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PERC效率明显改善,低频PECVD沉积工艺如何优化?

提升太阳电池的转换效率是降低光伏发电成本、实现光伏发电平价上网的关键。钝化发射极及背接触(Passivation Emitter and Rear Contact,PERC)太阳电池是目前技术最成熟、应用最广泛的高效太阳电池之一,其产能逐年扩大。该电池是在传统太阳电池的基础上增加了背表面钝化结构,抑制了载流子背表面复合。目前,氧化铝(AlOx)是公认的良好的背钝化材料,尤其是对于p型晶体硅太阳电池而言[1-3],其沉积在硅片衬底后不仅具有高浓度的固定负电荷,使Si-AlOx界面能带弯曲,而且还阻止了少数载流子向背表面漂移,从而场钝化效果优异。

PERC太阳电池通常采用AlOx膜与氮化硅(SiNx)膜作为钝化膜。普遍采用原子层沉积(ALD)设备沉积AlOx膜,这在实验领域已得到了广泛的研究[4-6],但ALD设备无法完成SiNx膜的制备,因此需要等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备来完成,以便最终形成AlOx/SiNx叠层钝化结构[4]。由于PERC太阳电池的钝化层无法仅由ALD设备单独完成,这增加了设备采购及维护成本;而PECVD设备可以独立完成AlOx/SiNx钝化膜的沉积,因此在后续的工业应用领域中,PECVD设备逐渐取代了ALD设备。

在实验研究和工业生产中,沉积AlOx/SiNx钝化膜时首先采用的是频率为2.45 GHz的微波PECVD设备[7-10],但该设备的成本是频率为30~300 kHz的低频PECVD设备的2~3倍,因此,低频PECVD设备逐渐被接受并广泛应用[11-12]。然而,由于针对低频PECVD设备沉积AlOx/SiNx钝化膜的研究相对较少,因此对其沉积特性及所沉积膜层的钝化性能也无深入的研究。本文利用40 kHz的低频PECVD设备采用不同工艺方法在硅片衬底上沉积AlOx/SiNx钝化膜,分别利用少子寿命测试仪(型号为Sinton WCT-120)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析了不同工艺方法下的膜层少子寿命与成键结构,以期通过改进沉积工艺来提升PERC太阳电池的转换效率。

1实验设备

本实验采用的低频PECVD设备的结构示意图如图1所示。

将硅片衬底放置在低频PECVD设备反应腔室的电极两侧,其沉积钝化膜时的参数为:沉积过程中的压强约为200 Pa,AlOx膜与SiNx膜沉积时的放电功率密度分别为130±5 mW/cm2与240±10 mW/cm2,AlOx膜沉积过程中的反应气体为N2O、三甲基铝(TMA)及Ar,SiNx膜沉积过程中通入的气体为SiH4和NH3。

2膜层样品的制备与性能分析

2.1 AlOx/SiNx钝化膜样品的制备与性能分析

2.1.1钝化膜样品的制备

采用低频PECVD设备制备钝化膜的常规流程为:利用KOH溶液将硅片的双面进行腐蚀抛光,得到衬底样品;将衬底样品放置在低频PECVD设备反应腔室的电极两侧,依次进行AlOx膜与SiNx膜的沉积,膜层厚度分别为12±1 nm和100±4 nm;将沉积后的样品通过烧结炉完成退火工艺,以激活膜层的钝化性能。

为了研究使用低频PECVD设备沉积钝化膜时,采用不同工艺对钝化膜性能的影响,将p型<100>晶向、电阻率为1 Ω•cm的直拉单晶硅片(下文简称“p型单晶硅片”)分为5组,分别采用不同的工艺,制备流程除某些步骤不同外,其他步骤均相同。

将p型单晶硅片衬底的双面均采用低频PECVD设备沉积相同的钝化膜。1组硅片衬底在沉积AlOx膜后、沉积SiNx膜前增加利用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理的过程,此工艺生产的样品为1#样品;1组硅片衬底采用钝化膜常规沉积流程,在沉积AlOx膜后直接在其上沉积SiNx膜,此工艺生产的样品为2#样品;同时采用梅耶博格生产的微波PECVD(型号:MAIA 2.1)设备沉积AlOx/SiNx钝化膜,此工艺生产的样品称为3#样品,以此样品作为对照组。1#样品与2#样品的钝化膜制备流程如图2所示。

2.1.2性能分析

1)少子寿命测试。采用少子寿命测试仪对制备的3种钝化膜样品进行少子寿命测试,测试结果如图3所示。由图3可知,当注入载流子浓度为1015 cm-3时,1#样品~3#样品的少子寿命分别为271、54和243 μs。未经过N2O/NH3气体进行等离子体表面处理的2#样品的少子寿命与其他2个样品的差距较大。

由于AlOx与硅片衬底接触,而钝化效果主要发生在钝化膜与硅片衬底的界面处,因此该钝化膜结构中起主导作用的是AlOx。2#样品的少子寿命低可能是因为较低的频率增强了离子对硅片衬底的轰击作用,Si-AlOx界面未形成良好的SiOx膜层,导致AlOx膜未带有足够大的固定负电荷密度,无良好的场钝化效果,使界面处载流子复合严重;而且AlOx膜层内O含量较少,在后续退火过程中无足够多的O在表面形成界面氧化层参与到固定电荷的形成过程,抑制了钝化效果。

从图3中还可以看出,由于1#样品增加了利用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理的步骤,其少子寿命显著增大,达到了3#样品的钝化效果。这可能是因为低频PECVD设备采用直接等离子体放电模式,即硅片衬底直接作为电极参与放电,而在放电过程中,由于电子速度远高于离子速度,便在电极附近形成等离子体鞘层,增大了该区域的电场;而且频率较低时,离子在电场方向变化前已经到达电极,对硅片衬底表面轰击,从而使AlOx膜沉积过程中形成的不稳定的Si-O键被破坏。

2)傅里叶红外光谱(FTIR)分析。图4为1#样品和2#样品的FTIR图,其中,波数范围750~850 cm-1 [10]的吸收峰对应Al-O四面体结构。根据文献[2]可知,沉积的AlOx膜中包含Al-O四面体结构和Al-O八面体结构,研究人员发现Si-AlOx界面处的四面体结构中的Al配位表现为净负电荷,而八面体结构中的Al配位表现为“+3”价态。因此,含有更多Al-O四面体结构的AlOx膜具有更优异的场钝化效果。经过N2O/NH3气体进行等离子体表面处理后,四面体结构的Al-O键吸收峰明显增强,表征其固定负电荷密度增强,这与少子寿命测试的结果一致。

2.2 AlOx膜样品的制备与FTIR分析

2.2.1 AlOx膜样品的制备

测试单层AlOx膜的特性。在钝化膜制备过程中,只沉积AlOx膜,其为4#样品;沉积AlOx膜后利用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理,该样品为5#样品。

2.2.2 FTIR图分析

由图5可知,利用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理后的AlOx膜,其Si-O键吸收峰明显增强,Si-O键吸收峰的波数范围为900~1200 cm-1 [10]。该结果表明通过等离子体表面处理,Si-AlOx界面中的O含量增大,且氧化层增加,有助于场钝化效应的增强,这与少子寿命的测试结果一致。

2.3小结

通过对1#样品~5#样品进行测试可以发现,采用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理的样品的钝化效果较好,可将此处理过程理解为氧的注入过程,使Si-AlOx界面形成了良好的氧化层,起到了负电荷的传输作用,从而大幅提升了少子寿命。

3 PERC电池样品的制备与性能分析

3.1 PERC电池样品的制备

将p型单晶硅片分为2组,每组均为200片,完成PERC电池的制备。其中,钝化膜采用低频PECVD设备沉积的一组PERC电池记为电池A,并且AlOx膜沉积后加入了N2O/NH3气体进行等离子体表面处理步骤;钝化膜采用微波PECVD设备沉积的一组PERC电池记为电池B。2种PERC电池的制备流程如图6所示。

3.2性能分析

对制备好的2种PERC电池进行性能测试,结果如表1所示,转换效率分布如图7所示。由表1和图7可知,采用低频PECVD设备沉积AlOx/SiNx钝化膜时,对背钝化工艺进行优化后,即在沉积AlOx膜后加入利用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理的步骤,载流子复合性能得到了改善,制备得到的PERC电池的平均转换效率达到了22.48%,最佳转换效率为22.69%,这2个值达到了采用微波PECVD设备沉积AlOx/SiNx钝化膜的同等水平。

4结论

本文对低频PECVD设备沉积的AlOx/SiNx钝化膜的性能进行了研究,得出了以下结论:

1)较低的频率增强了离子对硅片衬底的轰击作用,使Si-AlOx未能形成良好的界面氧化层,且膜层内的Al-O四面体结构占比较低,从而降低了膜层的场钝化效应,使载流子复合严重,无法起到良好的钝化作用。

2)硅片衬底沉积AlOx膜后,采用N2O/NH3气体进行等离子体表面处理,向膜层内注入O,使界面处形成用于价电子传输的SiOx层,并且提升了AlOx的Al-O四面体结构占比和Si-O键成键比例,明显改善了钝化效果,少子寿命由54 μs提升到271 μs。利用改进的沉积工艺,使小批量生产的PERC电池的平均转换效率达到了22.48%。

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