氮化硅薄膜对硅片背表面的钝化作用-周国华-江南大学.pdf

- m} - 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 2 (1.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 - 03 S ilcon n itr ide for backside pa ssiva tion of silicon wafer ZHOU Guo2hua1 , SH I Zheng2rong2, 3 , ZHU Tuo2 (1. School of Communications 2. School of Sciences, J iangnan 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 p repared on P type Cz silicon wafer by PECVD . The research on rear surface passivation effect of the non2diffused and diffused covered on both sides with different thickness sin film s and the lifetime varied after firing. It was found through QSSPCD that when the sin film were less than 17 nm and exceeded 26 nm, the rear surface passivation effect reduced and kep t accord, respectively. The lifetime of non2diffused reduced in the different thickness film condition after firing, but the lifetime of diffused imp roved before and after firing. The results above indicated that it was beneficial to imp rove material lifetime by using sin as passivation film s which could be chosen between 26～ 75 nm. Key words: rear surface passivation; sin film; lifetime 0 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 180μ 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 能 源 工 程 2008年 ,第 1期 - m~ - 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 。 HUKBNER[ 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 , non2dif2 fused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 N2H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 SIN2SI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 - nu - 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 N2H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% efficiency silicon PERT cells on MCZ substrates and 24. 7% effi2 ciency PERL cells on FZ substrate [ J ]. Prog Photo2 volt. 1999 (7) : 471 - 474. [ 4 ] Industrial rear sin2passivation multicrstalline silicon so2 lar cells[ C ] / / the 2006 IEEE4 thWorld conference on photovoltaic energy conversion, 2006: 7 - 12. [ 5 ] 王 晓 泉 . PECVD淀 积 氮 化 硅 薄 膜 性 质 研 究 [ J ]. 太 阳 能 学 报 , 2004, 25 (3) : 341 - 344. [ 6 ] HUKBNER, ABERLE A G. HEZEL R. Proceeding of the 14th european photovoltaic solar energy conference, barclona[ C ] / /Stephens, Bedford, 1997, 92. [ 7 ] ARM IN G. Aberle cristalline silicon solar cells ad2 vanced surface passivation and analysis[M ]. Printed by bloxham and chambers p ty L td, 1 Leeds Street, Rhodes NSW 2138, Austrlia. □ □ □ □ □ 报 道 英 国 确 定 新 的 生 物 燃 料 目 标 英 国 将 加 快 发 展 生 物 燃 料 以 减 少 温 室 气 体 排 放 。 英 国 已 确 定 ,交 通 燃 料 到 2010年 将 有 5%由 可 再 生 燃 料 供 应 。 与 化 石 燃 料 相 比 ,英 国 使 用 生 物 燃 料 将 可 减 少 53%的 温 室 气 体 排 放 ,英 国 使 用 小 麦 生 产 生 物 丁 醇 将 可 减 少 64%的 温 室 气 体 排 放 。 ■ 本 刊 新 能 源 及 工 艺