■ 葛劍 陸紅艷 喬琦 席曦 陳麗萍 錢(qián)洪強(qiáng) 陳如龍 李果華

(1.江南大學(xué)；2.尚德電力控股有限公司)

0 引言

半導(dǎo)體器件問(wèn)世以來(lái)，表面問(wèn)題一直是重要的研究課題。任何一種實(shí)用的半導(dǎo)體都有其表面，晶格在表面突然中止，在表面最外層的每個(gè)硅原子將有未配對(duì)的電子，即有未飽和鍵，這個(gè)鍵稱作懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)稱為表面態(tài)[1]。這些表面態(tài)是半導(dǎo)體硅表面禁帶中一些分立的或連續(xù)的電子能態(tài)(即能級(jí))，對(duì)外界氣氛極度敏感。表面態(tài)是有效的復(fù)合中心，能與光生少數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，即表面復(fù)合。表面復(fù)合降低了p-n結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的收集率，從而嚴(yán)重影響半導(dǎo)體的特性[2]。具有淺結(jié)特性的太陽(yáng)電池，表面問(wèn)題尤為重要，表面特性不僅影響電池的穩(wěn)定性，而且表面載流子的復(fù)合會(huì)極大影響電池的電流、電壓和效率。

隨著太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展，良好的表面鈍化成為制備高效電池必不可少的條件。人們?cè)赟RH理論基礎(chǔ)上發(fā)展出了表面鈍化理論，該理論指出：表面鈍化通過(guò)飽和半導(dǎo)體表面處的懸掛鍵，可降低界面態(tài)密度；同時(shí)鈍化膜的存在避免了雜質(zhì)在表面層的引入，而形成復(fù)合中心，降低了表面活性，以此來(lái)降低少數(shù)載流子的表面復(fù)合速率，提高少子壽命；另外鈍化膜中的固定電荷能使半導(dǎo)體表面反型或堆積，形成表面結(jié)，阻止少數(shù)載流子流向表面，減小表面復(fù)合的損失，從而提高表面光生載流子的收集率。對(duì)于多晶硅，因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷(空位、填隙原子，金屬雜質(zhì)、氧、氮及它們的復(fù)合物)，對(duì)材料體內(nèi)缺陷的鈍化也十分重要，可通過(guò)表面鈍化的后續(xù)處理工藝(如退火、H鈍化)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。目前業(yè)界較為通用的背面鈍化方式為SiOx或AlOx與SiNx的疊層結(jié)構(gòu)。

背面鈍化結(jié)構(gòu)在高效電池開(kāi)發(fā)中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，業(yè)界也在不斷探索將此技術(shù)轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)的途徑?？紤]到成本與性價(jià)比的因素，在鈍化膜選擇性開(kāi)窗的基礎(chǔ)上，使用成本較低的專用鋁漿進(jìn)行背面金屬化是大規(guī)模量產(chǎn)背鈍化電池較適合的工藝路線。

背面使用鋁漿進(jìn)行金屬化的挑戰(zhàn)在于鋁漿本身對(duì)鈍化膜會(huì)產(chǎn)生侵蝕作用，背鈍化膜的制備工藝需與金屬化過(guò)程相匹配[4]。

本文將針對(duì)金屬化過(guò)程對(duì)鈍化膜的侵蝕影響，從鈍化膜折射率的角度分析鈍化膜的抗侵蝕能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，給出在背面金屬化侵蝕環(huán)境下較為適合的鈍化膜條件。

1 背面鈍化膜折射率研究

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)折射率對(duì)于背面鈍化膜抗侵蝕能力的影響，結(jié)合不同折射率電池鈍化效果的差異，得出折射率優(yōu)化區(qū)間。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案及電池片制備流程

1) 對(duì)原始多晶硅片先進(jìn)行去損傷層處理，以一定配比的HF與HNO3溶液作為腐蝕溶液，同時(shí)達(dá)到清洗硅片表面和形成絨面的目的；

2) 擴(kuò)散形成發(fā)射極，以POCl3作為磷源進(jìn)行擴(kuò)散；

3) 使用濕化學(xué)方法進(jìn)行背面與邊緣刻蝕，同時(shí)去除表面磷硅玻璃；

4) 利用PECVD進(jìn)行正面SiNx鍍膜和背面AlOx+SiNx鍍膜。基于背鈍化電池結(jié)構(gòu)，固定AlOx層參數(shù)，制備不同折射率SiNx，(SiH4:NH3)流量比分別以1:3及1:2兩個(gè)比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電池片制備；

5) 測(cè)試背面SiNx膜折射率，分別記錄高低折射率數(shù)值，以備實(shí)驗(yàn)分析；

6) 背面使用激光開(kāi)窗，印刷背鈍化用鋁漿，并進(jìn)行燒結(jié)；

7) 正面進(jìn)行電鍍工藝處理，完成正面金屬化；

8) 完成電性能測(cè)試，收集各參數(shù)數(shù)據(jù)以供分析。

9) 用HCl腐蝕背面鋁背場(chǎng)，觀察背面鈍化膜受侵蝕程度。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

SiH4:NH3不同流量比制備的實(shí)驗(yàn)電池片背面SiNx折射率分別為2.08(低)、2.27(高)。使用HCl腐蝕背場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)，低折射率背面SiNx的電池片鈍化層保留較完整，沒(méi)有明顯的侵蝕痕跡。而隨著折射率提升，侵蝕現(xiàn)象也更明顯，達(dá)到約2.27時(shí)，背面鈍化層幾乎未殘留。這說(shuō)明背鈍化鋁漿在金屬化過(guò)程仍會(huì)與鈍化層發(fā)生反應(yīng)，且反應(yīng)的激烈程度與折射率相關(guān)，折射率越低，反應(yīng)程度越微弱，抵御鋁漿侵蝕的能力也越強(qiáng)。這主要是因?yàn)楦哒凵渎实拟g化膜，硅含量也會(huì)相應(yīng)提高，而富硅鈍化層更易于鋁漿發(fā)生反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)電池片電性能測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，進(jìn)一步佐證了高折射率SiNx膜被鋁漿侵蝕后，給電性能帶來(lái)的負(fù)面影響。

表1 不同背面折射率抵御鋁漿侵蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在鈍化膜被侵蝕的情況下，高折射率實(shí)驗(yàn)組的開(kāi)壓、電流都出現(xiàn)明顯下降。雖然鋁硅的接觸更好，填充因子提高，但最終轉(zhuǎn)換效率仍大幅度降低。所以從抵抗鋁漿金屬化過(guò)程侵蝕的角度，低折射率是更好的選擇。

1.3 進(jìn)一步結(jié)合鈍化表現(xiàn)確定折射率選擇

明確SiNx膜與鋁漿反應(yīng)的特性后，需進(jìn)一步確認(rèn)后續(xù)折射率范圍。在不會(huì)被鋁漿明顯侵蝕的前提下，SiNx膜折射率選擇需對(duì)比三大方向：1)選擇較高折射率；2) 選擇低折射率；3) SiNx采用雙層疊層方式，靠近AlOx界面選用高折射率，靠近金屬化鋁漿層面選用低折射率。

首先進(jìn)行理論模擬，3種方式的反射率情況如圖1所示。

圖1 背面SiNx模擬

由圖1模擬結(jié)果推測(cè)，在現(xiàn)有SiNx制備設(shè)備工藝區(qū)間內(nèi)，低折射率SiNx的背反射效果會(huì)更好，優(yōu)于高折射率及雙層膜。

基于理論模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不同背面折射率電性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。不同折射率FTIR分析如圖2所示。

表2 不同背面折射率電性能對(duì)比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同折射率FTIR分析(傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析)

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論模擬可知，AlOx/SiNxPERC結(jié)構(gòu)電池，硅與SiNx間存在一個(gè)納米級(jí)的AlOx層，因AlOx與硅片界面的H含量并不因加入SiNx疊層而增多，所以SiNx起到的表面鈍化作用極其有限，所以不需太多H，即SiNx不需高折射率。

AlOx/SiNx-PERC結(jié)構(gòu)，不僅可通過(guò)表面鈍化提高電性能，體鈍化效果同樣非常重要。而Si-N鍵密度越高，阻擋AlOx中H向外逸出的效果越明顯，H向Si層擴(kuò)散的效率越高，這樣就可實(shí)現(xiàn)更好的體鈍化。因此需更多的Si-N鍵，低折射率的SiNx正好符合這一要求。

低折射率的SiNx各鍵的結(jié)合能都比高折射率的大，所以低折射率的SiNx的熱穩(wěn)定性較好，更加耐受后續(xù)燒結(jié)的高溫過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，高折射率的SiNx由于富硅會(huì)被Al漿反應(yīng)掉，腐蝕去掉背Al后看不到明顯的SiNx存在就反映了這一點(diǎn)，低折射率的SiNx耐受Al漿侵蝕能力較強(qiáng)。

模擬結(jié)果表明，對(duì)于背鈍化層150～180 nm的厚度，低折射率的SiNx的背反射率較高。

此外，低折射率需要的SiH4少，所以SiH4耗量減少，由此產(chǎn)生的硅粉隨之減少，可略降低材料成本和維護(hù)成本。

由此可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備工藝范圍內(nèi)，較低折射率(約2.0)更匹配PERC結(jié)構(gòu)的整體需求。

2 背面鈍化膜膜厚研究

在折射率確定后，膜厚的評(píng)估同樣需綜合考慮抵御金屬化過(guò)程侵蝕的能力以及電性能表現(xiàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案及電池片制備流程

1) 對(duì)原始多晶硅片先進(jìn)行去損傷層處理，以一定配比的HF與HNO3溶液作為腐蝕溶液，同時(shí)達(dá)到清洗硅片表面和形成絨面的目的；

2) 擴(kuò)散形成發(fā)射極，以POCl3作為磷源進(jìn)行擴(kuò)散；

3) 用濕化學(xué)方法進(jìn)行背面與邊緣刻蝕，同時(shí)去除表面磷硅玻璃；

4) 利用PECVD進(jìn)行正面SiNx鍍膜和背面AlOx+SiNx鍍膜。基于背鈍化電池結(jié)構(gòu)，制備不同厚度鈍化層，AlOx固定為30 nm，SiNx分為110 nm、150 nm、220 nm、260 nm 4個(gè)檔次；

5) 使用WT2000進(jìn)行擴(kuò)散長(zhǎng)度測(cè)試，收集不同膜厚擴(kuò)散長(zhǎng)度數(shù)據(jù)；

6) 背面在不進(jìn)行開(kāi)窗的情況下，印刷背鈍化用鋁漿，并進(jìn)行燒結(jié)；

7) 正面進(jìn)行電鍍工藝處理，完成正面金屬化；

8) 完成電性能測(cè)試，收集各參數(shù)數(shù)據(jù)以供分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

不同厚度鈍化層抵御鋁漿侵蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著背SiNx減薄，Voc和Isc增大，Rs減小，F(xiàn)F增大，Irev2增大，說(shuō)明Al漿更易穿透薄的SiNx。

表3 不同厚度鈍化層抵御鋁漿侵蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)綜合評(píng)估金屬化過(guò)程對(duì)于鈍化膜的需求以及電性能表現(xiàn)，確定了SiNx膜的折射率與膜厚的目標(biāo)范圍。

3 結(jié)論

背鈍化結(jié)構(gòu)作為高效太陽(yáng)電池開(kāi)發(fā)的主流方向，使用專用鋁漿進(jìn)行背面金屬化成本較低、量產(chǎn)可行性較高。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上綜合評(píng)估鈍化膜對(duì)金屬化過(guò)程的侵蝕抵御能力以及電性能表現(xiàn)、優(yōu)化折射率。通過(guò)理論模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在目前主流PECVD設(shè)備的工藝范圍內(nèi)(最低穩(wěn)定折射率約為2.0)，低折射率鈍化膜的抗腐蝕能力及鈍化效果更強(qiáng)。在約2.0折射率膜基礎(chǔ)上，150 nm以上厚度的鈍化膜可具備對(duì)鋁漿更好的抗侵蝕能力。

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