等离子体增强原子层沉积Al2O3钝化多晶黑硅的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京航空航天大学材料科学与技术学院 作者:蒋晔

  黑硅的纳米结构可以大大降低硅表面的入射光反射率,同时由于比表面积的增加使其钝化成为难题,从而影响其太阳电池的性能。等离子体增强原子层沉积(PEALD) 法沉积的Al2O3钝化层具有良好的保型性和致密性,适用于黑硅纳米微结构的钝化。本文使用金属辅助化学法制备多晶黑硅,再经低浓度碱溶液处理优化黑硅结构,最后用PEALD沉积了不同厚度的Al2O3钝化层。采用扫描电镜、分光光度计和少子寿命测试仪对黑硅的表面形貌、减反射特性和少子寿命变化进行了分析。结果表明碱溶液处理后黑硅表面结构变得更为平滑,Al2O3钝化的黑硅经退火后少子寿命达到8.96 μs,在可见光范围内反射率降低至3.7%,与传统制绒工艺的多晶硅片相比性能有明显提升。

  晶体硅太阳电池在当前光伏市场占据着绝大部分份额,且以多晶硅为主。晶体硅太阳电池光电转换效率在技术的发展下越来越高。降低硅片表面反射率是一种非常有效的提升太阳电池效率的方式。黑硅是一种在紫外至近红外波长范围内都具有极低反射率的材料,它能有效降低硅反射率从而提高光吸收,但由于纳米结构导致硅表面积增加,从而使光生载流子的表面复合增加。相比于传统减反射结构黑硅的纳米结构更为细小,所以目前的钝化工艺,等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 沉积SixNy薄膜无法很好地钝化黑硅表面,成为制约黑硅电池效率的主要因素。原子层沉积( ALD) 技术具有优异的三维贴合性和薄膜均匀性,能有效匹配黑硅结构,起到钝化黑硅的作用。Paivikki Repo 等在反应离子刻蚀法(RIE) 制备的单晶黑硅上用ALD生长了Al2O3薄膜,少子寿命增大,以及反射率进一步下降。Wei-Cheng Wang 等在金属辅助化学( MACE) 法制备的单晶黑硅上沉积Al2O3钝化,并制备了18.2%效率的单晶黑硅电池。夏洋课题组使用传统PECVD 法生长氮化硅薄膜钝化了等离子体浸没注入法制备的黑硅,钝化后有效少子寿命为11 μs,制得多晶黑硅太阳电池效率为16.25%。

  等离子增强原子层沉积(PEALD) 法相对于传统的热ALD 的区别在于改变了与前驱体作用的反应剂,引入高能量、高活性等离子体来代替普通的反应剂,使其相对于热ALD 具有更多优势。PEALD可以有效提高生长速度,并且得益于等离子体的高活性,PEALD 生长的薄膜具有较高的薄膜密度,低的杂质含量和优异的电学性能。DingemansG 等研究了PEALD 与热ALD 法生长Al2O3薄膜钝化硅表面后的少子寿命,虽然到了10 nm 后少子寿命趋于稳定,因为已经钝化完全,但是从10 nm 前可以分析出由于等离子体轰击作用,PEALD生长的薄膜质量更好,使钝化作用更好。

  本研究采用更适合工业化的MACE 法制备多晶黑硅,并使用氢氧化钠对黑硅结构进行优化重构,采用PEALD 技术在黑硅表面沉积Al2O3薄膜,通过扫描电镜(SEM) 、分光光度计和少子寿命研究了薄膜的钝化效果和增强减反射作用。本课题组前期用传统PECVD生长SixNy钝化工艺制备了转换效率高于18% 的多晶黑硅太阳电池(156 mm × 156mm) ,期待将来采用本研究工作开发的PEALD 新型钝化工艺使多晶黑硅太阳电池的转换效率获得进一步提升。

  1、实验

  本实验采用标准太阳能级p 型156mm × 156mm 多晶硅片,电阻率为2 Ω·cm,厚度为200 μm。采用传统酸制绒工艺以清除表面损伤层,以Ag 辅助化学法腐蚀出黑硅纳米线结构,后使用低浓度NaOH 溶液进行碱溶液扩孔处理。然后采用ALD技术沉积Al2O3薄膜并研究了其钝化性能。

  采用PEALD系统(无锡迈纳德公司) ,以三甲基铝(TMA) 和水为反应源,高纯氩气为载气,预抽本底真空至8 × 10-4Pa,在200℃进行样品制备,同时腔室内使用100W 等离子体进行辅助沉积。沉积后在腔室内高纯氩气气氛中进行退火处理,退火温度为450℃,退火时间为1 h。

  采用HITACHI S-4800SEM对所制备黑硅的结构形貌进行观察,同时采用岛津UV-3600分光光度计对黑硅表面反射率进行测试,波长测试范围为300 ~1100 nm。用Sinton 的WCT-120 型少子寿命测试仪在准稳态下进行少子寿命表征。

  3、结论

  本文使用低浓度碱溶液对MACE 法制备的多晶黑硅表面进行处理,使表面结构更平滑,孔扩大,有利于后续钝化的进行。采用PEALD法在扩孔后的黑硅表面沉积不同Al2O3钝化层,优化后有少子寿命的明显提升,达到8.96 μs;与碱溶液处理后黑硅的15.8%反射率相比,Al2O3包覆后黑硅的反射率降低至3.7%。这些结果表明PEALD 沉积的Al2O3薄膜兼有良好的表面钝化与减反射功效,对黑硅太阳电池转换效率的进一步提升有指导作用。

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