HIT电池表面钝化技术的研究

本文采崩WT-2000测试系统,分析不同沉积条件下硅片的钝化效果,结果表明:奉征层的厚度小宦过薄或过岸;少于寿命随沉积气压和射频功率的增加均呈现先增大后减小的趋势.要想得到理想的钝化效果,沉积气压必须适中.从节能环保的角度考虑,射频功率取较小值合适,氧稀释能有效提高少于寿命;HF/O3清洗方法可"使少于寿命得到很大改善,从节约成率和环境污染的角度考虑.HF/O3|靖洗方法更具优势。
摩尔光伏     2017-5-6 21:52:56
摘要:本文采用PECVD技术沉积本征非晶硅薄膜,研究少子寿命随本征层厚度、沉积气压、射频功率、氢稀释度以及硅片清洗工艺的变化规律。结果表明:本征层厚度要适中。随着沉积气压、射频功率和氢稀释度的增加,少子寿命均呈现先增大而后减小的趋势。同时,采用HF/O3清洗技术能使少子寿命得到很大的改善。

  1前言
  晶体硅电池具有转换效率高、技术成熟等优点。但传统的高温扩散工艺又限制了转换效率的提高和成本的进一步降低。多年来各国科学家一直在努力研究探索低成本高产量的高效薄膜太阳电池制造技术。但是,a-Si:H薄膜太阳光致衰退问题始终没有得到很好的解决,同时其光电转换效率还有待进一步提高。一条可行的途径是用宽带隙的a-Si:H作为窗口层或发射层,单晶硅、多晶硅作衬底,形成所谓的异质结太阳电池。这种电池既利用了薄膜电池的制造工艺优势,又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点,具有实现高效、低成本太阳电池的发展前景。

  a-Si:H/c-Si异质结电池已经成为最有市场前景的太阳电池之一,受到国际上许多国家的广泛关注,目前许多研究机构和企业正在开展a-Si:H/c-Si异质结电池的研究。Sanyo的HIT(heterojunction with intrinsic thin-layer)电池实验室转换效率已达到22.3%,且R.M.Swanson通过理论分析,预言这种结构电池的转换效率可以超过25%。

  HIT电池之所以能取得这样高的光电转换效率是由于在太阳电池的p-n结中插入一个本征缓冲层(buffer layer),该本征缓冲层对Si片表面的钝化作用使其界面特性得以改善。少子寿命是钝化效果的直接反映,理论证明少子寿命越高,太阳电池的短路电流、开路电压也会越高。因此开展对本征非晶硅薄层钝化后硅片少子寿命的研究是制备高效HIT电池的前提和关键。

  2实验
  实验采用PECVD技术,在单晶制绒硅片上双面沉积本征非晶硅层。所用硅片为5英寸n型CZ片,晶向为(100),电阻率0.5~3Ω·cm,厚度约200~220μm。制绒之前先采用RCA法清洗硅片,用以确保制绒的均匀性。最后用1%的HF溶液去除硅片表面的氧化层。

  实验过程中,通过改变本征层厚度、沉积气压、射频功率、氢稀释度和硅片清洗工艺制备不同的非晶硅薄膜。利用WT一2000PV测试钝化后硅片少子寿命,最终通过比较少子寿命来优化本征非晶硅膜的沉积条件。

  3结果与讨论
  3.1本征层厚度对少子寿命的影响
  图1为少子寿命随本征层厚度变化关系曲线。从图中可以看出,本征层的最佳厚度在10nm左右,本征层过薄或过厚都会造成少子寿命的下降。经分析,出现这种变化趋势的主要原因在于:当本征层厚度较小时,硅片表面金字塔绒面的存在,导致有些区域硅膜并没有很好的覆盖硅片表面,因此这一小部分硅片表面的悬挂键没有得到饱和,这些悬挂键形成有效的复合中心,产生较大的表面复合速率,少子寿命较低;当本征层厚度较厚时,少子寿命同样下降。因为非晶硅内部短程有序的结构使得非晶硅内部网络结构中存在大量的悬挂键,这样本征层本身固有的缺陷成为载流子的有效复合中心,此外本征层的厚度增加会降低内建电场的强度。因此本征层厚度必须适中。


  3.2本征层沉积气压对少子寿命的影响
  从图2可以看出,少子寿命随沉积气压的增加呈现先增大后减小的趋势,这说明要想得到好的钝化效果,沉积气压必须适中。工作压强从较低值开始上升时,参与反应的气体增加,到达基片表面的反应产物增多,同时压强适当提高,反应室内的等离子体密度增大,反应气体中活性粒子增多,从而得到高沉积速率、高质量的非晶硅薄膜。


  但当工作压强进一步上升到较高值时,等离子体密度增加不大,使反应气体活性变弱,电子或离子的平均自由程比较短,将会发生大量电子或离子与原子团(包括SiH4、SiH3、SiH2、SiH、H2、H)之间的碰撞,这种大量的碰撞导致它们之间的聚合,形成(SH2)。聚合物(黄色粉末),从而大大降低了a-Si:H薄膜的质量。此外,当气压过高时,氢等离子体的刻蚀变得更加活跃,使得SiH2结构的基团增多,SiH2基团的增多意味着有更多的晶界和微孔,它们都是类似于悬挂键的有效复合中心。因此少子寿命降低。

  3.3本征层射频功率对少子寿命的影响
  如图3所示,少子寿命随射频功率的增大先增大后减小。因为大功率可以增大硅烷的分解率,这样氢等离子体的数量相对增多,硅表面以及非晶硅体内的悬挂键得到很好的饱和,少子寿命提高。然而,当功率进一步增大时,此时硅烷的分解已经相对比较充分,功率的增大对硅烷分解的贡献很小,高功率带来的粒子轰击作用增强。过高的沉积功率容易造成对薄膜表面的损伤,从而在硅材料中形成微空洞和缺陷态,会导致薄膜内微柱状结构出现,造成薄膜性质恶化。此外,从节能环保的角度考虑,放电功率取较小值较为合适。


  3.4本征层氢稀释度对少子寿命的影响
  对于非晶硅薄膜的沉积,经常采用氢稀释的硅烷作为反应物,因为氢气不但能降低等离子体中的电子温度,还能有效阻止反应物的聚合,同时氢稀释非晶硅膜的光致衰退效应也相应降低。

  本实验从少子寿命角度出发,研究了氢稀释度对钝化效果的影响。图4为少子寿命随氢稀释度变化关系曲线。从图中可以看出,氢稀释能有效提高少子寿命,但氢稀释度过高反而使少子寿命下降。


  据文献报道,高衬底温度和高氢稀释度有利于硅片表面外延硅的生长,部分外延生长会降低电池的钝化效果。高氢稀释度下少子寿命降低的原因主要与外延硅的生长有关,同时氢含量越高,对硅表面的离子损伤越大,表面态密度越大,载流子复合越剧烈。适量的氢刻蚀,可以断裂弱的Si-H键和不稳定的Si-Si键,从而减小薄膜应力,相对于高氢稀释条件来说,此时SiH基团是主要的生成物,因此晶界、微孔都相应变少,薄膜的缺陷态少,质量有所提高。如果所用硅烷没有被氢稀释,长出来的非晶硅膜的质量也不高,内部存在大量悬挂键,这些悬挂键将成为有效的复合中心,所以少子寿命不高。有文献对未经氢稀释制备的非晶硅膜进行FT-IR测量,结果同样表明:没有氢稀释的非晶硅薄膜内部存在多孔结构,内部缺陷态密度高,质量差。因此沉积非晶硅薄膜时,要综合考虑来优化氢稀释条件。

  3.5不同清洗工艺对少子寿命的影响
  目前RCA清洗法已成为半导体行业多种前后道清洗的基础工艺,一些光伏行业在实验室的研究也采取这种清洗方法,多数厂家使用了改进的RCA法。最初的RCA法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水,在不破坏晶片表面特征的情况下喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面的污染物、有机物和金属离子污染。而改进的RCA法通过添加表面活性剂和HF,并采用稀释RCA工艺来改善清洗效果,这样不但可以大量节省化学试剂和去离子水,而且RCAⅡ号液中的H2O2可以完全被清除掉。而采用稀释氯化氢(HCl)溶液的另一优点是,在低HCl浓度下颗粒不会沉淀。本实验前面所做的实验采用的都是这RCA清洗方法。

  无论是传统的还是改良后的RCA方法都使用高纯度化学试剂,这样将增加工艺成本,同时会带来环境污染,所以研发新颖的、去污效果好的清洗技术势在必行。

  目前HF与03清洗方法被认识是比较有优势的替代方法,O3是空气中氧分子受到高能量电荷激发时的产物,它的特性为不稳定气体,具有强烈的腐蚀性和氧化性。在常温常压下,O3的氧化还原势比HCI和H2O2都高,因此用超净水去除有机物和金属颗粒的效率比H2SO4,与H2O2混台液等传统清洗法要高。另外,O3超净水清洗在室温下进行,且不需要进行腹液处理,故比传统的RCA清洗法县有叫显的技术优势。

  为了研究不同清洗T艺对少f寿命的影响,率赛骏采州丁基于ASTEC清洗法的HF与O3清洗系统(如图5所示)来清洗制绒后的硅片,然后与采用传统RCA方法清洗的硅片做对比,测得数据(如同6所示)表明这种新曲清洗方法令少子寿命得到很大改善。


  4.结论
  本文采崩WT-2000测试系统,分析不同沉积条件下硅片的钝化效果,结果表明:奉征层的厚度小宦过薄或过岸;少于寿命随沉积气压和射频功率的增加均呈现先增大后减小的趋势.要想得到理想的钝化效果,沉积气压必须适中.从节能环保的角度考虑,射频功率取较小值合适,氧稀释能有效提高少于寿命;HF/O3清洗方法可"使少于寿命得到很大改善,从节约成率和环境污染的角度考虑.HF/O3|靖洗方法更具优势。
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