采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)沉積的方法(PECVD),在低襯體溫度下制備不同厚度的雙面氮化硅薄膜,通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)法(QSSPCD)測試non2diffused和diffused硅片沉積不同厚度雙面氮化硅薄膜燒結(jié)前后的少子壽命,研究發(fā)現(xiàn),氮化硅薄膜厚度在17nm左右的時候,背面鈍化效果有所下降,超過26nm的時候,效果基本一致。non2diffused燒結(jié)后的少子壽命下降很大,而diffused與之相反。結(jié)果表明,采用氮化硅作為背面鈍化介質(zhì)膜,可以改善材料的少子壽命,背面鈍化膜可以選擇在26～75nm之間。

0引言

近年來,高效率低成本的太陽能電池是光伏產(chǎn)業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。目前,主要有兩種方法降低太陽電池的成本。第一,降低硅材料成本,促使硅片向薄片化方向發(fā)展;第二,提高電池轉(zhuǎn)換效率,研究主要集中在前表面的選擇性擴(kuò)散及背表面鈍化兩個方向上。

現(xiàn)階段的太陽能電池背面基本上是采用ALBSF(鋁背場),這種BSF(背場)起到一個P+層的作用,可以減少背面的復(fù)合速度,使背面復(fù)合速度在1000～10000cm·s-1范圍內(nèi),但同時也會帶來一些新的問題,由于鋁和硅的熱膨脹系數(shù)的不同,在硅片小于180μm的時候,經(jīng)過fire(燒結(jié))之后,片子就會彎曲,在一定程度上增加了電池生產(chǎn)線和組件的碎片率,影響產(chǎn)能輸出。對于薄片的電池片,背面鈍化顯得越來越重要。

傳統(tǒng)高效太陽電池的背表面鈍化主要采用高溫氧化法,高質(zhì)量的氧化膜必須在900～1100℃長時間氧化才能得到。ZHAO J, WANG A等人24.7%的PERL電池背面就是采用高溫氧化法。雖然這種鈍化效果使太陽電池轉(zhuǎn)換效率得到極大提升,但也帶來許多缺點(diǎn)。第一,質(zhì)量較差的單晶及多晶在長時間的高溫條件下會誘生缺陷,少數(shù)載流子壽命下降很厲害;第二,許多有害雜質(zhì)會在高溫條件下擴(kuò)散進(jìn)硅片體內(nèi)。因此可以考慮采用低溫沉積的方法對背表面進(jìn)行鈍化。

一些研究表明由PECVD沉積的低溫氮化硅薄膜可以用來作為背面鈍化介質(zhì)膜。背面氮化硅膜鈍化太陽電池主要是采用背面點(diǎn)接觸的形式來替代傳統(tǒng)鋁背場電池,優(yōu)勢主要有以下兩個方面:首先,提高背面鈍化效果,降低背表面的復(fù)合速率;其次,避免電池由于鋁背場燒結(jié)過程而引起的彎曲。HUKBNER等人利用氮化硅鈍化雙面太陽能電池的背表面使電池效率超過了20%。

本文采用PECVD方法對硅片沉積不同膜厚的雙面氮化硅,主要研究不同膜厚的氮化硅對硅片背表面的鈍化作用。

1實驗

為了保持實驗的穩(wěn)定性我們選擇由德國拜耳公司提供的cz單晶片,原始硅片體少子壽命在100μs左右,厚度在210μm左右,實測電阻率范圍為0.5～2Ωm。

為了更好的了解硅片厚度、背面復(fù)合速度對太陽能電池效率的影響,利用PC1D軟件模擬三者之間的關(guān)系。

利用QSSPCD測試non2diffused和diffused硅片沉積雙面氮化硅膜的少子壽命及其經(jīng)過燒結(jié)后的少子壽命,并對其分析。

2結(jié)果及分析

2.1背面復(fù)合速度、硅片厚度對電池效率的影響

圖1顯示了在前表面復(fù)合速度一定的情況下,當(dāng)硅片很薄的時候,電池效率會隨著背表面的復(fù)合速度下降而上升。

2.2氫化的不同厚度的氮化硅膜的背面鈍化作用

我們采用少子壽命來說明氮化硅對單晶cz片的背面鈍化效果,在沉積氮化硅膜之前,硅片必須經(jīng)過比較好的清洗和制絨。對non2diffused和diffused硅片測試初始的少子壽命之后,沉積不同膜厚的氮化硅薄膜,初始的少子壽命分別在2μs和12μs左右,沉積單層膜之后,non2diffused硅片少子壽命上升,而diffused硅片有所下降,在8μs左右,對他們背面再進(jìn)行氮化硅的沉積之后,少子壽命都有大幅度的上升。經(jīng)過燒結(jié)之后,non2dif2fused下降的很厲害,而diffused出現(xiàn)相反的情況。

從圖2可以看出,對背表面進(jìn)行氮化硅膜沉積之后,少子壽命與單層膜相比有了很大的提高。在膜厚17nm的時候,少子壽命相對于其他的膜厚來說,有一個下降的趨勢,這可能是因為:(1)在氮化硅沉積的時候,氫原子對其表面懸掛鍵飽和不夠,文獻(xiàn)顯示當(dāng)膜太薄的時候,用FTIR(傅立葉紅外光譜儀)測試,SI2H和N2H彎曲振動峰微弱幾乎看不見,說明此時的氫含量很少,對表面態(tài)氫鈍化效果不是很好;(2)薄的氮化硅界面正電荷密度較低,場效應(yīng)鈍化相對較差。經(jīng)過燒結(jié)之后,少子壽命下降很多,一方面Qf(固定正電荷密度)經(jīng)過燒結(jié)之后稍微下降,另一方面,經(jīng)過燒結(jié)之后,SI2H和N2H鍵在SIN2SI表面斷裂,形成氫氣溢出,導(dǎo)致少子壽命下降很大。圖3中顯示,diffused硅片沉積雙面氮化硅,在17nm左右的時候,鈍化效果有所下降。燒結(jié)前后,與單層膜相比,少子壽命都有了很大的提升。我們認(rèn)為在diffused硅片已經(jīng)有一個發(fā)射極的過程,當(dāng)沉積單層膜的時候,在沉積的過程中產(chǎn)生的電場直接作用在擴(kuò)散面上,對表面產(chǎn)生了離子損傷,導(dǎo)致少子壽命下降;而沉積背面氮化硅后,雖然也會帶來離子損傷,但是氮化硅中的氫原子直接作用在背表面,很好鈍化背表面的表面態(tài)和懸掛鍵,使少子壽命上升。經(jīng)過燒結(jié)之后,少子壽命進(jìn)一步的提升,這可能是因為diffused硅片與non2diffused硅片相比,產(chǎn)生了新的物質(zhì),在氮化硅和硅之間有一個緩沖層,經(jīng)過燒結(jié)之后,SI2H和N2H斷裂后的氫不容易形成氫氣溢出,不僅有表面鈍化作用,而且氫原子也會擴(kuò)散到體內(nèi),進(jìn)行體內(nèi)鈍化,少子壽命進(jìn)一步提升。

3結(jié)論

利用PC1D軟件模擬背面復(fù)合速度、硅片厚度與電池效率的關(guān)系,模擬顯示較好的背面鈍化效果不僅可以減少成本而且可以提高效率。采用PECVD方法沉積不同膜厚的雙面氮化硅薄膜,通過QSSPCD測試少子壽命,研究不同膜厚對硅片的背面鈍化效果,研究發(fā)現(xiàn)在17nm左右的時候,鈍化效果有所下降,在高于26nm之后,鈍化效果基本相同。擴(kuò)散前的硅片燒結(jié)前少子壽命上升很多,經(jīng)過燒結(jié)之后,少子壽命下降的很多,而經(jīng)過擴(kuò)散的硅片在燒結(jié)前后的少子壽命都有所提高。在進(jìn)一步研究當(dāng)中,背面鈍化介質(zhì)膜,可以選擇比較薄的氮化硅厚度,以便形成較好的背面接觸,盡量降低由填充因子所帶來的效率損失。