许烁烁;陈特超;禹庆荣;刘舟
【摘 要】采用平板式等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备,开展氧化铝(Al2O3)薄膜沉积工艺的研究.通过在p型单晶硅片背表面沉积Al2O3和氮化硅(SiNx)薄膜,形成Al2O3/SiNx叠层钝化膜,研究了Al2O3薄膜沉积工艺中加热温度、工艺传送速度、微波功率、三甲基铝(TMA)流量等工艺参数对钝化效果的影响,得到了最佳的工艺参数:加热温度350℃、工艺传送速度240 cm/min、微波功率521W、TMA流量600 mg/min.在该工艺条件下进行Al2O3/SiNx叠层钝化膜的沉积,测试硅片的平均少子寿命达到335.7μs.在此基础上进行PERC电池生产,电池转换效率达到21.876％. 【期刊名称】《电子工业专用设备》芦荟减肥茶
【年(卷),期】2019(048)004
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】光伏装备;沉积工艺;氧化铝薄膜;少子寿命
【作 者】许烁烁;陈特超;禹庆荣;刘舟
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111
【正文语种】中 文
【中图分类】TN304.055
自20世纪80年代以来，光伏产业得到了快速的发展。光伏市场中晶体硅太阳电池占主要地位。为了提高电池的转换效率，降低制造的成本，国际上涌现了很多新型的制作工艺和电池结构。PERC（passivated emitter and rear cell）电池是其中重要的一种。PERC电池能有效地提高表面的钝化和背面的光学反射[1]，从而有效地提高太阳电池的转换效率。目前PERC电池已成为国际上研究和商业化的热点。从2015年开始，PERC电池进入量产阶段，逐渐成为主流电池产品。
在P型硅片的PERC电池制备过程中，背表面通常采用氧化铝（Al2O3）薄膜[2]或氧化铝/
氮化硅（SiNx）叠层薄膜[3]进行钝化。沉积Al2O3薄膜的方式有原子层沉积（ALD）[4]、低压力化学气相沉积（APCVD）[5]、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[6]。
在PERC电池的量产过程中，Al2O3薄膜的质量决定了PERC电池的性能。本文研究了Al2O3薄膜沉积工艺中各个工艺参数对硅片少子寿命的影响，得到了最佳的Al2O3薄膜沉积工艺参数。
1 实验
采用工业上PERC电池的标准制备流程，即：碱制绒、管式扩散、湿法背面抛光、高温氧化、背面Al2O3和SiNx叠层薄膜沉积、正面SiNx薄膜沉积、激光开槽和金属化。背面Al2O3和SiNx叠层薄膜的沉积采用平板式PECVD设备，Al2O3薄膜的沉积厚度为15～27 nm，SiNx薄膜的沉积厚度为110 nm。为了测试硅片的少子寿命，在正反面镀钝化膜后，将硅片未印刷电极直接通过高温烧结炉进行烧结。为了进行比较，对加热温度、工艺传送速度、微波功率和三甲基铝（TMA）流量等工艺参数进行修改，在烧结后采用WCT120型少子寿命测试仪测试硅片少子寿命的变化。
2 实验结果和讨论
2.1 加热温度对硅片少子寿命
图1是工艺腔加热温度对硅片少子寿命的影响，从图1中可知，在其他工艺参数保持不变的前提下，当加热温度为300℃时，烧结后硅片的平均少子寿命仅为97.5 μs。在加热温度提升至325℃和350℃时，硅片的平均少子寿命提升至110.8 μs和125.7 μs。在后续将加热温度提升至375℃和400℃，硅片的平均少子寿命为126 μs和130 μs，少子寿命无明显的提升。这是由于当温度较高时，提高了成晶粒子的迁移能力和能力，从而改善薄膜的结构和形貌。在较低的衬底温度下，衬底表面吸附的原子迁移率较低，外来分子或原子容易被衬底冷却，降低其扩散长度，无法迁移至成核，导致薄膜表面粗糙，降低Al2O3薄膜的场钝化效果。在适当的衬底温度下，衬底表面吸附的原子迁移率较大，原子能迁移到合适的晶格位置成核；与衬底附着力较弱的原子在工艺的过程中逸出表面，有利于生成平整致密的薄膜，提高Al2O3薄膜的场钝化效果[7]。
图1 加热温度对硅片少子寿命的影响
2.2 工艺传送速度对硅片少子寿命的影响
图2是工艺传送速度对硅片少子寿命的影响，从图2中可知，在其他工艺参数保持不变的前提下，当工艺传送速度为150 cm/min时，烧结后硅片的平均少子寿命仅为109 μs。在工艺传送速度提升至175 cm/min和200 cm/min时，硅片的平均少子寿命提升至124.8 μs和151 μs。在后续将工艺传送速度提升至225 cm/min和240 cm/min，硅片的平均少子寿命为 150.2 μs 和 152.2 μs，少子寿命无明显的提升。这是由于PERC电池利用Al2O3薄膜的场钝化效应和SiNx薄膜的氢钝化效应对硅片进行钝化[8]。当传送速度较低时，Al2O3膜厚较厚，达27 nm，阻挡了SiNx薄膜对硅片的体钝化作用。当工艺传送速度加大时，Al2O3膜厚逐渐变薄，SiNx薄膜的体钝化效果逐渐增强，硅片少子寿命上升。当工艺传送速度达到200 cm/min以上时，硅片的平均少子寿命分别为 151 μs、150.2 μs和152.2 μs，少子寿命无明显的变化。这是由于随着Al2O3膜厚变薄时，硅片表面Al2O3膜覆盖率下降，局部区域Al2O3膜厚度过低，影响了Al2O3薄膜的场钝化效果。而SiNx薄膜体钝化效果增强。在Al2O3薄膜场钝化和SiNx薄膜体钝化的共同作用下，硅片的少子寿命相差较小。
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图2 工艺传送速度对硅片少子寿命的影响
2.3 微波功率对硅片少子寿命的影响
图3是微波功率对硅片少子寿命的影响。在其他工艺参数保持不变的前提下，当微波输出功率从342 W提升至521 W时，烧结后硅片的平均少子寿命从58.8 μs提升至157 μs。这是由于当微波功率增加时，激发的等离子体数量增加，沉积的Al2O3薄膜膜厚和致密性也随之增加，增强了Al2O3薄膜的场钝化效果，提高了硅片的少子寿命。当微波功率过高时，大部分气态TMA从喷淋孔喷出后，迅速发生反应，造成硅片上喷淋孔对应的位置Al2O3膜变厚，两喷淋孔之间Al2O3膜变薄。当两喷淋孔之间的Al2O3膜难以覆盖硅片表面时，将造成局部区域Al2O3膜厚度过薄，Al2O3膜的场钝化效果急剧下降，硅片少子寿命也随之下降，仅为57 μs。当微波功率和TMA的流量严重不匹配时，甚至会导致喷淋孔位置Al2O3膜过厚，而两喷淋孔中间的位置Al2O3膜过薄。在烧结工序后，硅片背面出现黑线的现象，如图4所示。
图3 微波功率对硅片少子寿命的影响
图4 黑线现象
2.4 TMA流量对硅片少子寿命的影响
图5是TMA流量对硅片少子寿命的影响。在其他工艺参数保持不变的前提下，当TMA流量从300 mg/min提升至600 mg/min时，烧结后硅片的平均少子寿命从10.0 μs提升至145 μs。这是由于当微波功率足够迅速激发分解TMA时，当TMA流量增加，被激发的Al离子随之增加，沉积的Al2O3薄膜膜厚和致密性也随之增加，这样增强了Al2O3薄膜的场钝化效果，提高了硅片的少子寿命。当TMA的流量增加到800 mg/min时，此时微波功率不足以激发分解所有的TMA。未被微波激发分解的TMA在腔体内的高温条件下，分解为碳化铝（Al4C3）。当腔内的Al4C3过多或TMA流量过大时，Al4C3粉末会掉落到硅片表面，阻碍了氧化铝薄膜在硅片表面的沉积，造成硅片少子寿命下降，严重时将导致电池片的EL不良，如图6所示。
2.5 最佳工艺测试结果
在以上工艺实验的基础上，得到了最佳的沉积工艺参数：加热温度350℃、工艺传送速度240cm/min、微波功率521W、TMA流量600mg/min。在该工艺条件下进行硅片少子寿命的测量和PERC电池的制备，结果如图7和表1所示。在硅片背面沉积Al2O3/SiNx叠层薄膜，在硅片正面沉积SiNx薄膜后，测得硅片的平均少子寿命为218.9 μs；烧结后，硅片的平均少子寿命达到335.7 μs。量产的PERC电池，转换效率达到21.7%以上。
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图5 TMA流量对硅片少子寿命的影响
图6 由Al4C3粉末引起的EL不良
图7 沉积薄膜和烧结后硅片的少子寿命
表1 PERC电池性能开路电 短路电 填充因 转换效压/V流/A子/%率/%产线时间段10.67929.73080.2721.714产线时间段20.67819.74580.5521.787产线时间段30.68079.76180.4521.876
3 结束语
半导体胶水本文研究了氧化铝薄膜沉积工艺中各个工艺参数对硅片少子寿命的影响，得到了最佳沉积工艺参数：加热温度350℃、工艺传送速度240 cm/min、微波功率521 W和TMA流量600 mg/min。在该工艺条件下进行Al2O3/SiNx叠层薄膜的沉积，测得的硅片平均少子寿命达到335.7 μs，制备的PERC电池转换效率达到21.876%。
参考文献：
【相关文献】
[1]Kapila Wijekoon，Hemant Mungekar，Michael Stewart，et al.Development of high efficiency mono-crystalline silicon solar cells：optimization of rear local contacts formation on dielectrically passivated surfaces[J].Photovoltaic Specialists Conference，2012，6317807.
abs082[2]T.Dullweber，M.Siebert，B.Veith，et al.High-efficiency industrial-type PERC solar cells applying ICPAlOxasrear passivation layer[J].27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012，2BO.7.4.
[3]S.Gatz，J.Muller，T.Dullweber，et al.Analysis and optimization of the bulk and rear recombination of screenprinted PERC solar cells[J].Energy Procedia，2012(27)：95-102.
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