摘【zhāi】要：以Al2O3/SixNy为钝化层，制备【bèi】了PERC单晶硅太阳【yáng】电【diàn】池，研究Al2O3钝化层厚度对钝化【huà】效果的影响，分【fèn】析【xī】硅片少子寿命变化【huà】、烧【shāo】结曲线对PERC电池电性能【néng】参数的【de】影响。
0 引言
为了进一步【bù】优化其生【shēng】产工艺、提高晶体硅【guī】电池片效【xiào】率【lǜ】、降【jiàng】低生产成【chéng】本，此前已有诸多【duō】研究，20世纪80年代，澳大利亚新【xīn】南威尔士大学光伏【fú】实验室提出了PERC结构太阳电【diàn】池，打破了当时晶体硅太阳电池【chí】转换效率的记录，也是目前【qián】唯一产业化的高效太阳电池技术【shù】[1,2]。PERC电池在常规电池基【jī】础【chǔ】上【shàng】增加了背面【miàn】Al2O3/SiNxHy层叠钝【dùn】化与激光开【kāi】孔【kǒng】工艺。利【lì】用【yòng】Al2O3薄【báo】膜的场【chǎng】钝化效应【yīng】与SiNxHy薄膜的【de】氢【qīng】钝化效应将硅片的有效【xiào】载【zǎi】流子寿命由10～20μs提高【gāo】到【dào】100～120μs[3,4]，同【tóng】时利用【yòng】激光对Al2O3/SiNxHy层叠薄膜进行局部开孔，使铝【lǚ】浆能通过孔洞与硅片形成良好的欧姆接【jiē】触。本【běn】文研究工业生产中工艺【yì】参数与【yǔ】PERC电池转换效【xiào】率之间【jiān】的关系，分析【xī】工艺参【cān】数【shù】对硅片【piàn】少子【zǐ】寿命的影响，并得出【chū】少子寿【shòu】命【mìng】与PERC电【diàn】池转换效率之间的关系，探【tàn】讨烧【shāo】结过程对PERC电池【chí】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【liǎng】种配位【wèi】方式：6个氧原子的八面体中心位【wèi】置和4个【gè】氧原子的四面体中心【xīn】位置。在PECVD生长的Al2O3薄【báo】膜中，这两种形【xíng】态的Al2O3同时存【cún】在[5]。经过高温【wēn】热处理过程【chéng】，八面体结构会转换【huàn】为四面体结构，产生间隙态氧【yǎng】原子，间隙态【tài】氧原子【zǐ】夺取【qǔ】p型硅【guī】中的【de】价态电【diàn】子，形成【chéng】固定负电【diàn】荷，使Al2O3薄膜【mó】显出负电性，在Al2O3/Si界面产【chǎn】生一个指【zhǐ】向硅片【piàn】内部的界面电场，使载【zǎi】流子可迅【xùn】速逃离【lí】界面，降低【dī】界【jiè】面复合速率【lǜ】，提高硅片少子寿【shòu】命[9-21]。2 Al2O3厚度对电池特性的影响
采用梅耶【yē】博格【gé】公司的玛雅2.1设备来制备【bèi】Al2O3/SixNy薄膜【mó】与背面保护氮化硅薄【báo】膜【mó】，高频信号【hào】发生器【qì】频率为13.56GHz。所用【yòng】气体为三【sān】甲基铝【lǚ】(TMA)、高纯氩气、高纯氨气和高纯【chún】硅烷，实验【yàn】时【shí】反应【yīng】气体直【zhí】接通入【rù】反应腔体内，反应腔体压力为10～30Pa，反应温度为【wéi】300～400℃。正面【miàn】氮化硅使用中国电子科技【jì】集团公【gōng】司第【dì】四十【shí】八研究所【suǒ】PECVD设备制【zhì】备，高【gāo】频信号发生器频率为40kHz。采用西安隆基【jī】M2单晶硅片。使用Sinton公司【sī】的WCT120设备检测硅片的少子寿命【mìng】。使【shǐ】用Despatch公司生【shēng】产的高温【wēn】烧结炉【lú】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【mó】厚度【dù】对硅片少子寿命的【de】影响，我们制备【bèi】了不同厚度的Al2O3薄【báo】膜，保护【hù】SixNy薄【báo】膜的厚度为【wéi】100nm，折射率为2.1，正面SixNy厚【hòu】度为80nm，折【shé】射率为2.0。当Al2O3镀膜时间为60s时，使【shǐ】用SENTECHSE800型椭偏仪测试Al2O3厚度为25nm，假定【dìng】Al2O3薄膜【mó】生长速率【lǜ】恒定，通过调整【zhěng】镀膜时【shí】间来调整Al2O3薄膜【mó】厚【hòu】度。使用Sinton公【gōng】司【sī】的WCT120型【xíng】少子寿命测试【shì】仪分别测试快速热【rè】处理【lǐ】前后【hòu】的【de】少子【zǐ】寿命【mìng】，快速热处理温度曲线采用常规太阳电【diàn】池烧结温度曲【qǔ】线。结果如表1所示。
在热处理前，硅【guī】片少子寿命随着Al2O3薄【báo】膜后的【de】增加【jiā】而【ér】减少，这是由于【yú】Al2O3薄膜阻挡了背面【miàn】SixNy对硅片的体钝化【huà】作用导致。在SixNy薄膜的体钝化作用与Al2O3薄【báo】膜【mó】的表面钝【dùn】化的共同作用下，硅【guī】片在【zài】热处理后的【de】少【shǎo】子寿命相差较【jiào】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。
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【wéi】了【le】研究烧结【jié】温度对铝硅合【hé】金层的影响，首先【xiān】以常【cháng】规单晶电池烧结曲线对PERC电池片进行【háng】烧结，然后使用扫【sǎo】描电镜观察测量剖面【miàn】，PERC背面铝浆为【wéi】南通天盛公司生产的【de】BD-5型号铝浆。
如图【tú】1所示，以常规温度曲线烧结的PERC电池【chí】的铝硅合【hé】金层(BSF)只有约1μm。常【cháng】规【guī】单【dān】晶电池的铝硅合【hé】金层厚度通常【cháng】约为10μm。PERC电池【chí】专用铝浆为了【le】保护【hù】背面Al2O3钝化【huà】层而使【shǐ】用了【le】弱刻蚀的玻璃体，这应是导【dǎo】致差异【yì】的主【zhǔ】因。尝试提高烧结炉温区【qū】3、4温度，再次进行烧结与检测，如图2所示，铝硅合【hé】金【jīn】层厚度为3.55～4.72μm，相对于【yú】常【cháng】规烧结曲线，铝硅合金层厚【hòu】度【dù】明显增加。铝硅合金层厚度【dù】将直【zhí】接影响铝背场对载【zǎi】流子【zǐ】的【de】收集【jí】效率，从而影响PERC电池的电性能【néng】参数。
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【bǐ】开路电压、短【duǎn】路电【diàn】流、填充【chōng】因子等电【diàn】性能【néng】参数，烧结炉带【dài】速为5m/min。其中【zhōng】编号a的曲线为【wéi】常规电池烧结曲线。
4 结论
Al2O3薄膜的钝化作用可以由烧结【jié】前后的少子寿【shòu】命变化量来衡量，在我们制备的5组样品【pǐn】中，Al2O3薄膜【mó】越【yuè】厚，少子寿【shòu】命在【zài】烧结前后【hòu】的增加量越【yuè】大，但过厚的【de】Al2O3薄膜会对激光【guāng】开膜造【zào】成影响，降【jiàng】低PERC电池片的填充因子，在此次试验【yàn】中，Al2O3厚度为20nm的样品获得了最【zuì】高的转换效【xiào】率【lǜ】。Al2O3的表【biǎo】面钝化作用在PERC电【diàn】池的效率【lǜ】提升中起到了关键作【zuò】用【yòng】。
由于PERC电池专用铝浆【jiāng】使用了弱刻蚀性的玻璃体，所【suǒ】以相对与常规电池的烧结曲线，铝浆烧结区需【xū】要升【shēng】高温度才能获得【dé】良【liáng】好【hǎo】的铝硅合【hé】金层(BSF)。过高的峰值温【wēn】度会导致铝浆烧【shāo】穿【chuān】Al2O3上【shàng】的SixNy保护层，破坏Al2O3的【de】钝化效果，形成额外的导【dǎo】电通道，开路电压【yā】、短路【lù】电流、串联电阻与转换【huàn】效率均会大【dà】幅【fú】降低，但并联【lián】电【diàn】阻相对保持稳定【dìng】。PERC电池的烧【shāo】结既需要足【zú】够高【gāo】的温度来【lái】保证铝浆与硅片充分反【fǎn】应，又需【xū】要将【jiāng】烧结【jié】温度限制在一定范围内【nèi】，以保证铝浆不会烧穿Al2O3上的SixNy保【bǎo】护【hù】层。
