太陽能電池鈍化膜的制備及性能研究

太陽能電池鈍化膜的制備及性能研究

1pecvd表面制備工藝的選擇通過高溫氧化可以獲得十二烷基硫酸鈉的良好氧化效果，大大提高了電池的性能。此外，由于熱氧化十二烷基硫酸鈉主要依靠表面氧化，界面中的負荷濃度很低，因此p-si2熱氧化可以提供非常好的表面氧化效果。此外，超過100nm的西眼膜可以在背面上產(chǎn)生良好的內(nèi)反射效果，從而有效地提高電池的長波響應。然而，傳統(tǒng)的熱氧化技術只能在大約1000下獲得高質(zhì)量的sio。此外，需要良好的內(nèi)部反射和后向侵蝕效果，厚度應大于100nm，這需要一個長期的高溫氧化過程。隨著時間的推移，高溫氧化會刺激體內(nèi)的新缺陷，減少電池性能，尤其是晶體電池。本文中PECVDa-SiOx:H/a-SiNx:H疊層鈍化(stacksystempassivation),一方面在PECVD鍍膜過程中有大量原子態(tài)的氫,能有效的飽和界面處的懸掛鍵,提供良好的表面鈍化效果,經(jīng)過退火后效果更明顯,另一方面由于在a-SiNx和Si之間加入了高質(zhì)量的a-SiOx,所以界面電荷濃度很低,能有效地鈍化太陽能電池的后表面,文章中重點討論了疊層系統(tǒng)對發(fā)射極的鈍化、疊層系統(tǒng)的雙面鈍化效果、FGA(Forminggasannealing)和RTP(rapidthermalprocess)熱處理對鈍化效果的影響。利用SemilabWT2000高分辨率u-PCD和QSSPC測試手段測試硅片的少子有效壽命,并且詳細分析了各實驗結果。2發(fā)射極有關藥物采用同一批次的156mm×156mm的多晶硅片,電阻率1.5,硅片厚度200。主要進行以下三個實驗(1)PECVD-SiNx、PECVD-SiOx、PECVD-SiOx/SiNx疊層鈍化對發(fā)射極的鈍化;(2)PECVD-SiNx、PECVD-SiOx、PECVD-SiOx/SiNx疊層雙面鈍化;(3)鈍化膜沉積后,使用FGA和RTP在不同溫度和時間下對鈍化膜進行熱處理。FGA熱處理溫度從400℃變化到800℃,而RTP溫度為820℃,FGA處理時間從20min到240min。2.1實驗材料及厚度比較了采用PECVD工藝的a-SiOx/a-SiNx疊層系統(tǒng)、a-SiOx和a-SiNx對發(fā)射極的鈍化效果,工藝流程如圖(1),擴散后方塊電阻為46□,PSG為磷硅玻璃。由于多晶硅片的材料差別比較大,因此每一組實驗都使用4片硅片進行實驗,最終每一組實驗結果取這些硅片的少子有效壽命的平均值。考慮到疊層系統(tǒng)和a-SiNx除了有鈍化作用外還要作為電池的減反層,所以沉積的a-SiOx厚度為15nm而a-SiNx厚度為75nm,疊層系統(tǒng)的厚度為a-SiOx(15nm)/a-SiNx(60nm)。電池結構見圖2所示。2.2射作用發(fā)射極的藥物系統(tǒng)疊層系統(tǒng)可以得到良好的發(fā)射極鈍化效果,為了研究疊層系統(tǒng)雙面鈍化效果,我們做了如下電池結構:考慮到減反射作用發(fā)射極的鈍化膜采用a-SiNx(60nm)/a-SiOx(15nm)疊層系統(tǒng),背面分別是a-SiOx(15nm)/a-SiNx(60nm)、a-SiOx(15nm)、a-SiNx(75nm)和沒有任何鈍化四種結構。實驗的工藝流程和發(fā)射極鈍化的工藝流程一致,具體電池結構如圖3所示。3結果與討論3.1pecvda-sinx的制備PECVD鍍膜后對硅片進行熱處理,在熱處理的時候沉積的薄膜中的H能鈍化薄膜和硅片的界面和硅體,這就是PECVD的H鈍化。但是實驗發(fā)現(xiàn)文獻中所說的400℃左右溫度下FGA對少子有效壽命提高很小,大概0.5μs左右,而且無論處理時間的長短(從15min到4h)。還發(fā)現(xiàn)低于800℃的FGA對單面鍍膜的硅片少子有效壽命提高都很小(0.5μs左右),在實驗中還有少數(shù)下降了0.3μs,這說明低溫(本文中指小于800℃)FGA對單面鍍膜的硅片幾乎沒有H鈍化作用。800℃下FGA對少子有效壽命的提高有明顯作用,而且處理時間對少子有效壽命的影響很大。PECVDa-SiOx鈍化少子壽命隨FGA溫度的變化關系如圖4所示。在去PSG和背面刻蝕之后硅片少子有效壽命平均3.0μs,PECVD之后少子有效壽命升高到4μs左右,但是還是很低。經(jīng)過FGA800℃退火后,少子壽命隨時間先增大后有很小的衰減然后又大幅提高,這是因為沉積的薄膜中有H,FGA中也有大量的H,短時間的處理是沉積的薄膜中的H對界面和硅體的鈍化,隨著處理時間的增加薄膜中的H和硅體中的H輕微逸出,導致少子有效壽命輕微的降低,這也說明了沉積的薄膜比較穩(wěn)定,但隨著處理時間進一步增加,FGA中的H會進入到薄膜和硅片的界面處及硅體中起到鈍化作用。當處理時間從120min增加到240min時少子有效壽命基本維持不變,但是實驗發(fā)現(xiàn)FGA熱處理之后冷卻時間和冷卻環(huán)境對鈍化效果有很大的影響,實驗中FGA20min然后在管內(nèi)降溫至400℃時得到實驗的最優(yōu)結果,降溫過程中管內(nèi)一直通氫氮混合氣體(forminggas),少子壽命比退火240min提高大概2μs,這說明降溫時降溫環(huán)境中有沒有H對鈍化效果有很大的影響,同時降溫時間也至關重要,緩慢的降溫時間和在H環(huán)境中降溫有利于鈍化效果的提升。PECVDa-SiOx鈍化少子壽命隨FGA時間的變化曲線如圖5所示(其中的special是指經(jīng)過20min的800℃FGA后,在forminggas的氣氛中降溫至400℃,as-grown是指剛沉積出來的薄膜)。結果顯示,剛沉積好的薄膜a-SiNx鈍化效果最好,但隨著處理方法的變化,a-SiOx和疊層鈍化能得到和a-SiNx一樣的結果,甚至優(yōu)于a-SiNx。這從Hofmann的結果中能得解釋:剛沉積好的a-SiOx中H含量只有a-SiNx中H含量的三分之一,所以剛沉積好的a-SiOx鈍化效果不明顯,但是經(jīng)過FGA處理就能得到很好的鈍化效果。疊層鈍化膜剛沉積好鈍化效果沒有a-SiNx效果好的原因可能是因為有一層含氫量少的a-SiOx,阻擋了a-SiNx中的H向界面和硅體的釋放。同樣,好的處理方法能極大地改善疊層的鈍化效果。另外在820℃RTP對鈍化效果提升不明顯,可能是由于在高溫處理時候的氫損失。3.2雙效硬化試驗分析3.2.1a-sinx/a-sinx的光催化氧化原理沒有經(jīng)過PECVD鈍化的硅片少子壽命大概3μs左右,經(jīng)過PECVD鍍膜之后,背面沒有鈍化膜的硅片由于發(fā)射極鈍化使少子壽命提升到4μs左右,背面采用a-SiNx和a-SiNx/a-SiOx鈍化的效果最好,接近12μs,而a-SiOx鈍化的效果并不理想,原因在發(fā)射極鈍化的時候已經(jīng)提到,因為a-SiOx中的H含量比較低而且SiH4中的H并不是很好H鈍化源。對于a-SiNx/a-SiOx鈍化效果比a-SiNx好的原因是對于P型硅a-SiNx和硅的界面正電荷濃度非常高,同時雙面a-SiNx/a-SiOx鈍化可以提供足夠的H對界面和硅體進行鈍化,所以a-SiNx/a-SiOx顯示出比a-SiNx更好的背面鈍化效果,具體如圖6所示。剛沉積好的雙面膜少子壽命明顯高于僅有發(fā)射極鈍化膜,這主要是因為雙面膜是兩次沉積而成,先沉積發(fā)射極鈍化膜,然后沉積背面鈍化膜,在進行背面鍍膜的時候?qū)Πl(fā)射極鈍化膜來說實際上是一個退火的過程,使發(fā)射極的鈍化膜有效的鈍化界面和硅體,從而提高了雙面膜的鈍化效果,所以剛沉積好的雙面膜少子壽命明顯高于剛沉積好的單面膜。當然在沉積背面鈍化膜的過程中H對背面的鈍化也是雙面膜產(chǎn)生好的鈍化效果的另一個重要原因,這從剛沉積出來的a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx背面鈍化膜優(yōu)于a-SiOx這一點可以得到合理解釋,因為沉積背面a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx時有NH3參與反應,能提供大量的H對背面鈍化。3.2.2發(fā)射極一fga設備研磨法另外在FGA實驗中雙面鈍化膜也顯示出少子壽命隨退火時間的變化呈現(xiàn)出先增大后減小然后再增大的現(xiàn)象,但是不同的背面鈍化方式變化的線型不一樣。從圖7可以看出,對于a-SiNx/a-SiOx和a-SiNx在FGA120min時有很大的衰減,而對于a-SiOx背面鈍化在FGA30min時產(chǎn)生了小的衰減,背面沒有鈍化膜的硅片在大概60min的時候產(chǎn)生小的衰減,隨后增加至8.3μs。導致上述現(xiàn)象的原因是對于雙面a-SiNx/a-SiOx鈍化和背面a-SiNx鈍化,在退火過程中雙面膜能提供大量的H對界面和硅體進行有效的鈍化,而且這兩種雙面膜的厚度比較厚達到了75nm,短時間的FGA處理使鈍化膜內(nèi)的H進入界面和硅體進行有效的鈍化,另外厚的鈍化膜能有效阻止H的逸出,保證膜的穩(wěn)定性,隨著FGA時間的加長,鈍化效果才有所衰退,進一步加長FGA時間,使FGA中的H開始進入內(nèi)部鈍化硅體和界面。對于a-SiOx背面鈍化,由于膜比較薄(15nm)所以在FGA過程中,少子壽命很快就出現(xiàn)衰減。而對于背面沒有鈍化膜的硅片,背面只有外部的FGA中的H起作用,所以不存在明顯的衰減,在60min處的輕微衰減歸因于發(fā)射極鈍化膜的衰減。實驗中還利用QSSPC對測試少子壽命,并且得出樣品的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,這和SemilabWT-2000U-PCD掃描的少子壽命結果一致。另外450℃FGA和820℃RTP處理對雙面鈍化膜鈍化效果也有幫助。4新型表面現(xiàn)有熱氧化材料的選擇雙面PECVDa-SiNx/a-SiOx鈍化膜在800℃經(jīng)過短時間(20min)FGA處理就能得到非常好的鈍化效果