背表面氮化硅薄膜与氧化铝薄膜制备工艺对 单晶硅双面太阳电池EL的影响

张福庆，王贵梅，张军杰，李文涛，李 景

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

为了进一步提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，研究人员针对单晶硅太阳电池背表面钝化情况展开了研究。钝化的目的是为了尽量减少单晶硅片表面陷阱所引起的非平衡载流子的复合[1]，通常是在单晶硅片背表面制备1层钝化膜，即氧化铝薄膜与氮化硅薄膜，依靠氧化铝薄膜与氮化硅薄膜中的各种原子与半导体表面的悬挂键结合，从而降低单晶硅片表面陷阱对载流子寿命的影响。

管式PECVD设备的背面钝化工艺主要分为升温、高温退火、抽真空、氮化硅沉积、清洗这5个步骤。其中，升温步骤主要是通过电阻丝对设备的炉管进行加热，当加热至设定温度后进行高温退火。在采用原子层沉积(ALD)设备与管式PECVD设备制备单晶硅双面太阳电池背表面钝化膜的过程中，管式PECVD设备的退火工艺对单晶硅双面太阳电池的电致发光(EL)有较大影响。本文通过在ALD设备镀制氧化铝薄膜厚度保持不变的情况下，改变管式PECVD设备的退火温度或退火时间，以及在管式PECVD设备采用相同退火工艺条件下改变氧化铝薄膜的厚度，对背表面氧化铝薄膜与氮化硅薄膜制备工艺对单晶硅双面太阳电池EL的影响进行了研究。

1 EL的基本原理

EL的基本原理为：向单晶硅太阳电池施加正向偏置电压，在p区加正电压、在n区加负电压，正向电压的电场与p-n结内自建电场的方向恰好相反，从而削弱了p-n结内自建电场对晶体硅中电子扩散运动所产生的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下通过p-n结向p区扩散；当结区内同时存在大量导带中的电子和价带中的空穴时，电子和空穴将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带中时，多余的能量会以光的形式释放出来[2]。当向单晶硅太阳电池施加正向电流时，单晶硅太阳电池类似于发光二极管，会发出一定的光，此时其光强除了与输入电流成正比外，也和缺陷密度相关。通过单晶硅太阳电池的EL图像可以辨别制作电池的原料硅片是否存在瑕疵与工艺污染[3]。

2 实验仪器

本实验采用江苏微导纳米科技股份有限公司生产的三管ALD设备制备氧化铝薄膜，深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司生产的五管PD-450管式PECVD设备制备氮化硅薄膜；采用北京量拓科技有限公司生产的EMPro-PV椭偏仪测试氧化铝薄膜的厚度，采用PV-measurement公司生产的光谱测试仪QEX10进行量子效率测试，采用沛德光电科技(上海)有限公司生产的EL测试机对单晶硅双面太阳电池进行EL测试。

3 实验过程与结果分析

3.1 管式PECVD设备的退火温度对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响

实验采用ALD设备制备的氧化铝薄膜的厚度均为4 nm，在保证管式PECVD设备的退火时间为300 s这一条件不变的情况下，改变管式PECVD设备的退火温度，测试制备的单晶硅双面太阳电池的EL情况。根据现场工艺经验，实验共设置5种退火温度，以30 ℃为温度间隔依次增加。具体的不同退火温度时的实验条件如表1所示。

表1 不同退火温度时的实验条件Table 1 Experimental conditions with different annealing temperatures

根据上述实验条件，分别在单晶硅片背表面镀制氮化硅薄膜，然后经过相同的开槽激光、丝网印刷、烧结工艺后，测试制备的单晶硅双面太阳电池的EL情况。不同实验条件下制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像如图1所示。

图1 其他条件保持不变的情况下，管式PECVD设备采用不同退火温度对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响Fig. 1 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing temperature in tubular PECVD equipment

由图1可以看出，在氧化铝薄膜的厚度均为4 nm的前提下，当管式PECVD设备的退火时间均为300 s时，管式PECVD设备的退火温度小于等于460 ℃时所制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像会出现大面积或边缘条状发黑的情况。

3.2 管式PECVD设备的退火时间对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响

实验采用ALD设备制备的氧化铝薄膜的厚度均为4 nm，在保证管式PECVD设备的退火温度为490 ℃这一条件不变的情况下，改变管式PECVD设备的退火时间，测试制备的单晶硅双面太阳电池的EL情况。根据现场工艺经验，实验共设置4种退火时间，以100 s为时间间隔依次增加。具体的不同退火时间时的实验条件如表2所示。

表2 不同退火时间时的实验条件Table 2 Experimental conditions with different annealing times

根据上述实验条件，分别在单晶硅片背表面镀制氮化硅薄膜，然后经过相同的开槽激光、丝网印刷、烧结工艺后，测试制备的单晶硅双面太阳电池的EL情况。不同实验条件下制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像如图2所示。

图2 其他条件保持不变的情况下，管式PECVD设备采用不同退火时间对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响Fig. 2 Other conditions remain unchanged，effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different annealing times in tubular PECVD equipment

由图2可以看出，在氧化铝薄膜的厚度均为4 nm的前提下，当管式PECVD设备的退火温度均为490 ℃时，管式PECVD设备的退火时间小于等于200 s时所制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像会出现大面积或边缘条状发黑的情况。

3.3 量子效率测试分析

对EL图像发黑的单晶硅双面太阳电池进行量子效率(QE)测试分析，具体结果如表3所示。

表3 EL图像发黑的单晶硅双面太阳电池的 QE测试分析结果Table 3 Analysis results of QE test of mono-Si bifacial solar cells blackened by EL image

由表3可知，经过QE测试后发现，EL图像发黑的单晶硅双面太阳电池在长波段(800～1100 nm)的QE值较低，在短波段(300～600 nm)的QE值较正常。短波段的QE值一般表征单晶硅片正表面的减反射和电子-空穴的复合情况，长波段的QE值一般表征单晶硅片背表面的减反射和电子-空穴的复合情况。QE测试结果与图1a、图2a的分析相吻合。分析后可知，EL图像发黑是由于单晶硅片背表面的钝化效果差，复合增加所导致的。

另外，文献[4]表明，随着管式PECVD设备退火温度的升高，所镀制的氧化铝薄膜的结晶质量变好。采用ALD设备制备的氧化铝薄膜中存在一定量的Al—OH键，经退火后Al—OH键转变成Al—O键，并释放出H原子[5]。在前文改变管式PECVD设备的退火温度和退火时间这2个实验中，退火温度较低或退火时间较短会导致单晶硅双面太阳电池出现EL图像发黑的情况，分析原因，是因为当管式PECVD设备的退火温度偏低或退火时间较短时，氧化铝薄膜中Al—OH键中的H原子不能有效释放并扩散到硅片表面，从而导致H原子不能与硅片表面的悬挂键结合钝化，导致硅片表面的界面态仍偏高，影响了单晶硅片背表面的钝化性能。同时，氧化铝薄膜中的有机杂质在一定温度下会被去除，在上述实验中，当管式PECVD设备的退火温度小于等于460 ℃时，氧化铝薄膜中的有机杂质去除不充分或未被去除。上述2种原因的共同作用会导致单晶硅双面太阳电池的EL图像发黑。

3.4 管式PECVD设备采用相同的正常退火工艺的情况下，不同氧化铝薄膜厚度对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响

实验通过在现场工艺窗口范围内改变ALD设备的循环次数，以0.5 nm为厚度间隔依次增加制备出4种不同厚度的氧化铝薄膜，且管式PECVD设备采用相同的正常退火工艺(即退火温度均为520 ℃、退火时间均为300 s)。具体的不同氧化铝薄膜厚度时的实验条件如表4所示。

表4 不同氧化铝薄膜厚度时的实验条件Table 4 Experimental conditions with different thickness of AlO film

根据上述实验条件，在硅片镀膜后均经过相同的开槽激光、丝网印刷、烧结工艺后，测试制备的单晶硅双面太阳电池的EL情况。不同实验条件下制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像如图3所示。

由图3可知，在管式PECVD设备的退火温度均为520℃、退火时间均为300 s的条件下，不同厚度的氧化铝薄膜制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像均正常，无发黑情况。分析原因，是因为在一定范围的氧化铝薄膜厚度下，管式PECVD设备采用正常退火工艺时，氧化铝薄膜中的H原子均能够完全释放，有机杂质也能够充分去除，从而使制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像均未出现发黑情况。

图3 管式PECVD设备的退火工艺保持不变的情况下，不同氧化铝薄膜厚度对单晶硅双面太阳电池EL图像的影响Fig. 3 Effect on EL image of mono-Si bifacial solar cells with different thickness of AlO film when annealing process of tubular PECVD equipment remains unchanged

4 结论

本文针对采用ALD设备与管式PECVD设备制备背表面钝化膜的过程中工艺参数的变化对单晶硅双面太阳电池EL的影响进行了研究，即在氧化铝薄膜厚度保持不变的条件下改变管式PECVD设备的退火温度或退火时间，以及在管式PECVD设备采用相同退火工艺的前提下改变氧化铝薄膜的厚度，最终得出以下结论：

1)在ALD设备镀制氧化铝薄膜厚度保持不变的情况下，管式PECVD设备的退火温度偏低会导致单晶硅双面太阳电池的EL图像出现大面积或边缘条状发黑的情况。本实验中，管式PECVD设备的退火温度小于等于460 ℃时，单晶硅双面太阳电池的EL图像出现了大面积或边缘条状发黑的现象。

2)在ALD设备镀制氧化铝薄膜厚度保持不变、管式PECVD设备的退火温度保持490 ℃不变的情况下，退火时间偏低会导致单晶硅双面太阳电池的EL图像出现大面积或边缘条状发黑的情况。本实验中，管式PECVD设备的退火时间小于等于200 s时，单晶硅双面太阳电池的EL图像出现了大面积或边缘条状发黑的现象。

3)在管式PECVD设备采用相同退火工艺的前提下，适当改变氧化铝薄膜的厚度，制备的单晶硅双面太阳电池的EL图像未出现发黑现象，即该条件的变化对单晶硅双面太阳电池的EL图像无影响。本实验中，在管式PECVD设备采用退火温度为520 ℃、退火时间为300 s的前提下，将氧化铝薄膜的厚度从3.0 nm增加至4.5 nm，制备得到的单晶硅双面太阳电池均未出现EL图像发黑的情况。

需要说明的是，在实际生产过程中，设备型号的区别和在线(Inline)控制标准的差异可能会使管式PECVD设备的退火工艺窗口范围不同，因此本文所述实验中得到的管式PECVD设备的退火温度、退火时间的窗口并不是最重要的。通过实验得到的是趋势和规律，针对采用ALD设备与管式PECVD设备制备单晶硅双面太阳电池背表面钝化膜，制定合理的氧化铝薄膜厚度及管式PECVD设备的退火温度与退火时间，可以有效避免单晶硅双面太阳电池EL不良现象的产生。