太阳电池背表面钝化-王文静-中科院电工研究所.pdf

太阳电池背表面钝化 王文静 中科院电工研究所 为什么背表面钝化越来越重要 各种钝化技术的结果 各种钝化技术与裸硅片及 100% 金属化表面的饱和 电流 裸硅片的钝化与金属表面的钝化同样重要 太阳电池表面钝化 (Surface passivation) • N 型前表面钝化（P 型衬底） • P 型背表面钝化（P 型衬底） • P 型前表面钝化（N 型衬底） • N 型背表面钝化（N 型衬底） SiNx or SiO 2 Al 2 O 3 or SiO 2 P-Si N-Si N + （磷） P + （硼） P + （Al BSF ） N + （磷 BSF） SiN 膜 Ag 电极 Al 背电极 Al/Ag 电极 SiN 膜 Ag 电极 Al 2 O 3 膜 Al 2 O 3 膜 Al 2 O 3 膜结构(Al 2 O 3 structure) 6.4eV Al 2 O 3 1.1eV Q f 2nm Q it 5nm X X X X X X X X - - - - - - AlO x Al 2 O 3 界面电荷D it 1x10 11 cm -2 固定电荷Q f - 2-3x10 12 ( 热ALD) - 5-6x10 12 (PE-ALD) Al 2 O 3 薄膜的退火特性 改变长钝化特性 Q f 的提高将大大降 低表面复合速率S eff B. Hoex, et. Al. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 104, 113703 (2008) G. Dingemans Proceedings of the 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain (2010). 退火改变化学钝化 特性 在高阻硅片双面制备30nmAl 2 O 3 层。 图中显示了退火前后红外吸收谱以 及其产别。并在图中标示出了Al–O, Si–O, C–H, O–H, 和Si–H 键。 图中Si-O和Al-O键的增加可以理解为： 在TEM 谱中界面氧化层厚度发生的变 化是由于结构发生变化，而不是在其 下面的硅表面附加上新的氧化层。而 Si-O键与表面电荷有关，因此Si-O键的 变化改变了界面处的电荷。在红外谱 中同时发现H-O键的减少，这正好与Si- O和Al-O键的增加相匹配。而多余出的 H 钝化了表面的Si 悬挂键，所以发现Si- H 键增加。 B. Hoex, J. J. H. Gielis, M. C. M. van de Sanden, and W. M. M. Kessels, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 104, 113703 (2008) 表面电荷的作用区域 2Ωcm p-type Si(100) passivated on both sides with plasmaassistedcALD Al 2 O 3 电镜观察有1.5nm 的SiOx 层 电荷主要存在于5nm之内 N. M. Terlinden，et. Al., APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 112101 2010 B. Hoex, et. Al. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 104, 113703 (2008) 各种条件制备的Al 2 O 3 膜的电荷 特性 Source: Dingemans et al., ESSL 14, H1 (2011) Al 2 O 3 表面负电荷的来源 两种来源：  处于四面体构型的AlO 4 - 单元——负电荷  处于八面体构型的Al 3+ 单元中——正电荷  在薄膜体内两者以3:1 的 比例 存在 ，以保持 整个 薄膜电中 性 。  在c-Si 表面用ALD 法生长的无 氧化层Al 2 O 3 膜包含四 面体和 八面体 两种 构型的Al 。  在有SiOx 中间层的样品上生长 的Al 2 O 3 膜以四 面体结 构为主 （负电 荷），这主要是因为在SiOx层中 的Si 原子是 四面体 结构。 因此，SiOx 促进了形成与之接近的Al 2 O 3 膜层 中形成 过剩的 四面体 构型的AlO 4 - 单 元，而这使得负电荷超过 正电荷 。 不同衬底上的Al 2 O 3 膜的少子寿命随 注入 水平的 变化 由于Al 2 O 3 具有负电荷，因此对于p-Si 的少子寿命不随注入水平变化；而对于n-Si 衬 底，由于反型层的出现，使得少子寿命随注入水平降低而降低。 最大少子寿命6ms （S eff 2cm/s ） 7nm 膜的S eff 4cm/s 少子寿命达到3ms （S eff 5cm/s ） Source: Hoex et al., JAP 104, 044903 (2008) Source: Hoex et al., APL 89, 041202 (2006) 轻 掺杂n-Si表面镀膜 Source: Hoex et al., Phys. Status Solidi – RRL (2011, in press) Passivation layer n-type emitter n-type emitter Passivation layer P-Si  SiO 2 有明显的钝化在高阻 时效果不明显  SiNx 的钝化效果次之  Al 2 O 3 膜对于n 型发射区也 具有较好的钝化作用，出 了在较大的方阻时。 重掺杂p-Si表面镀膜 Source: Hoex et al., APL 91, 112107 (2007)  Al 2 O 3 膜对于p 型发射区具 有更好的钝化作用  使用a-Si:H 和SiO 2 钝化在高 阻时效果不明显  SiNx 对此体系没有明显的 钝化效果 P-Si 的钝化 Source: 1 Dauwe et al., 29th IEEE PVSEC, 2002, p. 1246, 2 Kerr et al., SST 17, 166 (2002), 3 Kerr et al., SST 17, 35 (2002) 原子 层 沉积设备 ALD的工艺流程 实验室设备ALD工艺流 程 1. ALD技术简介  按照反应活性基团能量来源，ALD可以分 为热激 发ALD (Thermal ALD) 和自由基辅助ALD。 按照自由基的来源又可以分为等离子 体增强 原子层 沉积（PE-ALD）及 其他形 式的自 由基产 生方 式（如紫外激发产生自由基）。根据Plasma 的产生方 式，又 可以分 为电感 耦合等 离子体 增强 ALD(ICP-ALD) 、电容耦合等离子体增强ALD(CCP-ALD) 及 微波等 离子体 增强ALD（MWP-ALD ）。 1.3 ALD类型 ALD 热ALD 基元-ALD PE-ALD 其他-ALD MW-ALD ICP-ALD CCP-ALD 真空热-ALD 常压热-ALD SolarTech Beneq，Picosun Roth 10:271–278 (DOI: 10.1002/pip.420) 在P型硅上的寄生漏电的计 算 D.A. Clugston and P .A. Basore. Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anaheim, pp. 207–210, 1997. Dipl.-Phys. Stefan Dauwe 博士 论文(2004) ：Vom Fachbereich Physik der Universit: Low-Temperature Surface Passivation of Crystalline Silicon and its Application to the Rear Side of Solar Cells Dielectric P-type Si F 当能带弯曲超过禁带中线时产生 反型 P 型 硅表面覆盖 SiNx ： 按照计算绘出的曲 线，在这里不考虑 外电场的作用，也 不考虑界面电荷 D it 。此时： Q sc = - Q f 。 对 于负表 面电 荷Q f 0 ，此 时表 面 处于“ 积累 型 ”，随 着Q sc 的 增加， 表面 势 只是稍 有增 加。 对 于正表 面电荷Q f 0 ， 则Q sc 0 ， 表面处于 “ 耗尽型 ”。表面 势 随 着电荷 量有较大 的 变 化，这 是由于P-Si 少 子较少 ，要想得 到 较 多的表 面平衡电 荷 就的 使表 面能带更 弯 曲。 在 Ψs= Ψ B 时 出现反 型 ，当Ψs=2 Ψ B 时 出 现强反 型，一旦 出 现强反 型，表面 势 随电荷 的变化出 现 饱和。 P-Si N + （磷） P + （Al BSF ） SiN 膜 Ag 电极 Al 背电极 Al 2 O 3 膜 P-Si N + （磷） P + （Al BSF ） SiN 膜 Ag 电极 Al 背电极 SiO 2 膜 √ P-Si N + （磷） P + （Al BSF ） SiN 膜 Ag 电极 Al 背电极 SiNx 膜 X P-Si N + （磷） P + （Al BSF ） SiN 膜 Ag 电极 Al 背电极 SiO 2 膜 SiN x 膜 √ √ Rena Baniq R&R CT 结论  P 型硅片的前表面钝化技术已 经趋于 成熟， 但是随 着发射 区方阻 的提 高，对于前表面钝化的要 求于越 来越高 。  即便如此，由于封装材料 对紫外 光的吸 收，使 得前表 面的改 进已经 趋 于极限。  对于后表面的钝化需要钝 化膜中 含有负 的固定 电荷以 增强场 钝化， Al 2 O 3 膜作为一种很好的候选材料 。但是 其在进 入太阳 电池的 大规模 产 业化技术前要解决一系列 工艺问 题。  或许SiO 2 /SiNx膜也是一种很好的 选择 谢 谢