从Al2O3钝化层看单晶PERC关键工艺优化

0 引言

为了进一步优化其生产工艺、提高晶体硅电池片效率、降低生产成本，此前已有诸多研究，20世纪80年代，澳大利亚新南威尔士大学光伏实验室提出了PERC结构太阳电池，打破了当时晶体硅太阳电池转换效率的记录，也是目前唯一产业化的高效太阳电池技术[1,2]。PERC电池在常规电池基础上增加了背面Al2O3/SiNxHy层叠钝化与激光开孔工艺。利用Al2O3薄膜的场钝化效应与SiNxHy薄膜的氢钝化效应将硅片的有效载流子寿命由10～20μs提高到100～120μs[3,4]，同时利用激光对Al2O3/SiNxHy层叠薄膜进行局部开孔，使铝浆能通过孔洞与硅片形成良好的欧姆接触。本文研究工业生产中工艺参数与PERC电池转换效率之间的关系，分析工艺参数对硅片少子寿命的影响，并得出少子寿命与PERC电池转换效率之间的关系，探讨烧结过程对PERC电池性能的影响及其内在机理。

1 Al2O3对硅的钝化机理　　
       Al2O3中铝原子存在两种配位方式：6个氧原子的八面体中心位置和4个氧原子的四面体中心位置。在PECVD生长的Al2O3薄膜中，这两种形态的Al2O3同时存在[5]。经过高温热处理过程，八面体结构会转换为四面体结构，产生间隙态氧原子，间隙态氧原子夺取p型硅中的价态电子，形成固定负电荷，使Al2O3薄膜显出负电性，在Al2O3/Si界面产生一个指向硅片内部的界面电场，使载流子可迅速逃离界面，降低界面复合速率，提高硅片少子寿命[6-8]。2 Al2O3厚度对电池特性的影响

采用梅耶博格公司的玛雅2.1设备来制备Al2O3/SixNy薄膜与背面保护氮化硅薄膜，高频信号发生器频率为13.56GHz。所用气体为三甲基铝(TMA)、高纯氩气、高纯氨气和高纯硅烷，实验时反应气体直接通入反应腔体内，反应腔体压力为10～30Pa，反应温度为300～400℃。正面氮化硅使用中国电子科技集团公司第四十八研究所PECVD设备制备，高频信号发生器频率为40kHz。采用西安隆基M2单晶硅片。使用Sinton公司的WCT120设备检测硅片的少子寿命。使用Despatch公司生产的高温烧结炉进行高温快速热处理。

2.1Al2O3厚度对硅片少子寿命的影响

为了研究Al2O3薄膜厚度对硅片少子寿命的影响，我们制备了不同厚度的Al2O3薄膜，保护SixNy薄膜的厚度为100nm，折射率为2.1，正面SixNy厚度为80nm，折射率为2.0。当Al2O3镀膜时间为60s时，使用SENTECHSE800型椭偏仪测试Al2O3厚度为25nm，假定Al2O3薄膜生长速率恒定，通过调整镀膜时间来调整Al2O3薄膜厚度。使用Sinton公司的WCT120型少子寿命测试仪分别测试快速热处理前后的少子寿命，快速热处理温度曲线采用常规太阳电池烧结温度曲线。结果如表1所示。

WCT120少子寿命测试仪的少子寿命测试结果为硅片的有效少子寿命，硅片有效少子寿命受载流子体寿命与载流子表面寿命的双重影响，SixNy的钝化作用主要体现在体钝化效果上，Al2O3的钝化作用主要体现在表面钝化效果上。由于Al2O3的表面钝化效果只有经过热处理过程才能体现出来，所以能够以热处理前后少子寿命增加量来衡量Al2O3薄膜的钝化效果。从理论上讲，5nm厚度的Al2O3薄膜就足以对硅片表面进行充分钝化[9]，但在这组实验中，厚度为5nm的Al2O3样品在烧结前后的少子寿命增加只有11μs，而厚度为25μm的Al2O3样品在烧结前后的少子寿命增加为103μs，少子寿命的增加量随Al2O3薄膜厚度增加而增多。这种现象是由于在实际生产中硅片表面粗糙造成，粗糙的表面造成Al2O3薄膜分布不均匀，局部区域的Al2O3薄膜厚度过低，从而影响了钝化效果，随着薄膜整体厚度的增加，Al2O3薄膜的覆盖率逐步增加，使得Al2O3薄膜的表面钝化作用体现的更加明显。

在热处理前，硅片少子寿命随着Al2O3薄膜后的增加而减少，这是由于Al2O3薄膜阻挡了背面SixNy对硅片的体钝化作用导致。在SixNy薄膜的体钝化作用与Al2O3薄膜的表面钝化的共同作用下，硅片在热处理后的少子寿命相差较小。

2.2Al2O3厚度对PERC电池电性能参数的影响

Al2O3厚度与PERC电池电性能参数的关系如表2所示。

随着Al2O3厚度由5nm升高到20nm，电池片效率提升明显，开路电压由641mV升高到662mV，短路电流由9.04A升高到9.42A，填充因子基本持平。这说明Al2O3的表面钝化作用在PERC电池的效率提升中起到了关键作用。在Al2O3薄膜厚度增加到25nm后，电池转换效率反而有所降低，尤其填充因子降低明显，这可能是后续工序的激光能量偏低，对开膜部分的Al2O3薄膜清除不彻底，影响了铝浆与硅片之间的欧姆接触而导致。

3 烧结曲线对电池片性能的影响

3.1烧结温度对铝硅合金层厚度的影响

为了研究烧结温度对铝硅合金层的影响，首先以常规单晶电池烧结曲线对PERC电池片进行烧结，然后使用扫描电镜观察测量剖面，PERC背面铝浆为南通天盛公司生产的BD-5型号铝浆。

如图1所示，以常规温度曲线烧结的PERC电池的铝硅合金层(BSF)只有约1μm。常规单晶电池的铝硅合金层厚度通常约为10μm。PERC电池专用铝浆为了保护背面Al2O3钝化层而使用了弱刻蚀的玻璃体，这应是导致差异的主因。尝试提高烧结炉温区3、4温度，再次进行烧结与检测，如图2所示，铝硅合金层厚度为3.55～4.72μm，相对于常规烧结曲线，铝硅合金层厚度明显增加。铝硅合金层厚度将直接影响铝背场对载流子的收集效率，从而影响PERC电池的电性能参数。

铝硅合金层厚度将直接影响载流子的复合速率，从而影响PERC电池的电性能参数，厚度大于2μm的铝硅合金层可有效降低载流子复合速率[10]。

3.2烧结曲线对PERC电池转换效率的影响

对比了以下5组烧结曲线，分析对比开路电压、短路电流、填充因子等电性能参数，烧结炉带速为5m/min。其中编号a的曲线为常规电池烧结曲线。

开路电压和短路电流呈相同变化趋势，随着温区3、4温度升高而上升，随温区5、6温度升高而降低。由上述研究可知，在温区3、4温度上升的过程中，PERC电池的铝硅合金层(BSF)厚度逐渐增加，所以开路电流和短路电压随之升高。当温区5、6温度升高时，铝浆很可能烧穿了Al2O3薄膜上的氮化硅保护层，Al2O3钝化层受到破坏，钝化作用下降，所以导致开路电压、短路电流下降。

当温区3、4温度升高时，填充因子、并联电阻的变化并不明显，但是随着区温5、6温度的升高，填充因子迅速增大，并联电阻迅速减小。在温区3、4温度升高阶段，铝浆对氮化硅保护层的侵蚀作用有限，氮化硅保护层起到了很好的保护作用，而随着温区5、6温度的升高，铝浆局部烧穿了氮化硅保护层与Al2O3层，直接接触到了硅片，形成了额外的电流通道，所以填充因子上升，串联电阻下降。

PERC电池的并联电阻在烧结曲线变化的过程中基本保持稳定，转换效率随着铝硅合金层厚度的增加而上升，随着氮化硅保护层被铝浆烧穿而迅速降低。

4 结论

Al2O3薄膜的钝化作用可以由烧结前后的少子寿命变化量来衡量，在我们制备的5组样品中，Al2O3薄膜越厚，少子寿命在烧结前后的增加量越大，但过厚的Al2O3薄膜会对激光开膜造成影响，降低PERC电池片的填充因子，在此次试验中，Al2O3厚度为20nm的样品获得了最高的转换效率。Al2O3的表面钝化作用在PERC电池的效率提升中起到了关键作用。

由于PERC电池专用铝浆使用了弱刻蚀性的玻璃体，所以相对与常规电池的烧结曲线，铝浆烧结区需要升高温度才能获得良好的铝硅合金层(BSF)。过高的峰值温度会导致铝浆烧穿Al2O3上的SixNy保护层，破坏Al2O3的钝化效果，形成额外的导电通道，开路电压、短路电流、串联电阻与转换效率均会大幅降低，但并联电阻相对保持稳定。PERC电池的烧结既需要足够高的温度来保证铝浆与硅片充分反应，又需要将烧结温度限制在一定范围内，以保证铝浆不会烧穿Al2O3上的SixNy保护层。