原子層沉積工藝對TOPCon太陽電池電性能的影響研究

摘 要：針對采用原子層沉積（ALD）工藝制備的Al2O3薄膜對TOPCon太陽電池電性能的影響進行了研究。研究結果顯示：1）空間型沉積方式下制備得到的Al2O3薄膜厚度為9 nm時與時間型沉積方式下制備得到的Al2O3薄膜厚度為5 nm時得到的TOPCon太陽電池隱開路電壓相同；且當兩種沉積方式得到的Al2O3薄膜鈍化效果相當時，制備得到的TOPCon太陽電池的電性能也無明顯差異。2） 當采用時間型沉積方式時，循環次數為32次時得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率最高。3） 相較于未進行臭氧預處理的TOPCon太陽電池，增加臭氧預處理后TOPCon太陽電池的光電轉換效率并未得到提升，原因在于：①未進行臭氧預處理的TOPCon太陽電池在進行Al2O3薄膜沉積前會有雙氧水清洗環節，起到了氧化作用，使硅與Al2O3薄膜界面之間形成了SiO2層，已具備優異的表面鈍化效果；②時間型管式ALD設備的供氣方式導致臭氧在反應爐腔中不同位置的穩定性不同，尤其是爐尾位置硅片對臭氧的吸附程度較低。4） 時間型沉積方式存在繞鍍面積大，影響硅片背面外觀的問題；空間型沉積方式雖然可有效解決繞鍍問題，但其弊端在于設備占地面積大，單位面積產能低，且維護時間長，不利于大規模生產下的成本降低。

關鍵詞：原子層沉積；時間型沉積方式；空間型沉積方式；Al2O3薄膜；TOPCon太陽電池；電性能

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

PERC太陽電池技術因受到光電轉換效率極限的限制，被更先進的TOPCon太陽電池技術所代替。TOPCon太陽電池的結構示意圖如圖1所示。

相較于PERC太陽電池的結構，Al2O3薄膜是TOPCon太陽電池特有的，其可對TOPCon太陽電池的正面進行鈍化，有助于提高TOPCon太陽電池的電性能。Al2O3薄膜具有優異的化學鈍化和場效應鈍化作用，其中，化學鈍化作用是源于降低了硅片表面的缺陷態密度，場效應鈍化作用是通過硅和Al2O3界面的大量固定負電荷屏蔽少數載流子來實現的[1]。

Al2O3薄膜的沉積工藝主要有等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝和原子層沉積（ALD）工藝。其中，ALD工藝以三甲基鋁（TMA）作為鋁反應源，以水（H2O）或臭氧（O3）作為氧反應源。當以水作為氧反應源時，TMA和水反應制備Al2O3薄膜的化學方程式可表示為：

2Al（CH3）3+3H2O→Al2O3+6CH4" " " " " " " " " （1）

采用上述ALD工藝制備的Al2O3薄膜具有較好的保形性[2]。因此，本文首先對ALD工藝原理進行闡述，然后通過實驗分析采用ALD工藝制備Al2O3薄膜時不同沉積方式的參數設置對TOPCon太陽電池電性能的影響。

1" 工藝原理與實驗設計

1.1" ALD工藝原理

ALD工藝的工作原理為：分別將兩種或多種前驅體（通常為氣態）分時間或分空間地通入反應腔體內，在一定溫度下，在襯底表面進行自限性反應，從而在原子層面形成一層層的薄膜。通過精密控制反應過程，ALD工藝可制備出臺階覆蓋性良好的薄膜；另外，該工藝沉積的薄膜厚度與前軀體通入的流量無關，因此，只要襯底暴露的時間足夠長，就可以沉積在襯底表面各處 [3]。

根據前驅體通入的方式不同，ALD工藝可分為時間隔離型（下文簡稱為“時間型”）和空間隔離型（下文簡稱為“空間型”）兩種沉積方式。時間型沉積方式的工作原理示意圖如圖2所示。

時間型沉積方式主要包括以下4個步驟：1）惰性氣體N2攜帶前驅體TMA的通入；2）通入N2吹掃反應腔體，以實現對反應產生的副產物及未反應的TMA的清潔，從而保證下種反應氣體通入前反應腔體的清潔度；3） N2攜帶前驅體水蒸氣的通入；4）再次通入N2吹掃反應腔體，對上個步驟反應產生的副產物及未反應的水進行清潔，然后進入下1個反應循環。

其中，步驟2）和步驟4）使用N2吹掃反應腔體在該沉積方式中十分必要，若無N2吹掃，硅襯底將同時接觸兩種前驅體，會產生化學氣相沉積現象，影響最終的成膜質量。

采用時間型沉積方式時，以鋁舟作為載具，當硅片采用雙插方式進行正面鍍膜時，Al2O3繞鍍到硅片背面的問題難以解決。在硅片正面采用時間型沉積方式、背面采用PECVD工藝的情況下，當硅片采用雙插方式時，通過肉眼可明顯發現，硅片背面繞鍍位置因Al2O3的存在呈淺藍色，而未繞鍍的位置呈氮化硅的本色（深藍色），外觀顏色差異十分明顯。采用雙插半繞和雙插全繞方式時硅片背面的繞鍍外觀如圖3所示。

硅片采用單插方式進行雙面鍍膜時能夠有效解決繞鍍問題，但該方式下的太陽電池產能將損失一半。因此，通常在采用雙插方式鍍膜時，在鋁舟設計上增加緊固裝置使硅片盡量貼合，從而減少繞鍍現象。

空間型沉積方式的工作原理示意圖如圖4所示。

采用空間型沉積方式時，N2、TMA和水蒸氣通過3路管道分別通入反應腔體，TMA和水蒸氣之間以N2做分割，硅片基底在氣源氣孔之間循環運動，從而在其表面沉積薄膜。當硅片襯底從左端N2氣孔處移動至TMA氣孔處時完成半個反應過程，然后繼續移動到中間的N2氣孔處進行硅片表面吹掃，當繼續移動到水蒸氣氣孔處時完成另外半個反應過程，之后再次移動到右端N2氣孔處進行又一次的硅片表面吹掃。循環次數決定了薄膜的沉積厚度。

在采用空間型沉積方式的情況下，硅片采用水平插片方式，以石墨框為載具，可有效解決繞鍍問題，硅片背面繞鍍寬度在0.5 mm以內，具體如圖5所示。但空間型沉積方式的弊端在于設備占地面積大、單位面積產能低，且維護時間長，不利于大規模生產下的成本降低。

1.2" 測試與表征

本文分別采用江蘇微導納米科技股份有限公司生產的時間型管式ALD設備和理想晶延半導體設備有限公司生產的空間型平板式ALD設備制備Al2O3薄膜。

采用系科光電科技（上海）有限公司生產的型號為RISE-Zenith的光譜橢偏儀測試Al2O3薄膜的厚度；采用蘇州捷運昇能源科技有限公司生產的型號為WAVELABS-SINUS-200的太陽電池測試系統檢測成品TOPCon太陽電池的電性能；采用美國Sinton公司生產的型號為WCT-120amp;Suns-Voc的少子壽命測試儀測試太陽電池的隱開路電壓i-Voc，用于表征Al2O3薄膜的鈍化效果。

1.3" 實驗方案設計

本文通過實驗對采用時間型和空間型兩種沉積方式制備不同厚度Al2O3薄膜，以及采用時間型沉積方式時不同循環次數、在沉積Al2O3薄膜前增加臭氧預處理對Al2O3薄膜鈍化效果和TOPCon太陽電池電性能的影響進行研究。

本文中TOPCon太陽電池的制備流程為：制絨→硼擴散→氧化→去硼硅玻璃（BSG）+背拋→等離子沉積非晶硅（PE-poly）+退火→去磷硅玻璃（PSG）+去繞鍍清洗→沉積Al2O3薄膜→雙面沉積SiNx薄膜→燒結。實驗是在保證其余環節工藝條件不變的情況下，只改變Al2O3薄膜的沉積條件[4]。

空間型沉積方式和時間型沉積方式下的沉積條件如表1所示，具體的實驗設計方案如表2所示。

2" 實驗結果與討論

2.1" 不同厚度Al2O3薄膜的影響

分別采用時間型和空間型沉積方式制備不同厚度的Al2O3薄膜，并依據TOPCon太陽電池制備流程對應制備成品太陽電池。取不同厚度Al2O3薄膜制備的TOPCon太陽電池各50片，測試其i-Voc，并取平均值，測試結果如圖6所示。

由圖6可知：

1）采用時間型沉積方式時，隨著Al2O3薄膜厚度的增加，TOPCon太陽電池的隱開路電壓呈先上升或下降的趨勢，且在Al2O3薄膜厚度為5 nm時達到最大值，為0.7278 V。這是因為在時間型沉積方式下，在進行硅片正面鍍膜時會不可避免地存在背面繞鍍的情況，繞鍍的Al2O3會破壞硅片背面的鈍化效果，且增加Al2O3薄膜厚度會加劇繞鍍現象。

2）與采用時間型沉積方式不同的是，采用空間型沉積方式時，隨著Al2O3薄膜厚度的增加，TOPCon太陽電池的隱開路電壓先呈上升趨勢并最后趨于穩定；在Al2O3薄膜厚度為9 nm時，TOPCon太陽電池的隱開路電壓達到最大值，為0.7278 V。這是因為Al2O3薄膜的固定負電荷可以屏蔽p型硅中的多子電子，從而達到場效應鈍化的作用[5]；但當Al2O3薄膜厚度達到一定程度時，其場效應鈍化趨于飽和。

3）空間型沉積方式下Al2O3薄膜厚度為9 nm時得到的TOPCon太陽電池的隱開路電壓與時間型沉積方式下Al2O3薄膜厚度為5 nm時得到的TOPCon太陽電池隱開路電壓相同。

4）由于沉積速率也會對薄膜的晶體質量和致密性產生影響[6]，因此，上述兩種沉積方式下的Al2O3薄膜特性可能也對該測試結果產生影響。

由于時間型沉積方式下Al2O3薄膜厚度為5 nm時和空間型沉積方式下Al2O3薄膜厚度為9 nm時的鈍化效果最優，因此，分3個批次分別對采用這兩種Al2O3薄膜厚度對應制備的TOPCon太陽電池進行電性能測試。每個批次中每種沉積方式下的TOPCon太陽電池數量均選取1500片，測試數據取平均值。測試結果如表3所示。

由表3可知：兩種沉積方式得到的Al2O3薄膜鈍化效果最優時，制備得到的TOPCon太陽電池的電性能也相差不大，同個批次內的光電轉換效率差異在0.01%以內，開路電壓差異在0.0002 V以內，填充因子差異在0.12%以內。

2.2" 時間型沉積方式下不同循環次數的影響

在時間型沉積方式下，固定其他工藝參數，僅調整鍍膜時的循環次數，分別設定為24、28、32和36次，測試其對Al2O3薄膜鈍化效果及TOPCon太陽電池電性能的影響。

利用橢偏儀測試Al2O3薄膜厚度，每個循環次數下測試2片硅片，每片硅片測試3個點位，分別為硅片中心點、中心點左側、中心點右側，測試結果如表4所示。

將在不同循環次數下鍍膜完成的硅片制備成TOPCon太陽電池，然后測試其光電轉換效率，測試結果如圖7所示。

由圖7可知：循環次數為32次時得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率最高，達26.04%，對應的Al2O3薄膜厚度約為5 nm，與上文中得到的時間型沉積方式下5 nm厚度的Al2O3薄膜鈍化效果最佳的結果相吻合。這表明時間型沉積方式下得到的Al2O3薄膜在5 nm厚度下能夠取得最好的鈍化效果和太陽電池光電轉換效率。

2.3" 時間型沉積方式下增加臭氧預處理的影響

臭氧對硅片表面有預清洗的作用，其強氧化性可起到清潔表面雜質的作用，降低硅片表面懸掛鍵，改善硅片表面界面態[7]，提高鈍化水平，進而提高太陽電池的光電轉換效率。在時間型管式ALD設備上增加臭氧發生器，以Al2O3薄膜沉積時最優的32次循環次數為基礎，增加臭氧預處理，在鍍膜之前先通入臭氧，測試其對Al2O3薄膜鈍化效果及TOPCon太陽電池電性能的影響。通入的臭氧流量分別設置為3、5、7、9 L/min，通入時間設置為5 s；通入臭氧時將TMA和水蒸氣的流量設置為“0”；N2吹掃流量設置為20 L/min，吹掃時間設置為10 s；沉積溫度設置為280 ℃。

為測試不同臭氧預淀積流量對制備得到的TOPCon太陽電池電性能的影響，將采用不同臭氧預淀積流量進行臭氧預處理的太陽電池均定義為實驗組，將未進行臭氧預處理的太陽電池定義為對比組，每組太陽電池均為1500片；測試每組太陽電池的電性能，并取平均值，測試結果如表5所示。需要說明的是，無論是否進行臭氧預處理，沉積得到的Al2O3薄膜的厚度范圍均為5±0.5 nm。

由表5可知：相較于對比組，增加臭氧預處理后，實驗組TOPCon太陽電池的光電轉換效率并未得到提升。分析造成此種結果的原因可能是：1）對比組太陽電池在進行Al2O3薄膜沉積前會有雙氧水清洗環節，起到了氧化作用，因此已經在硅與Al2O3薄膜界面之間形成了SiO2層，具備了優異的表面鈍化效果 [8]，使較低的界面態密度無法繼續降低；2）時間型管式ALD設備的供氣方式為爐口進氣，爐尾出氣，由于臭氧易分解，其在反應爐腔中不同位置的穩定性不同，導致不同位置尤其是爐尾位置的硅片對臭氧的吸附程度較低，因此增加臭氧預處理并未給TOPCon太陽電池的電性能帶來提升。

收集臭氧預淀積流量為9 L/min時反應爐腔中爐口、爐中、爐尾3個位置的硅片各500片，然后按照TOPCon太陽電池制備流程完成制備后，對其電性能進行測試，并取平均值，測試結果如表6所示。

由表6可知：反應爐腔中爐口和爐中位置處硅片制備得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率相當，而爐尾位置處硅片制備得到的太陽電池的光電轉換效率比爐口位置處的低0.05%，這主要是因為爐尾位置處硅片制備得到的TOPCon太陽電池的開路電壓約低0.002 V。

針對未增加臭氧預處理的對比組，采用上述相同的方式選取制備得到的TOPCon太陽電池，測試其電性能，結果與上述結果相似，同樣是爐尾位置處硅片制備得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率較爐口位置處的低，也是因為其開路電壓低所導致。

綜合分析，時間型管式ALD設備爐尾位置處硅片制備得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率低可能與爐口進氣和爐尾出氣的方式有關，爐尾反應不充分，有待于通過設備廠商優化設備和改善工藝條件來解決此類問題。

3" 結論

本文針對采用ALD工藝制備Al2O3薄膜時不同沉積方式的參數設置對TOPCon太陽電池電性能的影響進行了研究，得到以下結論：

1）空間型沉積方式下制備得到的Al2O3薄膜厚度為9 nm時與時間型沉積方式下制備得到的Al2O3薄膜厚度為5 nm時得到的TOPCon太陽電池隱開路電壓相同；且當兩種沉積方式得到的Al2O3薄膜鈍化效果相當時，制備得到的TOPCon太陽電池的電性能也無明顯差異。

2） 當采用時間型沉積方式時，循環次數為32次時得到的TOPCon太陽電池的光電轉換效率最高。

3） 相較于未進行臭氧預處理的TOPCon太陽電池，增加臭氧預處理后TOPCon太陽電池的光電轉換效率并未得到提升。原因在于：①未進行臭氧預處理的TOPCon太陽電池在進行Al2O3薄膜沉積前的雙氧水清洗環節已在硅與Al2O3薄膜界面之間形成了SiO2層，已具備優異的表面鈍化效果；②時間型管式ALD設備的供氣方式導致臭氧在反應爐腔中不同位置的穩定性不同，尤其是爐尾位置硅片對臭氧的吸附程度較低，因此增加臭氧預處理未帶來TOPCon太陽電池的電性能提升。

4） 時間型沉積方式存在繞鍍面積大，影響硅片背面外觀的問題；空間型沉積方式雖然可有效解決繞鍍問題，但其弊端在于設備占地面積大，單位面積產能低，且維護時間長，不利于大規模生產下的成本降低。

[參考文獻]

[1] 郎芳. N型太陽能電池Al2O3薄膜鈍化性能研究[J].中國高新技術企業，2016（23）：28-29.

[2] 李想，顏鐘惠，劉陽輝，等. 原子層沉積Al2O3薄膜鈍化n型單晶硅表面的研究[J]. 材料導報，2013，27（8）：40-43.

[3] 王文靜，李海玲，周春蘭，等. 晶體硅太陽電池制造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[4] 芮哲. 雙面TOPCon結構的鈍化機理研究及其在高效太陽電池中的應用[D]. 金華：浙江師范大學，2020.

[5] 段珊珊，施昌勇，楊麗珍，等. 原子層沉積法制備Al2O3薄膜研究近況和發展趨勢[J]. 真空，2021，58（6）：13-20.

[6] 盧維爾，董亞斌，李超波，等. 原子層沉積生長速率的控制研究進展[J]. 無機材料學報，2014，29（4）：345-351.

[7] 任格格，丁紅旗. 硅片清洗技術的研究進展[J]. 科技創新與應用，2017（14）：59-61.

[8] 楊露，劉大偉，張婷，等. TOPCon太陽電池發射極Al2O3/SiNx與SiO2/Al2O3/SiNx疊層膜鈍化性能的比較[J]. 人工晶體學報，2022，51（12）：2090-2095.

Research on INFLUENCE of ALD process on ELECTRICAL performance of TOPCon SOLAR cells

Zhu shaojie，Wang guimei，Cheng yaqi，Wang yuxiao，Xu Zhiwei

（Shijiazhuang JA Solar Technology Co.， Ltd，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：This paper studies the effect of Al2O3 thin film prepared by ALD process on the electrical performance of TOPCon solar cells. The research results show that： 1） The hidden open circuit voltage of TOPCon solar cells obtained when the Al2O3 thin film thickness is 9 nm prepared by spatial deposition method is the same as that obtained when the Al2O3 thin film thickness is 5 nm prepared by time-based deposition method. And when the passivation effect of Al2O3 thin films obtained by the two deposition methods are equivalent，there is no significant difference in the electrical performance of TOPCon solar cells prepared. 2） When using a time-based deposition method，the TOPCon solar cell obtained with 32 cycles has the highest photoelectric conversion efficiency. 3） Compared to TOPCon solar cells without ozone pretreatment，the photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells did not improve after adding ozone pretreatment. The possible reasons for this result may be：① There is a hydrogen peroxide cleaning process before the deposition of Al2O3 thin film in the TOPCon solar cells without ozone pretreatment，which plays an oxidizing role，a SiO2 layer has been formed between the silicon and Al2O3 thin film interface，which has excellent surface passivation effect. ② The gas supply method of the time-based tubular ALD equipment results in different stability of ozone at different positions in the reactor cavity，especially at the tail position where the silicon wafer has lower adsorption of ozone. 4） The time-based deposition method has the problem of a large coating area affecting the appearance of the silicon wafer backside. Althongh the spatial deposition method can effectively solve the coating problem，its drawbacks lie in the large footprint of the equipment，low production capacity per unit area，and long maintenance time，which is not conducive to cost reduction in large-scale production.

Keywords：atomic layer deposition；time-based deposition method；spatial deposition method；Al2O3 thin film；TOPCon solar cells；electrical performance