采用等离子体增强化学沉积的方法(PECVD),在低衬体温度下制备不同厚度的双面氮化硅薄膜,通过准稳态电导法(QSSPCD)测试non2diffused和diffused硅片沉积不同厚度双面氮化硅薄膜烧结前后的少子寿命,研究发现,氮化硅薄膜厚度在17nm左右的时候,背面钝化效果有所下降,超过26nm的时候,效果基本一致。non2diffused烧结后的少子寿命下降很大,而diffused与之相反。结果表明,采用氮化硅作为背面钝化介质膜,可以改善材料的少子寿命,背面钝化膜可以选择在26～75nm之间。
0引言
近年来,高效率低成本的太阳能电池是光伏产业的研究热点之一。目前,主要有两种方法降低太阳电池的成本。第一,降低硅材料成本,促使硅片向薄片化方向发展;第二,提高电池转换效率,研究主要集中在前表面的选择性扩散及背表面钝化两个方向上。
现阶段的太阳能电池背面基本上是采用ALBSF(铝背场),这种BSF(背场)起到一个P+层的作用,可以减少背面的复合速度,使背面复合速度在1000～10000cm·s-1范围内,但同时也会带来一些新的问题,由于铝和硅的热膨胀系数的不同,在硅片小于180μm的时候,经过fire(烧结)之后,片子就会弯曲,在一定程度上增加了电池生产线和组件的碎片率,影响产能输出。对于薄片的电池片,背面钝化显得越来越重要。
传统高效太阳电池的背表面钝化主要采用高温氧化法,高质量的氧化膜必须在900～1100℃长时间氧化才能得到。ZHAO J, WANG A等人24.7%的PERL电池背面就是采用高温氧化法。虽然这种钝化效果使太阳电池转换效率得到极大提升,但也带来许多缺点。第一,质量较差的单晶及多晶在长时间的高温条件下会诱生缺陷,少数载流子寿命下降很厉害;第二,许多有害杂质会在高温条件下扩散进硅片体内。因此可以考虑采用低温沉积的方法对背表面进行钝化。
一些研究表明由PECVD沉积的低温氮化硅薄膜可以用来作为背面钝化介质膜。背面氮化硅膜钝化太阳电池主要是采用背面点接触的形式来替代传统铝背场电池,优势主要有以下两个方面:首先,提高背面钝化效果,降低背表面的复合速率;其次,避免电池由于铝背场烧结过程而引起的弯曲。HUKBNER等人利用氮化硅钝化双面太阳能电池的背表面使电池效率超过了20%。
本文采用PECVD方法对硅片沉积不同膜厚的双面氮化硅,主要研究不同膜厚的氮化硅对硅片背表面的钝化作用。
1实验
为了保持实验的稳定性我们选择由德国拜耳公司提供的cz单晶片,原始硅片体少子寿命在100μs左右,厚度在210μm左右,实测电阻率范围为0.5～2Ωm。
为了更好的了解硅片厚度、背面复合速度对太阳能电池效率的影响,利用PC1D软件模拟三者之间的关系。
利用QSSPCD测试non2diffused和diffused硅片沉积双面氮化硅膜的少子寿命及其经过烧结后的少子寿命,并对其分析。
2结果及分析
2.1背面复合速度、硅片厚度对电池效率的影响
图1显示了在前表面复合速度一定的情况下,当硅片很薄的时候,电池效率会随着背表面的复合速度下降而上升。
2.2氢化的不同厚度的氮化硅膜的背面钝化作用
我们采用少子寿命来说明氮化硅对单晶cz片的背面钝化效果,在沉积氮化硅膜之前,硅片必须经过比较好的清洗和制绒。对non2diffused和diffused硅片测试初始的少子寿命之后,沉积不同膜厚的氮化硅薄膜,初始的少子寿命分别在2μs和12μs左右,沉积单层膜之后,non2diffused硅片少子寿命上升,而diffused硅片有所下降,在8μs左右,对他们背面再进行氮化硅的沉积之后,少子寿命都有大幅度的上升。经过烧结之后,non2dif2fused下降的很厉害,而diffused出现相反的情况。
从图2可以看出,对背表面进行氮化硅膜沉积之后,少子寿命与单层膜相比有了很大的提高。在膜厚17nm的时候,少子寿命相对于其他的膜厚来说,有一个下降的趋势,这可能是因为:(1)在氮化硅沉积的时候,氢原子对其表面悬挂键饱和不够,文献显示当膜太薄的时候,用FTIR(傅立叶红外光谱仪)测试,SI2H和N2H弯曲振动峰微弱几乎看不见,说明此时的氢含量很少,对表面态氢钝化效果不是很好;(2)薄的氮化硅界面正电荷密度较低,场效应钝化相对较差。经过烧结之后,少子寿命下降很多,一方面Qf(固定正电荷密度)经过烧结之后稍微下降,另一方面,经过烧结之后,SI2H和N2H键在SIN2SI表面断裂,形成氢气溢出,导致少子寿命下降很大。图3中显示,diffused硅片沉积双面氮化硅,在17nm左右的时候,钝化效果有所下降。烧结前后,与单层膜相比,少子寿命都有了很大的提升。我们认为在diffused硅片已经有一个发射极的过程,当沉积单层膜的时候,在沉积的过程中产生的电场直接作用在扩散面上,对表面产生了离子损伤,导致少子寿命下降;而沉积背面氮化硅后,虽然也会带来离子损伤,但是氮化硅中的氢原子直接作用在背表面,很好钝化背表面的表面态和悬挂键,使少子寿命上升。经过烧结之后,少子寿命进一步的提升,这可能是因为diffused硅片与non2diffused硅片相比,产生了新的物质,在氮化硅和硅之间有一个缓冲层,经过烧结之后,SI2H和N2H断裂后的氢不容易形成氢气溢出,不仅有表面钝化作用,而且氢原子也会扩散到体内,进行体内钝化,少子寿命进一步提升。
3结论
利用PC1D软件模拟背面复合速度、硅片厚度与电池效率的关系,模拟显示较好的背面钝化效果不仅可以减少成本而且可以提高效率。采用PECVD方法沉积不同膜厚的双面氮化硅薄膜,通过QSSPCD测试少子寿命,研究不同膜厚对硅片的背面钝化效果,研究发现在17nm左右的时候,钝化效果有所下降,在高于26nm之后,钝化效果基本相同。扩散前的硅片烧结前少子寿命上升很多,经过烧结之后,少子寿命下降的很多,而经过扩散的硅片在烧结前后的少子寿命都有所提高。在进一步研究当中,背面钝化介质膜,可以选择比较薄的氮化硅厚度,以便形成较好的背面接触,尽量降低由填充因子所带来的效率损失。
