氮化硅薄膜对硅片背表面的钝化作用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net- μ} -收稿日期 2007 - 11 - 27作者简介 周国华 1981 - ,男 ,江苏泰州人 ,检测技术与自动化装置。 研究方向 高效太阳能电池。氮化硅薄膜对硅片背表面的钝化作用周国华 1 ,施正荣 2, 3 ,朱 拓 21. 江南大学 信控学院 ,江苏 无锡 214122; 2. 江南大学 理学院 ,江苏 无锡 214122;3. 无锡尚德太阳能电力有限公司 ,江苏 无锡 214028 摘 要 采用等离子体增强化学沉积的方法 PECVD ,在低衬体温度下制备不同厚度的双面氮化硅薄膜 ,通过准稳态电导法 QSSPCD 测试 non2diffused 和 diffused 硅片沉积不同厚度双面氮化硅薄膜烧结前后的少子寿命 ,研究发现 ,氮化硅薄膜厚度在 17 nm 左右的时候 ,背面钝化效果有所下降 ,超过 26 nm 的时候 ,效果基本一致 。non2diffused 烧结后的少子寿命下降很大 ,而 diffused 与之相反 。 结果表明 ,采用氮化硅作为背面钝化介质膜 ,可以改善材料的少子寿命 ,背面钝化膜可以选择在 26～ 75 nm 之间 。关键词 背面钝化 ;氮化硅 ;少子寿命中图分类号 TM914 . 4 文献标识码 A 文章编号 1004 - 3950 2008 01 - 0028 - 03Silcon n itr ide for backsi de pa ssivati on of sili con waferZHOUGuo2hua1 , SHI Zheng2rong2, 3 , ZHU Tuo2 1. School of Communicati ons 2. School of Sciences, Jiangnan University, W uxi 214122, China;3. W uxi Suntech Power Co. , L td, W uxi 214028, China Abstract Silicon nitride sin thin film s were prepared on P type Cz silicon wafer by PECVD . The research on rearsurface passivation effect of the non2diffused and diffused covered on both sides with different thickness sin film s andthe lifetim e varied after firing . It was found through QSSPCD that when the sin film were less than 17 nm and exceeded26 nm, the rear surface passivation effect reduced and kept accord, respectively . The lifeti m e of non2diffused reducedin the different thickness film conditi on after firing, but the lifeti me of diffused improved before and after firing. Theresults above indicated that it was beneficial to im prove material lifetim e by using sin as passivation film s which couldbe chosen between 26～ 75 nm.Key words rear surface passivation; sin film; lifetim e0 引 言近年来 ,高效率低成本的太阳能电池是光伏产业的研究热点之一 。目前 ,主要有两种方法降低太阳电池的成本 。 第一 ,降低硅材料成本 ,促使硅片向薄片化方向发展 ;第二 ,提高电池转换效率 ,研究主要集中在前表面的选择性扩散及背表面钝化两个方向上 。现阶段 的 太 阳 能 电 池 背 面 基 本 上 是 采 用ALBSF 铝背场 ,这种 BSF 背场 起到一个 P 层的作用 ,可以减少背面的复合速度 ,使背面复合速度在 1 000～ 10 000 cm s- 1范围内 ,但同时也会带来一些新的问题 ,由于铝和硅的热膨胀系数的不同 ,在硅片小于 180 μ m 的时候 ,经过 fire 烧结 之后 ,片子就会弯曲 ,在一定程度上增加了电池生产线和组件的碎片率 ,影响产能输出 。对于薄片的电池片 ,背面钝化显得越来越重要 。传统高效太阳电池的背表面钝化主要采用高温氧化法 ,高质量的氧化膜必须在 900～ 1 100℃长时间氧化才能得到 。 ZHAO J, WANG A [ 3 ]等人24. 7的 PERL电池背面就是采用高温氧化法 。虽然这种钝化效果使太阳电池转换效率得到极大提升 ,但也带来许多缺点 。 第一 ,质量较差的单晶及多晶在长时间的高温条件下会诱生缺陷 ,少数载流子寿命下降很厉害 ;第二 ,许多有害杂质会在高温条件下扩散进硅片体内 。 因此可以考虑采用新能源及工艺 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net能源工程 2008 年 ,第 1期 - μ～ -低温沉积的方法对背表面进行钝化 。一些研究表明由 PECVD沉积的低温氮化硅薄膜可以用来作为背面钝化介质膜 。 背面氮化硅膜钝化太阳电池主要是采用背面点接触的形式来替代传统铝背场电池 ,优势主要有以下两个方面 首先 ,提高背面钝化效果 ,降低背表面的复合速率 ;其次 ,避免电池由于铝背场烧结过程而引起的弯曲 。 HUK BNER [ 6 ]等人利用氮化硅钝化双面太阳能电池的背表面使电池效率超过了 20。本文采用 PECVD方法对硅片沉积不同膜厚的双面氮化硅 ,主要研究不同膜厚的氮化硅对硅片背表面的钝化作用 。1 实 验为了保持实验的稳定性我们选择由德国拜耳公司提供的 cz单晶片 ,原始硅片体少子寿命在100μ s左右 ,厚度在 210μ m 左右 ,实测电阻率范围为 0. 5～ 2Ω m。为了更好的了解硅片厚度 、 背面复合速度对太阳能电池效率的影响 ,利用 PC1D软件模拟三者之间的关系 。利用 QSSPCD测试 non2diffused和 diffused硅片沉积双面氮化硅膜的少子寿命及其经过烧结后的少子寿命 ,并对其分析 。2 结果及分析2. 1 背面复合速度 、 硅片厚度对电池效率的影响图 1显示了在前表面复合速度一定的情况下 ,当硅片很薄的时候 ,电池效率会随着背表面的复合速度下降而上升 。图 1 背表面复合速度和硅片厚度对太阳能电池效率的影响2. 2 氢化的不同厚度的氮化硅膜的背面钝化作用我们采用少子寿命来说明氮化硅对单晶 cz片的背面钝化效果 ,在沉积氮化硅膜之前 ,硅片必须经过比较好的清洗和制绒 。对 non2diffused和diffused硅片测试初始的少子寿命之后 ,沉积不同膜厚的氮化硅薄膜 ,初始的少子寿命分别在 2μ s和 12μ s左右 ,沉积单层膜之后 , non2diffused硅片少子寿命上升 ,而 diffused硅片有所下降 ,在 8μ s左右 ,对他们背面再进行氮化硅的沉积之后 ,少子寿命都有大幅度的上升 。经过烧结之后 , non2dif2fused下降的很厉害 ,而 diffused出现相反的情况 。图 2 non2diffused 硅片沉积不同厚度的双面氮化硅烧结前后的平均少子寿命从图 2可以看出 ,对背表面进行氮化硅膜沉积之后 ,少子寿命与单层膜相比有了很大的提高 。在膜厚 17 nm 的时候 ,少子寿命相对于其他的膜厚来说 ,有一个下降的趋势 ,这可能是因为 1 在氮化硅沉积的时候 ,氢原子对其表面悬挂键饱和不够 ,文献 [ 5 ]显示当膜太薄的时候 ,用 FTIR傅立叶红外光谱仪 测试 , SI2H 和 N 2H 弯曲振动峰微弱几乎看不见 ,说明此时的氢含量很少 ,对表面态氢钝化效果不是很好 ; 2薄的氮化硅界面正电荷密度较低 [ 7 ] ,场效应钝化相对较差 。经过烧结之后 ,少子寿命下降很多 ,一方面 Qf 固定正电荷密度 经过烧结之后 [ 4 ]稍微下降 ,另一方面 ,经过烧结之后 , SI2H 和 N2H 键在 SIN 2SI表面断裂 ,形成氢气溢出 ,导致少子寿命下降很大 。图 3 中显示 , diffused硅片沉积双面氮化硅 ,在 17 nm左右的时候 ,钝化效果有所下降 。烧结前后 ,与单层膜相比 ,少子寿命都有了很大的提升 。 我们认为在 diffused硅片已经有一个发射极的过程 ,当沉积单层膜的时候 ,在沉积的过程中产生的电场直接作用在扩散面上 ,对表面产生了离新能源及工艺 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net- νυ -图 3 diffused 硅片沉积不同厚度的双面氮化硅烧结前后的平均少子寿命子损伤 ,导致少子寿命下降 ;而沉积背面氮化硅后 ,虽然也会带来离子损伤 ,但是氮化硅中的氢原子直接作用在背表面 ,很好钝化背表面的表面态和悬挂键 ,使少子寿命上升 。 经过烧结之后 ,少子寿命进一步的提升 ,这可能是因为 diffused硅片与 non2diffused硅片相比 ,产生了新的物质 ,在氮化硅和硅之间有一个缓冲层 [ 1 - 2 ] ,经过烧结之后 ,SI2H和 N 2H断裂后的氢不容易形成氢气溢出 ,不仅有表面钝化作用 ,而且氢原子也会扩散到体内 ,进行体内钝化 ,少子寿命进一步提升 。3 结 论利用 PC1D软件模拟背面复合速度 、 硅片厚度与电池效率的关系 ,模拟显示较好的背面钝化效果不仅可以减少成本而且可以提高效率 。 采用PECVD方法沉积不同膜厚的双面氮化硅薄膜 ,通过 QSSPCD测试少子寿命 ,研究不同膜厚对硅片的背面钝化效果 ,研究发现在 17 nm左右的时候 ,钝化效果有所下降 ,在高于 26 nm 之后 ,钝化效果基本相同 。 扩散前的硅片烧结前少子寿命上升很多 ,经过烧结之后 ,少子寿命下降的很多 ,而经过扩散的硅片在烧结前后的少子寿命都有所提高 。在进一步研究当中 ,背面钝化介质膜 ,可以选择比较薄的氮化硅厚度 ,以便形成较好的背面接触 ,尽量降低由填充因子所带来的效率损失 。参考文献 [ 1 ] 阙端麟 . 硅材料科学与技术 [M ]. 杭州 浙江大学出版社 , 2000.[ 2 ] 管绍茂 ,王 迅 . 半导体表面钝化技术及应用 [M ].北京 国防工业出版社 , 1981.[ 3 ] ZHAO J, WANG A, GREEN M A. 24. 5 efficiencysilicon PERT cells on MCZ substrates and 24. 7 effi2ciency PERL cells on FZ substrate[ J ]. 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