al2O3薄膜的少子壽命呈現先增加、后減少的趨勢。當沉積溫度為220℃時，前驅體TMA與硅基底表面反應活性最強，生成的Al2O3薄膜均勻性和致密性最好，硅片鈍化性達到最優，少子壽命達到最大值354μs。溫度過低時，可能會使前驅體TMA與硅基底表面發生不完全化學反應，降低Al2O3薄膜的生長速率；溫度過高時，前驅體TMA與硅基底生長表面解吸作用加劇，會降低Al2O3薄膜生長速率，過高和過低的生長溫度都不利于Al2O3薄膜生長。

圖3 不同加熱溫度下Al2O3薄膜少子壽命變化

2.2 反應循環次數對硅片少子壽命的影響

反應循環次數是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數之一，通過控制反應循環次數，即可精確控制膜厚。在其他工藝參數不變的情況下，該文主要研究了不同沉積循環數對Al2O3薄膜對稱結構少子壽命（τ）的影響。不同沉積循環下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表2。

表2 不同循環下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同反應循環次數對硅片少子壽命的影響如圖4所示。從圖4可以看出，在相同工藝參數下，隨著反應循環數增加，硅片平均少子壽命呈現先增加、后減少的趨勢。當反應周期循環達到25cycle時，硅片的平均少子壽命僅為241μs。當反應周期循環增至65cycle時，硅片的平均少子壽命達到307μs。繼續將反應周期循環次數增至80cycle，硅片的平均少子壽命降至273μs。試驗結果表明，當反應循環次數超過65cycle時，硅片表面生成的Al2O3薄膜少子壽命不再增加，表明在該反應循環次數下的Al2O3薄膜有良好的場鈍化效應[5]。

圖4 不同沉積循環數下Al2O3薄膜的少子壽命變化

2.3 TMA流量對硅片少子壽命的影響

TMA流量是影響Al2O3薄膜鈍化性的工藝參數之一，在其他工藝參數不變的情況下，該文主要研究了不同TMA流量參數對Al2O3薄膜對稱結構少子壽命（τ）的影響。不同TMA流量下Al2O3薄膜沉積工藝條件見表3。

表3 不同TMA流量下氧化鋁薄膜沉積工藝條件

不同TMA流量對硅片少子壽命的影響如圖5所示。從圖5可以看出，在相同工藝參數下，隨著TMA流量增加，硅片少子壽命呈現先增加、后減少的趨勢。當TMA流量為18sccm時，硅片少子壽命平均值達到241μs，繼續將TMA流量增至30sccm，硅片平均少子壽命從241μs提升至308μs。分析認為，隨著TMA流量的提升，反應中Al離子的數目增加，與硅基體反應更劇烈，生成的Al2O3薄膜致密性增加，增強了Al2O3薄膜的場鈍化效應，提升了硅片的少子壽命。當TMA流量增至36sccm時，TMA反應量太大，不能充分分解，在爐管內生成了碳化鋁（Al4C3）。該成分會附著在Si基底表面，阻礙Al2O3薄膜生長，導致硅片少子壽命下降。

圖5 不同TMA流量下Al2O3薄膜的少子壽命的變化

2.4 TOPCon電池制備

從上述試驗結果可得出Al2O3薄膜制備最佳工藝參數為加熱溫度220℃，反應循環數65cycle，TMA流量24sccm。該文在最優的氧化鋁薄膜制備工藝條件下進行了TOPCon電池制備，制備后的半成品藍膜片燒結前與燒結后的少子壽命值如圖6所示。由圖6可以看出，燒結后的半成品少子壽命數值達到524μs。成品TOPCon電池電性能參數見表4。制備后的電池隱開路電壓達到713mV，短路電流達到10.32mA，填充因子FF為82.63%，電池效率為24.10%。

表4 TOPCon電池電性能參數

圖6 鍍膜片燒結前和燒結后的少子壽命變化

3 結論

該文采用KF6000型原子層沉積設備研究了加熱溫度、反應循環次數和TMA流量等工藝參數對Al2O3薄膜鈍化性的影響。試驗表明，上述參數對Al2O3薄膜鈍化特性有不同程度的影響，得出了具有良好鈍化特性且適用于產線的Al2O3薄膜制備方法。結果表明，在加熱溫度220℃、反應循環次數65cycle、TMA流量30sccm的條件下，Al2O3薄膜鈍化性最優。在該工藝參數下制備的N型TOPCon電池的電池效率達到24.10%。