低温暗退火对TOPCon结构钝化性能的影响.pdf
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1、太阳能第 09 期总第 353 期2023 年 09 月No.09Total No.353Sep.,2023SOLAR ENERGY600 引言近年来,n 型隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池在光伏研究领域引起了极大的关注。在钝化界面氧化物上制备高掺杂多晶硅层是高效硅太阳电池实现载流子选择性钝化接触的一种先进方法,该方法具有优异的钝化质量和较低的饱和电流密度 J0,实现了 26.1%的最高钝化效果1。氢钝化步骤的加入对于 TOPCon 结构达到所需的钝化效果至关重要,c-Si/SiO2界面处的氢钝化通常是通过沉积 SiNx:H 和高温烧结来实现的,在此过程中,氢原子可以从 SiNx:H
2、 层扩散到 c-Si/SiO2界面处进而实现氢钝化,从而提高太阳电池的光电转换效率。这也可以通过形成气氛退火(FGA)来实现,然而其效果比沉积 SiNx:H 差,因此,氢钝化这一步骤被纳入 TOPCon 太阳电池制备工艺流程中的高温烧结金属化形成这一环节中。高温烧结允许氢从 SiNx:H 层移动到钝化层和界面缺陷,在 p 型 PERC 太阳电池制备流程中,通常还包括金属化后电池上的二次专用氢钝化步骤。这种方法通常被称为“高级氢钝化工艺”,包括通过光照或电注入的方式调节载流子密度和退火温度,可以改变 PERC 太阳电池中硅基底中氢的电荷状态,从而会极大地影响其钝化缺陷的能力。在 PERC 太阳电
3、池制备流程中,加入“高级氢钝化工艺”可以提高太阳电池的光电转换效率和稳定性。尽管过去的研究中,对 p 型太阳电池技术中的氢化工艺的发展做了大量工作,但很少有研究探索将氢钝化工艺纳入高效 n 型钝化接触太阳电池的生产中。此外,一些研究证明了 TOPCon 太阳电池中采用的隧穿氧化硅(SiOx)或掺杂多晶硅(n+-poly-Si)钝化接触结构在高温烧结后存在钝化性能不稳定的现象,少子寿命 发生下降2-3。虽然 TOPCon 太阳电池所使用的 n 型硅片不容易受到硼氧复合体光致衰减(LID)的影响,对间隙铁引起的复合不太敏感,但是一些报告显示,在 n型硅片中仍旧存在光和高温诱导衰减(LeTID)4现
4、象。因此,目前也有少量研究开始关注提升高DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20230314.01 文章编号:1003-0417(2023)09-60-07低温暗退火对 TOPCon 结构钝化性能的影响黄嘉斌*,李明,赵增超,陈骏,周小荣,邓新新(湖南红太阳光电科技有限公司,国家光伏装备工程技术研究中心,长沙 410000)摘要:n 型隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)结构用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备,完成高温快速烧结后,再经过低温暗退火可以极大地提升钝化接触的性能,主要表现在隐含开路电压上升和饱和电流密度下降,其原理是通过低温暗退火的方法激活氢原子,使
5、 SiNx:H 中的氢原子向内部扩散,Si-SiO2界面进一步氢钝化来提高钝化性能。研究结果表明:钝化膜层的质量、暗退火工艺的退火温度和退火时间等对钝化性能提升有很大影响。在最佳退火条件下,获得了 6137 s 和 0.7422 V 的高少子寿命和高隐含开路电压,以及 3.66 fA/cm2的低饱和电流密度。关键词:低温暗退火;TOPCon 结构;钝化性能;多晶硅太阳电池中图分类号:TM914.4+1 文献标志码:A收稿日期:2023-03-14通信作者:黄嘉斌(1991),男,硕士、工程师,主要从事硅基太阳能电池,钙钛矿太阳能电池技术方面的研究。2023-09杂志.indd 602023-0
6、9杂志.indd 602023/9/26 10:13:172023/9/26 10:13:17第 09 期61温烧结后 TOPCon 结构的钝化稳定性的方法。主要方法仍与 PERC 太阳电池制备流程中的相似,包括在高温烧结步骤之后进行光注入退火,通过钝化温度和光照强度控制氢原子总量及价态来提高钝化性能,从而提升 TOPCon 太阳电池的光电转换效率5-6;在高温烧结步骤之后进行电注入退火,引起接触电阻的变化和氢原子钝化,可以显著提高 TOPCon 太阳电池的开路电压、短路电流和填充因子7。本文主要采用化学气相沉积(PECVD)法制备隧穿氧化硅和掺杂非晶硅层钝化接触结构,研究通过低温暗退火的方法
7、来激活SiNx:H内部的氢原子,使其扩散到 c-Si/SiO2界面处达到钝化界面并修复界面缺陷的作用,从而实现 TOPCon 结构钝化性能的提升;同时探索了暗退火温度和时间对钝化性能的影响,为进一步提高 TOPCon 太阳电池光电转换效率提供了可靠方法,具有重要意义。1 实验过程1.1 实验样品制备实验样品制备:在厚度约为 17010 m、面积约为 158.75 mm158.75 mm 的 n 型商业直拉法(Cz)硅晶片(电阻率为 12 cm)上进行碱抛光;采用湖南红太阳光电科技有限公司生产的管式 PECVD 设备生长界面氧化层(约 1.5 nm 厚的 SiOx)和厚度约为 130 nm 的原
8、位掺杂非晶硅层(n+-a-Si:H),在氮气气氛中进行 920 高温退火步骤后,重新排列成为 n+-poly-Si 结构的多晶硅层(厚度约为 120 nm,下文均以该结构进行分析,高温结晶过程中由于非晶硅的晶化会导致薄膜厚度有所下降),并且在退火过程中激活掺杂的磷原子。实验样品被厚约 80 nm 的 SiNx:H 薄膜双面覆盖,SiNx:H 薄膜用作界面钝化的氢的来源,同样使用管式 PECVD 设备制备。整个实验样品的钝化接触结构叠层由 c-Si/SiOx/n+-poly-Si/SiNx:H 组成,如图 1 所示。对双面钝化的实验样品进行少子寿命测试,然后将实验样品在迪斯派奇工业合伙有限公司生
9、产的工业带式烧结炉中进行快速热退火(RTA)处理,设定的峰值温度为 810,带速为 6 m/min。处理后,将实验样品放入由湖南红太阳光电科技有限公司生产的管式退火炉中,以 5 种退火温度(200、300、350、400、450)进行暗退火,并在优化后的退火温度上对退火时间进行优化,最终得到最佳低温暗退火工艺参数。SiNx:Hn+-poly-SiSiOxn-SiSiOxn+-poly-SiSiNx:H图 1 实验样品的双面钝化接触结构示意图Fig.1 Diagram of bifacial passivation contact structure of experimental sample
10、1.2 实验样品测试n+-poly-Si 薄膜的表面形貌和截面形貌采用基恩士有限公司生产的 DVM6 光学显微镜和日本日立公司生产的 SU8010 扫描电子显微镜测试。n+-poly-Si 薄膜的拉曼光谱采用北京卓立汉光有限公司生产的 RTS2 激光共聚焦拉曼光谱仪测试。c-Si/SiOx/n+-poly-Si 结构中电活性磷掺杂剂的浓度采用德国 WEP 公司生产的电化学电容电压(ECV)测试仪测量。少子寿命、隐含开路电压和饱和电流密度采用 Sinton 公司生产的 WCT-120准稳态光电导仪在 1-Sun等效光强下测量(过剩载流子注入水平为 11015 cm-3)。2 实验结果与分析2.1
11、 实验结果图 2a 为 920 退火温度下退火后 SiOx/n+-poly-Si 结构截面的扫描电子显微镜图片,n+-poly-Si 薄膜的厚度约为 120 nm;图 2b 和图 2c分别为 n+-poly-Si 在光学显微镜和扫描电子显微技 术 应 用黄嘉斌等:低温暗退火对 TOPCon 结构钝化性能的影响2023-09杂志.indd 612023-09杂志.indd 612023/9/26 10:13:172023/9/26 10:13:172023 年太阳能62镜下的表面形貌图。200 nma.SiOx/n+-poly-Si 结构截面的扫描电子显微镜图10 mb.n+-poly-Si 表
12、面形貌的光学显微镜图2 mc.n+-poly-Si 薄膜表面形貌的扫描电子显微镜图图 2 SiOx/n+-poly-Si 结构截面和 n+-poly-Si 薄膜表面形貌的扫描电子显微镜图与光学显微镜图Fig.2 SEM and optical microscopy images of cross section of SiOx/n+-poly-Si structure and surface morphology of n+-poly-Si thin film从图 2a 可以看出:SiOx/n+-poly-Si 薄膜结构致密,厚度均匀且平整,孔洞和气泡等缺陷也较少,SiOx层由于厚度太薄在扫描
13、电子显微镜图中很难看出。由图 2b 可以发现 n+-poly-Si 均匀覆盖在金字塔结构塔基表面,没有发现有气泡和孔洞等缺陷存在,表面平整均匀;图 2c 中的白色菱形状为表面的小金字塔结构。这表明采用本文提出的 PECVD 方法制备出的 n+-poly-Si 薄膜结构致密,质量优异,可以满足高性能 TOPCon 结构的需求。高温退火后 n+-poly-Si 结构的拉曼光谱曲线如图 3 所示。从图 3 可以看出:在横轴约 520 cm-1处的尖峰表示非晶硅(横轴约 480 cm-1处开始晶化)经过 920 高温退火后,基本完成晶化,薄膜的晶化率较高。c-Si/SiOx/n+-poly-Si 结构
14、的掺杂 ECV 曲线如图 4 所示。曲线中的平台处表示多晶硅层,其厚度约为 120 nm,掺杂浓度约为 51020 cm-3;曲线中陡峭的斜坡为 SiOx界面,斜率较大意味着SiOx对磷原子扩散具有比较强的阻挡作用,从而减小硅片内部的载流子复合,实现优异的场效应钝化效果。拉曼位移/cm-1拉曼强度120001000080006000400020000400500600450550图 3 n+-poly-Si 结构的拉曼光谱 Fig.3 Raman spectral curves of n+-Poly-Si structures深度/m102210211020101910181017101610
15、150.00.20.40.10.30.5掺杂浓度/cm-3图 4 c-Si/SiOx/n+-poly-Si 结构的拉曼曲线与 掺杂 ECV 曲线Fig.4 Doped ECV curves of c-Si/SiOx/n+-poly-Si structure以上结果均表明,采用本文提出的 PECVD技 术 应 用2023-09杂志.indd 622023-09杂志.indd 622023/9/26 10:13:182023/9/26 10:13:18第 09 期63法制备的 SiOx/n+-Poly-Si 结构具有优异的性能。2.2 结果分析在上述条件下制备双面 c-Si/SiOx/n+-pol
16、y-Si/SiNx:H 样品,然后选取少子寿命和隐含开路电压相近的样品在不同的退火温度下暗退火 30 min。烧结和暗退火温度对钝化性能的影响如图 5 所示。从图 5 可以看出:/s650060005500500045004000350030002500烧结前烧结后暗退火后200300400250350450温度/a.iVoc/V0.7450.7400.7350.7300.725烧结前烧结后暗退火后200300400250350450温度/b.iVoc Jo/(fA/cm)8.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.0烧结前烧结后暗退火后200300400250
17、350450温度/c.J0iFF/%86.586.085.585.084.584.0烧结前烧结后暗退火后200300400250350450温度/d.隐含填充因子 iFF图 5 烧结和暗退火温度对双面钝化接触结构 钝化性能的影响Fig.5 Influence of sintering and dark annealing temperature on passivation performance of bifacial passivation contact structures1)烧结后,双面钝化隐含开路电压接触结构 的少子寿命和隐含开路电压均下降明显,而饱和电流密度提高。2)进行暗退火工
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