板式pecvd制备氧化铝工艺研究

杨飞飞， 鲁贵林， 赵科巍， 张 波， 张云鹏， 郭 丽

(山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000)

引 言

钝化发射极与背接触(PERC)电池已然成为目前主流的单晶产品，其效率在已有的报道中已经突破22.5%[1]。当前主流PERC电池背钝化沉积技术包括PECVD、ALD、磁控溅射等[2-6]。大部分厂家出于钝化效果的考虑，大都使用原子层沉积法(ALD)，但由于原子沉积机理导致其沉积速度较慢[1]，正是在此背景下，板式及管式PECVD反应装置应用而生，并快速得到市场的反馈。如今，以PECVD方式制备氧化铝钝化膜的技术日益成熟。

本文以PECVD方式制备PERC电池背面氧化铝钝化膜，PECVD所制备钝化膜烧结后少子寿命与ALD技术趋于一致，无论产能还是钝化效果都满足工业化生产的条件。

1 实验部分

本实验所用硅片都为P型Cz(直拉法)掺硼，尺寸大小156.75 mm×156.75 mm，电阻率为0.5 Ω·cm～-1.4 Ω·cm，厚度180 μm。所用到对称结构硅片均经碱抛设备进行双面抛光及清洗，并用板式PECVD制备双面AlOX，AlOX厚度在3 nm～10 nm，厚度测量使用量拓公司的全光谱椭偏仪，并利用Sinton公司的WCT-120经烧结后测试少子寿命，烧结工艺使用国产迈为红外灯管烧结炉，实际峰值温度为工业化生产温度780 ℃～800 ℃[3-4]。并假想体内少子寿命为无穷大，利用公式Seff=W/(2*eff)计算出表面最大复合速率。通过不同三甲基铝(TMA)与氧气的流量比所对应的少子寿命，从而找出最优的配方结构。批量化电池使用均匀磷掺杂工艺，关键钝化工艺为PE-AlOX+SiNX，背刻蚀使用酸抛与碱抛两种工艺进行对比，其中，酸抛作为基础对比组，然后经激光开槽，最后丝网印刷工艺形成前后金属接触，使用Halm机台测试IV数据。

2 实验结果及分析

2.1 表面钝化质量

图1所示为有效少子寿命与AlOx膜厚的对应关系，从图1中可以看出，随着厚度增加有效少子寿命在不断提高，说明钝化效果在不断增强。当膜厚达到7 nm时，少子寿命可达2.7 ms以上，而当大于7 nm后，提升不大。需要说明7 nm时对应的工艺带速为60 cm·s-1，每小时产能约为3 500 pcs。

图1 有效少子寿命与AlOX膜厚的对应关系

衡量表面钝化效果的另一表征参数为表面复合速率(SRV)，当硅片体内为理想结构，体少子寿命趋于无穷大时，可利用公式Smax=W/2eff计算表面的复合速率[2]，当AlOx膜厚达到7 nm时，表面复合速率可低至3 cm/s以下。

表1所示为不同工艺气体流量组合所对应的配方结构，正如上文所述，7 nm镀膜工艺带速为60 cm/s，产能较低，无法满足工业化生产的需求，因此本文通过调整工艺配方结构，找出高带速下少子寿命大于2.5 ms的参数组合。表1中编号1的配方为对比组，其他配方结构带速均为135 cm·s-1，可满足5 000 pcs/h。表1中配方方案设计采用DOE设计，二因子二水平，二因子为氧气与TMA流量，其中，氧气选取300 sccm与400 sccm两个水平，TMA为250 sccm与300 sccm两个水平。从表1中看出，带速为135 cm·s-1情况下，不同工艺气体组合所制作的AlOx膜厚并不一样，配方编号4和5的厚度达到对比组60 cm/s的水平，且有所增加。

表1 不同工艺气体流量组合配方结构

图2为有效少子寿命与表1中不同配方结构的对应关系，可以看出,配方4与5的少子寿命与对比组持平或略高，且进一步分析，配方4的数据离散度较低，说明钝化效果更优，结合表1中厚度的数据，可能原因为配方4的AlOx的致密度更高一些。另外,依据DOE试验设计的原理及直观分析方法，可以认为在两个因子中，氧气流量的变化对于钝化效果的改善最为显著，可认为是主要影响因子。

图2 有效少子寿命与不同配方结构的关系

2.2 激光开槽调优

激光开槽调优效果的检验需制作成电池片，其中背刻蚀工艺使用碱抛工艺，背钝化介质膜为AlOx，背激光根据调优试验的实施分成4组，然后进行丝网印刷制备金属电极[3-4]。

表2为不同激光功率与线距组合表，其中，配方1为对比组，利用DOE试验设计方法，对激光功率与线距2个因子进行二水平的设计，检验不同组合对转换效率的影响程度。

表2 不同激光功率与线距组合配方

图3为不同激光组合配方制备成电池片后与转换效率的对应关系，从图3中可以看出，功率与线距2个单独因子对效率的影响程度接近，其中，较低的功率对硅片表面的热损伤相对较小，从而降低背面金属接触区域的复合电流[5-6]，较大的开孔率降低载流子横向传输电阻。而且当两者结合时，叠加效应超过2个因子的几何相加效果，转换效率提升近0.1%。

图3 不同激光工艺配方与转换效率的关系

2.3 PERC电池应用

表3为酸抛与碱抛工艺制作电池的批量4组数据，其中，背钝化工艺及背激光工艺均使用上述工艺调优中的最佳方案，由数据看出，使用碱抛工艺的背钝化Voc较酸抛高2 mV，说明碱抛背表面较好的平整度钝化效果更好[7]，同时，Jsc碱抛相比酸抛高0.16 mA/cm2,其中原因主要为碱抛大绒面结构对长波段入射光利用率高[3]。碱抛组填充因子高0.2，较好背面平整度，硅铝合金处的空洞较少，金属接触性更好，有利于载流子的导出。

表3 酸抛与碱抛批量电池4组数据对比

3 结论

本文对板式PECVD沉积氧化铝的工艺进行调优，研究了AlOx厚度与钝化效果的关系，结果显示厚度大于7 nm钝化效果较佳。不同气体组分的对比测试结果显示，合理的气体流量比可以进一步增强AlOx介质膜的致密度，从而提高钝化效果。经背激光开槽工艺参数的试验指出，开孔率与激光能量的合理搭配对转换效率的提升有益处。最后经工业化批量生产4组数据对比，碱抛叠加AlOx的转换效率要优于酸抛叠加AlOx。且碱抛叠加AlOx的综合转换效率已经达到22.46%水平。说明板式PECVD方式制备AlOx无论产能还是转换效率都可满足工业化生产的需求。