太阳能电池钝化膜的制备及性能研究

太阳能电池钝化膜的制备及性能研究

1pecvd表面制备工艺的选择通过高温氧化可以获得十二烷基硫酸钠的良好氧化效果，大大提高了电池的性能。此外，由于热氧化十二烷基硫酸钠主要依靠表面氧化，界面中的负荷浓度很低，因此p-si2热氧化可以提供非常好的表面氧化效果。此外，超过100nm的西眼膜可以在背面上产生良好的内反射效果，从而有效地提高电池的长波响应。然而，传统的热氧化技术只能在大约1000下获得高质量的sio。此外，需要良好的内部反射和后向侵蚀效果，厚度应大于100nm，这需要一个长期的高温氧化过程。随着时间的推移，高温氧化会刺激体内的新缺陷，减少电池性能，尤其是晶体电池。本文中PECVDa-SiOx:H/a-SiNx:H叠层钝化(stacksystempassivation),一方面在PECVD镀膜过程中有大量原子态的氢,能有效的饱和界面处的悬挂键,提供良好的表面钝化效果,经过退火后效果更明显,另一方面由于在a-SiNx和Si之间加入了高质量的a-SiOx,所以界面电荷浓度很低,能有效地钝化太阳能电池的后表面,文章中重点讨论了叠层系统对发射极的钝化、叠层系统的双面钝化效果、FGA(Forminggasannealing)和RTP(rapidthermalprocess)热处理对钝化效果的影响。利用SemilabWT2000高分辨率u-PCD和QSSPC测试手段测试硅片的少子有效寿命,并且详细分析了各实验结果。2发射极有关药物采用同一批次的156mm×156mm的多晶硅片,电阻率1.5,硅片厚度200。主要进行以下三个实验(1)PECVD-SiNx、PECVD-SiOx、PECVD-SiOx/SiNx叠层钝化对发射极的钝化;(2)PECVD-SiNx、PECVD-SiOx、PECVD-SiOx/SiNx叠层双面钝化;(3)钝化膜沉积后,使用FGA和RTP在不同温度和时间下对钝化膜进行热处理。FGA热处理温度从400℃变化到800℃,而RTP温度为820℃,FGA处理时间从20min到240min。2.1实验材料及厚度比较了采用PECVD工艺的a-SiOx/a-SiNx叠层系统、a-SiOx和a-SiNx对发射极的钝化效果,工艺流程如图(1),扩散后方块电阻为46□,PSG为磷硅玻璃。由于多晶硅片的材料差别比较大,因此每一组实验都使用4片硅片进行实验,最终每一组实验结果取这些硅片的少子有效寿命的平均值。考虑到叠层系统和a-SiNx除了有钝化作用外还要作为电池的减反层,所以沉积的a-SiOx厚度为15nm而a-SiNx厚度为75nm,叠层系统的厚度为a-SiOx(15nm)/a-SiNx(60nm)。电池结构见图2所示。2.2射作用发射极的药物系统叠层系统可以得到良好的发射极钝化效果,为了研究叠层系统双面钝化效果,我们做了如下电池结构:考虑到减反射作用发射极的钝化膜采用a-SiNx(60nm)/a-SiOx(15nm)叠层系统,背面分别是a-SiOx(15nm)/a-SiNx(60nm)、a-SiOx(15nm)、a-SiNx(75nm)和没有任何钝化四种结构。实验的工艺流程和发射极钝化的工艺流程一致,具体电池结构如图3所示。3结果与讨论3.1pecvda-sinx的制备PECVD镀膜后对硅片进行热处理,在热处理的时候沉积的薄膜中的H能钝化薄膜和硅片的界面和硅体,这就是PECVD的H钝化。但是实验发现文献中所说的400℃左右温度下FGA对少子有效寿命提高很小,大概0.5μs左右,而且无论处理时间的长短(从15min到4h)。还发现低于800℃的FGA对单面镀膜的硅片少子有效寿命提高都很小(0.5μs左右),在实验中还有少数下降了0.3μs,这说明低温(本文中指小于800℃)FGA对单面镀膜的硅片几乎没有H钝化作用。800℃下FGA对少子有效寿命的提高有明显作用,而且处理时间对少子有效寿命的影响很大。PECVDa-SiOx钝化少子寿命随FGA温度的变化关系如图4所示。在去PSG和背面刻蚀之后硅片少子有效寿命平均3.0μs,PECVD之后少子有效寿命升高到4μs左右,但是还是很低。经过FGA800℃退火后,少子寿命随时间先增大后有很小的衰减然后又大幅提高,这是因为沉积的薄膜中有H,FGA中也有大量的H,短时间的处理是沉积的薄膜中的H对界面和硅体的钝化,随着处理时间的增加薄膜中的H和硅体中的H轻微逸出,导致少子有效寿命轻微的降低,这也说明了沉积的薄膜比较稳定,但随着处理时间进一步增加,FGA中的H会进入到薄膜和硅片的界面处及硅体中起到钝化作用。当处理时间从120min增加到240min时少子有效寿命基本维持不变,但是实验发现FGA热处理之后冷却时间和冷却环境对钝化效果有很大的影响,实验中FGA20min然后在管内降温至400℃时得到实验的最优结果,降温过程中管内一直通氢氮混合气体(forminggas),少子寿命比退火240min提高大概2μs,这说明降温时降温环境中有没有H对钝化效果有很大的影响,同时降温时间也至关重要,缓慢的降温时间和在H环境中降温有利于钝化效果的提升。PECVDa-SiOx钝化少子寿命随FGA时间的变化曲线如图5所示(其中的special是指经过20min的800℃FGA后,在forminggas的气氛中降温至400℃,as-grown是指刚沉积出来的薄膜)。结果显示,刚沉积好的薄膜a-SiNx钝化效果最好,但随着处理方法的变化,a-SiOx和叠层钝化能得到和a-SiNx一样的结果,甚至优于a-SiNx。这从Hofmann的结果中能得解释:刚沉积好的a-SiOx中H含量只有a-SiNx中H含量的三分之一,所以刚沉积好的a-SiOx钝化效果不明显,但是经过FGA处理就能得到很好的钝化效果。叠层钝化膜刚沉积好钝化效果没有a-SiNx效果好的原因可能是因为有一层含氢量少的a-SiOx,阻挡了a-SiNx中的H向界面和硅体的释放。同样,好的处理方法能极大地改善叠层的钝化效果。另外在820℃RTP对钝化效果提升不明显,可能是由于在高温处理时候的氢损失。3.2双效硬化试验分析3.2.1a-sinx/a-sinx的光催化氧化原理没有经过PECVD钝化的硅片少子寿命大概3μs左右,经过PECVD镀膜之后,背面没有钝化膜的硅片由于发射极钝化使少子寿命提升到4μs左右,背面采用a-SiNx和a-SiNx/a-SiOx钝化的效果最好,接近12μs,而a-SiOx钝化的效果并不理想,原因在发射极钝化的时候已经提到,因为a-SiOx中的H含量比较低而且SiH4中的H并不是很好H钝化源。对于a-SiNx/a-SiOx钝化效果比a-SiNx好的原因是对于P型硅a-SiNx和硅的界面正电荷浓度非常高,同时双面a-SiNx/a-SiOx钝化可以提供足够的H对界面和硅体进行钝化,所以a-SiNx/a-SiOx显示出比a-SiNx更好的背面钝化效果,具体如图6所示。刚沉积好的双面膜少子寿命明显高于仅有发射极钝化膜,这主要是因为双面膜是两次沉积而成,先沉积发射极钝化膜,然后沉积背面钝化膜,在进行背面镀膜的时候对发射极钝化膜来说实际上是一个退火的过程,使发射极的钝化膜有效的钝化界面和硅体,从而提高了双面膜的钝化效果,所以刚沉积好的双面膜少子寿命明显高于刚沉积好的单面膜。当然在沉积背面钝化膜的过程中H对背面的钝化也是双面膜产生好的钝化效果的另一个重要原因,这从刚沉积出来的a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx背面钝化膜优于a-SiOx这一点可以得到合理解释,因为沉积背面a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx时有NH3参与反应,能提供大量的H对背面钝化。3.2.2发射极一fga设备研磨法另外在FGA实验中双面钝化膜也显示出少子寿命随退火时间的变化呈现出先增大后减小然后再增大的现象,但是不同的背面钝化方式变化的线型不一样。从图7可以看出,对于a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx在FGA120min时有很大的衰减,而对于a-SiOx背面钝化在FGA30min时产生了小的衰减,背面没有钝化膜的硅片在大概60min的时候产生小的衰减,随后增加至8.3μs。导致上述现象的原因是对于双面a-SiNx/a-SiOx钝化和背面a-SiNx钝化,在退火过程中双面膜能提供大量的H对界面和硅体进行有效的钝化,而且这两种双面膜的厚度比较厚达到了75nm,短时间的FGA处理使钝化膜内的H进入界面和硅体进行有效的钝化,另外厚的钝化膜能有效阻止H的逸出,保证膜的稳定性,随着FGA时间的加长,钝化效果才有所衰退,进一步加长FGA时间,使FGA中的H开始进入内部钝化硅体和界面。对于a-SiOx背面钝化,由于膜比较薄(15nm)所以在FGA过程中,少子寿命很快就出现衰减。而对于背面没有钝化膜的硅片,背面只有外部的FGA中的H起作用,所以不存在明显的衰减,在60min处的轻微衰减归因于发射极钝化膜的衰减。实验中还利用QSSPC对测试少子寿命,并且得出样品的ImpliedVoc,其中a-SiNx/a-SiOx得到的最大值是630mV,a-SiNx得到的最大值是622mV,a-SiOx最大值是624mV,这和SemilabWT-2000U-PCD扫描的少子寿命结果一致。另外450℃FGA和820℃RTP处理对双面钝化膜钝化效果也有帮助。4新型表面现有热氧化材料的选择双面PECVDa-SiNx/a-SiOx钝化膜在800℃经过短时间(20min)FGA处理就能得到非常好的钝化效果