湿化学表面处理对硅片表面粗糙度及界面态的影响-纪方旭

第 1页 湿化学表面处理对硅片表面粗糙度及界面态的影响 报告人纪方旭 研究组中科院电工研究所 太阳电池技术研究组 第 2页 第 3页 数据来自 http//www.itrpv.net/ BSF 2017年 70以上，快速减少， 2028年 5左右。 PERC目前 20多，预计 2020年份额超过 BSF， 2028年 60以上。  对比 BSF，效率更高，效率提升潜力更大  对比 SJ/TOPCon，效率稍低，提升潜力持平， 现有生产技术成熟，成本低  未来将成为光伏市场的主流电池 第 4页 单面钝化与双面钝化 PERC电池 Passivated Emitter and Rear Cell 单晶硅电池效率 21.5 多晶硅电池效率 20 BSF电池 Back Surface Field 单晶硅电池效率 20 多晶硅电池效率 19 背表面抛光 背表面沉积钝化层 激光开孔形成局域金属接触 大大降低背表面复合速率 第 5页 钝化膜 化学钝化降低表面缺陷态密度 体内钝化氢原子扩散到硅片体内 场钝化排斥特定的少数载流子 Si H的键态和反键态位于禁带之外， 使其缺陷态的特性消失 化学钝化 场钝化 第 6页 化学钝化 表面缺陷 态密度 高 HNO3 低 HF 高 HF 低 HNO3 Energy Environ. Sci., 710, 3223–3263 Prog. Photovolt. Res. Appl. 6, 233–246 Current Applied Physics 4 2004 108–110 Microelectronic Engineering 111 2013 220–223  清洗  平滑表面  织构化  抛光 调整溶液配比 第 7页 3.1 平滑工艺在抛光硅片上的验证 N型抛光硅片 25 25 mm 硅片表面 平滑工艺处理 硅片表面 不做处理 RCAⅢ 10 min， DIW， HF去氧化层 ， DIW PE-ALD沉积 AlOx钝化层 退火 HCl溶液沸煮 10 min， DIW， HF 去氧化层， DIW 表征手段 AFM 反射谱 少子寿命测试 DLTS 抛光片实验流程图 第 8页 Roughness 1 2 3 4 平均值 清洗 707nm 538nm 565nm 542nm 588nm 清洗＋平滑处理 446nm 447nm 491nm 619nm 501nm 平滑工艺处理前后的抛光片的 AFM形貌图和表面粗糙度分析 3.1 平滑工艺在抛光硅片上的验证 硅片表面形貌高度的上下限 -32.2um→ -1.21.3um 粗糙度平均值 588nm→501nm 降低了 14.8 第 9页 平滑工艺处理前后的抛光片的反射谱 权重反射率 31.1→ 31.4 提升率 0.97 3.1 平滑工艺在抛光硅片上的验证 微观粗糙度降低， 表面变得光滑， 从而使反射率略微增加 钝化效果 如何变化 第 10页 3.1 平滑工艺在抛光硅片上的验证 平滑工艺处理前后少子寿命 map及其统计分布 少子寿命分布向高数值方向移动 平均有效少子寿命 259.85us→ 273.62us， 提升了 5.3 缺陷态密度 进一步确认 第 11页 3.1 平滑工艺在抛光硅片上的验证 测界面态原理 以 N型衬底为例 N型硅 金属 金属 绝缘层 MOS结 平滑工艺处理前后的界面处缺陷态密度在禁带中的分布 小结 平滑处理对于硅片表面的优化起着明显的作用，表面粗糙度和界面 态密度在经过平滑化处理之后都得以下降，界面的化学钝化效果得到提高。 第 12页 3.2 平滑工艺在碱制绒硅片上的应用 制绒片实验流程图 表征手段 SEM 反射谱 少子寿命测试 P型制绒硅片 25 25 mm 硅片表面平滑工艺处理 400s， 600s， 800s， 1000s， 1200s 硅片表面 不做处理 RCAⅢ 10 min， DIW， HF去氧化层 ， DIW PE-ALD沉积 AlOx钝化层 退火 HCl溶液沸煮 10 min， DIW， HF 去氧化层， DIW 第 13页 3.2 平滑工艺在碱制绒硅片上的应用  制绒片的金字塔结构完整清晰 制绒片在不同平滑时间处理后的 SEM图  各个面呈现各向同性的刻蚀，同时金字塔表面的 少量结构性缺陷被去除，金字塔之间的一些细小 圆包被刻蚀掉，形成笔直的界限  随着平滑处理时间的延长，金字塔表面逐渐变 得光滑，在 1000s时达到最优  当平滑处理时间达到 1200s时，金字塔棱上有明显 的缺陷，金字塔结构开始出现过度刻蚀现象 第 14页 3.2 平滑工艺在碱制绒硅片上的应用 平滑处理时间 S 0 400 600 800 1000 1200 权重反射率 11.97 13.18 13.72 14.62 15 15.9 制绒片在不同平滑时间处理后的反射谱 权重反射率 11.97→ 15.9 持续的平滑处理对硅片 进行了不断地轻微刻蚀 金字塔结构表面变得 光滑，粗糙度降低 各向同性的刻蚀也使绒 面结构整体变小，权重 反射率升高 第 15页 3.2 平滑工艺在碱制绒硅片上的应用 不同平滑时间处理后的少子寿命及反射率对比 小结 对金字塔绒面进行平滑处理，在 1000s时金字塔结构表面最为平整，超过 1000s出现 过刻现象 权重反射率逐渐上升，硅片的有效少子寿命先增后减，在 1000s时最高，达到 224us 说明一定条件下的平滑工艺对于硅片表面粗糙度的减小和界面优化有着明显的作用， 但是在权重反射率和界面缺陷之间需要找到一个平衡点 第 16页  对硅片表面进行平滑处理，可以降低硅片 表面粗糙度降 低，修饰硅片表面形貌 ；同时优化钝化界面，减少界面 缺陷态，提高少子寿命，从而使硅片表面钝化效果得到 提高。  一定条件下的平滑工艺对于硅片表面粗糙度的减小和钝化界 面优化有着明显的作用，但是需要在 陷光效果和界面性能之 间需要找到一个平衡点 ，所以适当的平滑处理时间是这个工 艺的关键。  这一研究 工艺简单，成本低廉 ，与现有的 PERC产线有着 良好的 契合性， 尽管其反射率高于原始金字塔结构的硅片，但相对于背 面抛光而言，仍具有更低反射率，同时也使界面得到优化。对于 PERC电池来说具有重要的潜在应用价值。 第 17页