等离子体增强原子层沉积Al2O3钝化多晶黑硅的分析

等离子体增强原子层沉积Al2O3钝化多晶黑硅的分析黑硅的纳米构造可以大大降低硅表面的入射光反射率，同时由于比表面积的增加使其钝化成为难题，从而影响其太阳电池的性能。等离子体增强原子层沉积(PEALD)法沉积的Al2O3钝化层具有良好的保型性和致密性，适用于黑硅纳米微构造的钝化。本文使用金属辅助化学法制备多晶黑硅，再经低浓度碱溶液处理优化黑硅构造，最后用PEALD沉积了不同厚度的Al2O3钝化层。采用扫描电镜、分光光度计和少子寿命测试仪对黑硅的表面形貌、减反射特性和少子寿命变化开展了分析。结果说明碱溶液处理后黑硅表面构造变得更为平滑，Al2O3钝化的黑硅经退火后少子寿命到达8.96μs，在可见光范围内反射率降低至3.7%，与传统制绒工艺的多晶硅片相比性能有明显提升。

晶体硅太阳电池在当前光伏市场占据着绝大部分份额，且以多晶硅为主。晶体硅太阳电池光电转换效率在技术的发展下越来越高。降低硅片表面反射率是一种非常有效的提升太阳电池效率的方式。黑硅是一种在紫外至近红外波长范围内都具有极低反射率的材料，它能有效降低硅反射率从而提高光吸收，但由于纳米构造导致硅表面积增加，从而使光生载流子的表面复合增加。相比于传统减反射构造黑硅的纳米构造更为细小，所以目前的钝化工艺，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积SixNy薄膜无法很好地钝化黑硅表面，成为制约黑硅电池效率的主要因素。原子层沉积(ALD)技术具有优异的三维贴合性和薄膜均匀性，能有效匹配黑硅构造，起到钝化黑硅的作用。PaivikkiRepo等在反应离子刻蚀法(RIE)制备的单晶黑硅上用ALD生长了Al2O3薄膜，少子寿命增大，以及反射率进一步下降。Wei-ChengWang等在金属辅助化学(MACE)法制备的单晶黑硅上沉积Al2O3钝化，并制备了18.2%效率的单晶黑硅电池。夏洋课题组使用传统PECVD法生长氮化硅薄膜钝化了等离子体浸没注入法制备的黑硅，钝化后有效少子寿命为11μs，制得多晶黑硅太阳电池效率为16.25%。

等离子增强原子层沉积(PEALD)法相对于传统的热ALD的区别在于改变了与前驱体作用的反应剂，引入高能量、高活性等离子体来代替普通的反应剂，使其相对于热ALD具有更多优势。PEALD可以有效提高生长速度，并且得益于等离子体的高活性，PEALD生长的薄膜具有较高的薄膜密度，低的杂质含量和优异的电学性能。DingemansG等研究了PEALD与热ALD法生长Al2O3薄膜钝化硅表面后的少子寿命，虽然到了10nm后少子寿命趋于稳定，因为已经钝化完全，但是从10nm前可以分析出由于等离子体轰击作用，PEALD生长的薄膜质量更好，使钝化作用更好。

本研究采用更适合工业化的MACE法制备多晶黑硅，并使用氢氧化钠对黑硅构造开展优化重构，采用PEALD技术在黑硅表面沉积Al2O3薄膜，通过扫描电镜(SEM)、分光光度计和少子寿命研究了薄膜的钝化效果和增强减反射作用。本课题组前期用传统PECVD生长SixNy钝化工艺制备了转换效率高于18%的多晶黑硅太阳电池(156mm×156mm)，期待将来采用本研究工作开发的PEALD新型钝化工艺使多晶黑硅太阳电池的转换效率获得进一步提升。

1、实验

本实验采用标准太阳能级p型156mm×156mm多晶硅片，电阻率为2Ω·cm，厚度为200μm。采用传统酸制绒工艺以去除表面损伤层，以Ag辅助化学法腐蚀出黑硅纳米线构造，后使用低浓度NaOH溶液开展碱溶液扩孔处理。然后采用ALD技术沉积Al2O3薄膜并研究了其钝化性能。

采用PEALD系统(***迈纳德公司)，以三甲基铝(TMA)和水为反应源，高纯氩气为载气，预抽本底真空至8×10-4Pa，在200℃开展样品制备，同时腔室内使用100W等离子体开展辅助沉积。沉积后在腔室内高纯氩气气氛中开展退火处理，退火温度为450℃，退火时间为1h。

采用HITACHIS-4800SEM对所制备黑硅的构造形貌开展观察，同时采用岛津UV-3600分光光度计对黑硅表面反射率开展测试，波长测试范围为300～1100nm。用Sinton的WCT-120型少子寿命测试仪在准稳态下开展少子寿命表征。

3、结论

本文使用低浓度碱溶液对MACE法制备的多晶黑硅表面开展处理，使表面构造更平滑，孔扩大，有利于后续钝化的开展。采用PEALD法在扩孔后的黑硅表面沉积不同Al2O3钝化层，优化后有少子寿命的明显提升，到达8.96μs；与碱溶液处