在眾多太陽電池中，晶硅電池因光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低，近年來發(fā)展迅速，其中高轉(zhuǎn)換效率的電池結(jié)構(gòu)如隧穿氧化鈍化接觸(TOPCon)和本征薄膜異質(zhì)結(jié)(HJT)等成為未來太陽電池的研究重點(diǎn)。
2013年，德國Fraunhofer太陽能研究所提出TOPCon電池的概念，近幾年來，在科學(xué)家的不斷努力下，TOPCon電池已經(jīng)成為最具發(fā)展前景的高效太陽電池之一。
TOPCon技術(shù)的關(guān)鍵在于超薄隧穿氧化硅層和摻雜多晶硅層的應(yīng)用。超薄隧穿氧化硅層能夠降低隧穿電阻并減少表面態(tài)，摻雜多晶硅層能夠提供背面場鈍化和優(yōu)異的接觸。
這種結(jié)構(gòu)提供了全面積的表面鈍化，超薄隧穿氧化硅層的隧穿效應(yīng)能實現(xiàn)電子的順利輸運(yùn)，摻雜多晶硅薄膜的存在使金屬電極不與硅襯底直接接觸從而實現(xiàn)優(yōu)異的接觸，以上優(yōu)勢能夠使開路電壓和填充因子得到有效提升。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，TOPCon電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，目前已經(jīng)達(dá)到25.8%，行業(yè)內(nèi)其平均光電轉(zhuǎn)換效率為23.6%~24%。
TOPCon結(jié)構(gòu)的核心為摻雜多晶硅層，如何提升多晶硅層的質(zhì)量成為進(jìn)一步提升TOPCon電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。
制備多晶硅薄膜的方法有低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法和常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)法，其中LPCVD制備多晶硅薄膜是在低壓氛圍下進(jìn)行，氣體環(huán)境更容易控制，反應(yīng)氣體的擴(kuò)散系數(shù)大，因此成膜質(zhì)量更好，成膜速度更快。
LPCVD制備多晶硅薄膜的過程如下：硅烷氣體通入爐管并保持穩(wěn)定壓力，硅烷分子擴(kuò)散至硅片表面;高溫環(huán)境下，硅烷分子分解，生成硅原子、氫原子等產(chǎn)物，硅原子在硅片表面沉積，并與硅晶體結(jié)合，而副產(chǎn)物通過真空泵排出設(shè)備。
TOPCon電池以n型硅片為襯底，清洗制絨后，前表面從內(nèi)至外依次為硼摻雜發(fā)射極、SiO2+AlOx鈍化層、具有減反鈍化作用的SiNx層和金屬電極，后表面從內(nèi)至外依次為隧穿SiOx層、磷摻雜多晶硅層、SiNx層和金屬電極，TOPCon電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖
按照圖2所示流程制備實驗樣品，采用面積252cm2、厚度170μm的n型硅片進(jìn)行樣品制備。
圖2 樣品制備流程
先在60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的KOH溶液中拋光，并進(jìn)行RCA清洗;再利用LPCVD設(shè)備雙面制備隧穿氧化硅層和多晶硅薄膜層;然后用管式擴(kuò)散爐在890℃高溫條件下進(jìn)行雙面磷擴(kuò)散，擴(kuò)散后使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HF清洗去除表面磷硅玻璃層;之后采用PECVD設(shè)備在硅片正、背面沉積具有減反和鈍化作用的氮化硅層;最后進(jìn)行退火。
為了研究生長工藝對多晶硅薄膜生長速率和鈍化性能的影響，分別采用不同的沉積溫度、硅烷體積流量和沉積時間來制備樣品，并測試多晶硅薄膜生長速率及鈍化性能。樣品結(jié)構(gòu)如圖3所示。
使用SE800橢偏儀測試多晶硅薄膜厚度，每片樣品測量25個點(diǎn)求平均值，并計算多晶硅薄膜生長速率;使用WCT120光電導(dǎo)少子壽命測試儀表征測試飽和電流密度和隱性開路電壓，并進(jìn)行分析。
多晶硅薄膜生長過程中，沉積溫度會對其生長速率產(chǎn)生明顯影響。為了研究沉積溫度對多晶硅薄膜沉積速率的影響，按圖2所示流程進(jìn)行樣品制備，樣品共分為四組。
不同沉積溫度下LPCVD制備多晶硅采用的工藝參數(shù)如表1(表中1Torr≈133.3Pa)所示，通過調(diào)整沉積時間控制多晶硅薄膜厚度為150nm。
表1 不同沉積溫度下LPCVD制備多晶硅薄膜的工藝參數(shù)
圖4為多晶硅薄膜生長速率隨沉積溫度的變化。從圖4可知，在590、600、620和635℃沉積溫度下，多晶硅薄膜的生長速率分別為4.8、6.0、9.1和13.9nm/min。
圖4?多晶硅薄膜生長速率與沉積溫度的關(guān)系
在590~635℃內(nèi)，多晶硅薄膜生長速率對溫度的變化非常敏感，隨著溫度增加，多晶硅薄膜生長速率明顯增大。因此，在LPCVD制備多晶硅薄膜時，需要對溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，硅片表面的溫度應(yīng)盡量保證一致，才能獲得均勻性好的多晶硅薄膜。
圖5為不同沉積溫度下樣品的鈍化性能。鈍化性能隨沉積溫度的增加先變優(yōu)再變差。當(dāng)沉積溫度為590℃時，隱性開路電壓(Vioc)平均值為744mV，飽和電流密度(J0)平均值為1.70fA/cm2;
當(dāng)沉積溫度為600℃時，Vioc平均值為746mV，J0平均值為1.49fA/cm2，鈍化性能最佳;當(dāng)沉積溫度升至635℃時，Vioc平均值降至727mV，J0平均值增至6.04fA/cm2。
這是由于當(dāng)沉積溫度較低時，多晶硅薄層質(zhì)量不佳，影響了鈍化效果;當(dāng)沉積溫度超過最佳溫度繼續(xù)升高時，多晶硅層被破壞，鈍化性能變差。
LPCVD制備多晶硅薄膜采用的工藝氣體為硅烷。在多晶硅薄膜生長過程中，到達(dá)硅片襯底的硅原子越多，薄膜的生長速率越快，因此硅烷體積流量的大小會顯著影響多晶硅薄膜的生長速率。
為了研究硅烷體積流量與多晶硅薄膜沉積速率之間的關(guān)系，按照圖2流程制備樣品，樣品共分為四組，不同硅烷體積流量下LPCVD制備多晶硅采用的工藝參數(shù)如表2所示，通過調(diào)整沉積時間控制多晶硅薄膜厚度為150nm。
表2?不同硅烷體積流量下LPCVD制備多晶硅薄膜的工藝參數(shù)
不同硅烷體積流量下多晶硅薄膜的生長速率結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，在250、350、790和1150cm3/min硅烷體積流量下，多晶硅薄膜生長速率分別為3.3、4.5、6.0和7.5nm/min。在250~1150cm3/min內(nèi)，多晶硅薄膜的生長速率與硅烷體積流量基本呈線性關(guān)系。
有研究數(shù)據(jù)表明，多晶硅薄膜生長速率與硅烷體積流量的關(guān)系為:當(dāng)硅烷體積流量較小時，隨著硅烷體積流量的增加，多晶硅薄膜生長速率迅速增加;當(dāng)硅烷體積流量較大時，多晶硅薄膜生長速率增量變小，該結(jié)論可用流體力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行解釋。當(dāng)非光滑物體間存在相互運(yùn)動時，接觸面就會產(chǎn)生摩擦力。
因此，當(dāng)氣體流過固體表面時，氣體分子會與固體表面產(chǎn)生一定的摩擦力，氣體分子與固體表面越接近，摩擦力越大，氣體的流動速度也就減小得越多，直至速度無限接近零。與固體表面相鄰、流動速度受影響的這一薄層氣體叫滯留層，氣體流動的速度越大，滯留層的厚度就越薄。
因此，在多晶硅薄膜沉積過程中，硅烷氣體的體積流量增大，硅烷分子流動的速度就會增大，硅片表面的滯留層就會減薄，到達(dá)硅片表面的反應(yīng)物原子就會增多，多晶硅薄膜的生長速率就會隨之增加。
硅烷體積流量較大時，滯留層對流體的影響基本可以忽略，因此當(dāng)硅烷體積流量持續(xù)增大時，多晶硅薄膜的生長速率就不會繼續(xù)隨之增大。本實驗表明，當(dāng)硅烷體積流量小于1150cm3/min時，多晶硅薄膜生長速率隨硅烷體積流量的增加呈線性增長。
圖6 多晶硅薄膜生長速率與硅烷體積流量的關(guān)系
當(dāng)硅烷體積流量為250、350和790cm3/min時，Vioc平均值分別為744、745和745mV，基本一致;J0平均值分別為1.64、1.51和1.65fA/cm2，也基本一致，350cm3/min時鈍化性能略優(yōu)。當(dāng)硅烷體積流量為1150cm3/min時，Vioc平均值為737mV，J0平均值為3.98fA/cm2，鈍化性能明顯變差。
這是由于當(dāng)硅烷體積流量變大時，氣相分解和副產(chǎn)物增多，影響了多晶硅薄膜的質(zhì)量。而當(dāng)硅烷體積流量過小時，又會影響沉積速率，綜合考慮，采用790cm3/min的硅烷體積流量最佳。
根據(jù)LPCVD法沉積多晶硅薄膜原理，當(dāng)只改變沉積時間時，多晶硅薄膜沉積速率不變。為了驗證這一結(jié)論，按圖2流程進(jìn)行樣品制備，樣品共分為五組。不同沉積時間下LPCVD制備多晶硅薄膜采用的工藝參數(shù)如表3所示，通過調(diào)整沉積時間得到不同厚度的多晶硅薄膜。
表3 不同沉積時間下LPCVD制備多晶硅薄膜的工藝參數(shù)
不同沉積時間下多晶硅薄膜生長速率結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，8、16、24、33和40min沉積時間下，多晶硅薄膜生長速率分別為6.12、6.06、6.13、5.98和6.14nm/min，基本一致。
圖8 多晶硅薄膜生長速率與沉積時間的關(guān)系
在表3條件下制備的多晶硅薄膜厚度分別為9、97、147、197和246nm，不同厚度下薄膜的鈍化性能測試結(jié)果如圖9所示。
當(dāng)多晶硅薄膜厚度為49nm時，Vioc平均值為685mV，J0平均值為21.90fA/cm2;當(dāng)多晶硅薄膜厚度為97nm時，Vioc平均值723mV，J0平均值為4.17fA/cm2，鈍化質(zhì)量顯著提升;當(dāng)多晶硅薄膜厚度為147、197和246nm時，Vioc平均值分別為747、749和747mV，J0平均值分別為1.68、1.46和1.84fA/cm2，相對于97nm的厚度，此三種厚度下薄膜的鈍化性能更佳，且基本一致。
這表明當(dāng)多晶硅薄膜厚度為147nm時，已經(jīng)滿足鈍化性能要求，進(jìn)一步增加厚度并不能繼續(xù)顯著提升鈍化質(zhì)量。
采用33min沉積時間制備多晶硅薄膜厚度為197nm的TOPCon電池，其平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.37%。
綜上所述，影響多晶硅薄膜生長速率和鈍化質(zhì)量的重要因素有沉積溫度、硅烷體積流量和沉積時間。
在590~635℃沉積溫度內(nèi)，隨著溫度增加，多晶硅薄膜生長速率明顯增大，鈍化性能先變優(yōu)再變差，600℃時鈍化性能最佳。
在250~1150cm3/min硅烷體積流量內(nèi)，多晶硅薄膜的生長速率與硅烷體積流量基本呈線性關(guān)系，鈍化性能在硅烷體積流量較低時基本穩(wěn)定，當(dāng)硅烷體積流量為1150cm3/min時鈍化性能明顯變差。多晶硅薄膜生長速率基本不受沉積時間影響，當(dāng)多晶硅薄膜厚度為49~246nm時，鈍化性能先變優(yōu)后趨于穩(wěn)定。
當(dāng)硅烷體積流量為790cm3/min、反應(yīng)壓力為180mTorr、沉積溫度為600℃、沉積時間為33min、多晶硅薄膜厚度為197nm時，樣品的Vioc平均值為749mV，J0平均值為1.46fA/cm2，鈍化性能最佳，優(yōu)于行業(yè)內(nèi)Vioc約730mV、J0約2fA/cm2的平均水平。該條件下制備的TOPCon電池，其平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.37%，高于23.6%~24%的行業(yè)平均光電轉(zhuǎn)換效率。
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：LPCVD制備多晶硅薄膜的性能
