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N 型太阳能电池叠层膜钝化技术研究 郎芳 王子谦 张伟 李锋 史金超 光伏材料与技术国家重点实验室 英利能源（中国）有限公司 摘要：本文从提升 N 型太阳能电池表面钝化入手，分析了单层膜 SiNx、双层膜 SiNx/SiOx 或 SiNx/AlOx 及三层膜 SiNx/ AlOx /SiOx 对 N 型太阳能电池表面钝化的不同作用。实验结果表明， SiNx/AlOx/SiOx 三层膜可以实现对 N 型太阳能电池硼发射极表面的优异钝化。在烧结过程中， 氢从 SiNx 扩散到 SiOx/Si 界面提供了极好的化学钝化。p+型表面达到更好的表面钝化是通过 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜提供的场效应钝化和化学钝化共同作用的结果。 关键词：表面钝化膜；SiN x/ AlOx /SiOx；N 型太阳能电池 通讯作者：郎芳 研究方向：N 型高效太阳能电池技术 Email：fang.lang@yingli.com 1. 研究背景 目前，N 型硅材料正日益受到光伏产业和科学界的关注。一些优点使得它更适合于高效率 太阳能电池的制造 [1]。首先，N 型材料对常见的金属污染物（如 Fe）具有更大的耐受性，这对 少数载流子寿命有明显的影响。与具有类似杂质浓度的 P 型 C-Si 衬底相比，这种优势可能导致 更高的少数载流子扩散长度。此外，N 型材料不受硼氧缺陷的影响，这对于 P 型 C-Si 沉底的太 阳能电池极易产生光诱导衰减。 [2,3] 晶体硅光伏行业的发展趋势是要制造出更薄、更高效的电池片。当硅片厚度小于少数载流 子的扩散长度时，电池表面的复合速率对效率的影响就显得非常重要 [4]。随着硅片厚度的减薄， 硅片的表面复合越来越重要，因此更需要开发更优异的表面钝化方法。通过改善表面钝化的质 量来降低表面复合速率已经成为提高电池效率的主要手段之一。 通过 AlOx 膜层钝化 N 型太阳能电池的 p+发射极表面已经引起了光伏界的极大兴趣。采用 ALD、PECVD、溅射等技术制备的钝化 AlOx 层，可以获得高水平的表面钝化。本文介绍了用 Al2O3 钝化 p+发射极表面的 N 型太阳电池的一些实验进展。我们发现 Al2O3 层的钝化效率随着 薄 SiO2 中间层的增加而增强。在 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜上钝化的电池性能最优。 2. 研究结果与讨论 本实验采用 156×156mm 的 N 型硅片，电阻率 1-3Ω·cm，厚度为 200μm。实验过程全部采 用英利 N 型电池量产设备。 2.1 实验过程 硅片首先碱制绒，形成双面织构化金字塔结构。随后通过 POCl3 源扩散形成方块电阻为 30Ω/sq 的背面场。接着通过 BBr3 源扩散形成方块电阻为 60Ω/sq 的发射极。在 HF 溶液中浸泡 以去除硼硅玻璃和磷硅玻璃。之后将硅片随机分为四组：A 、B 、C 和 D 组，B 组和 D 组在硝 酸水溶液中进行清洗，在硅片的上下表面制备薄 SiOx 钝化层，膜层厚度约 1nm。C 组和 D 组在 180℃接受热 ALD 工艺，形成薄的 AlOx 钝化层，膜层厚度约 5nm。此后，通过 PECVD 工艺在 所有这些硅片上沉积相同的 SiNx 减反射膜，膜层厚度约 80nm。在不同组的硅片发射极的表面 上形成不同的钝化层，见表 1。通过丝网印刷方法形成金属接触，并选取温度为 750℃的烧结条 件下完成太阳能电池工艺。实验同时制备 a、b、c、d 四组不同膜层在硅片上下表面成膜形成的 双面对称结构，即 p+/n/p+结构进行后续分析测试。 2.2 实验结果 根据上述过程制成太阳电池，在标准测试条件下测试结果见表 2。只采用 SiNx 作为钝化层， 电池效率非常低，主要表现为开路电压和短路电流非常低。采用双层膜堆叠钝化，无论是 SiNx/SiOx 或是 SiNx/AlOx 堆叠，两组得到较为一致的电池结果。两组的开路电压、短路电流参 数也非常接近，因此可以判断出两种堆叠膜层在 N 型太阳能电池表面的钝化性能相当。SiN x/ AlOx /SiOx 三层膜堆叠钝化得到最高的太阳电池转换效率，其开路电压和短路电流较 A、B、C 组均有明显的提升，达到了最好的表面钝化效果。 表 1. 不同分组的硅片表面钝化膜层. 太阳电池分组 p+/n/p+器件 钝化膜层 A a SiNx B b SiNx/SiOx C c SiNx/AlOx D d SiNx/AlOx /SiOx 表 2. 不同钝化膜层的太阳电池参数中间值(AM1.5G, 100 mW/cm 2, 25℃). 太阳电池分组 钝化膜层 Uoc(V) Isc(A/cm2) FF(%) Efficiency(%） 膜层厚度 （nm ） A SiNx 0.623 37.29 78.93 18.34 80 B SiNx/SiOx 0.651 39.07 80.84 20.57 80/1 C SiNx/AlOx 0.651 39.05 80.82 20.54 80/5 D SiNx/AlOx /SiOx 0.654 39.53 80.35 20.78 80/5/1 2.3 测试表征与讨论 对 a、b、c、d 四组覆盖了不同钝化层的 p+/n/p+双面对称结构进行分析测试。通过测量这 些样品的有效寿命，我们可以进一步了解不同膜层之间的差异。图 1 显示了不同钝化膜层下测 量的这些样品的有效寿命，样品在烧结前后分别进行测量。 图 1. 样品的有效寿命（样品在烧结前后分别进行测量）。 由图 1 可见对于单层 SiNx 的样品，其有效寿命非常低，并且在烧结前后几乎相同，表明 SiNx 对 P+型表面钝化的影响非常有限。具有 SiNx/SiOx 双层膜的样品，烧结前与 SiNx 样品具有 相同的有效寿命，但烧结后其寿命提高了近十倍，这主要是由于 SiNx 和 SiOx 的联合作用， SiNx 层是氢的储层，含氢原子扩散到 SiOx/Si 界面并钝化悬挂键，通常称为化学钝化。在 SiNx/AlOx 堆叠钝化样品的情况下，烧结前的有效寿命比 SiOx/SiNx 堆叠钝化的样品高约 2 倍， 这可能是由于在 AlOx 层的沉积过程中存在的固定负电荷，导致场效应钝化，烧结后其有效寿命 大幅增加。最高有效寿命来自于 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜样品。该样品在烧结前就具有较高水平 的表面钝化，此时的寿命几乎等于 SiNx/AlOx 烧结后的样品，这意味着 SiOx 中间层增强了钝化 效应，大大降低了界面缺陷密度，烧结后钝化效果大大提高。 3. 结论 实验结果表明，SiN x/AlOx/SiOx 三层膜可以实现对 N 型太阳能电池硼发射极表面的优异钝 化。在烧结过程中，氢从 SiNx 扩散到 SiOx/Si 界面提供了极好的化学钝化。p+ 型表面达到更好 的表面钝化是通过 SiNx/AlOx/SiOx 三层膜提供的场效应钝化和化学钝化共同作用的结果。 参考文献 [1] Jan Benick, Oliver Schultz-Wittmann, Jonas Schön, and Stefan W. Glunz, “Surface passivation schemes for high-efficiency n-type Si solar cells,“ physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 2 (4), 145-147 (2008). [2] Manabu Itsumi, Yoshiyuki Sato, Kazuo Imai, and Norikuni Yabumoto, “Characterization of metallic impurities in Si using a recombination-lifetime correlation method,“ Journal of Applied Physics 82 (7), 3250-3255 (1997). [3] Daniel Macdonald and L. J. Geerligs, “Recombination activity of interstitial iron and other transition metal point defects in p- and n-type crystalline silicon,“ Applied Physics Letters 85 (18), 4061-4063 (2004). [4] ABERLE A G. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: a review [J]. Progress in Photovoltaics, 2000,8(5):473-487.