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原子层沉积(RS-ALD)技术制备的Al2O3薄膜在TOPCon电池边缘钝化中的应用研究

硅太阳能电池和组件在光伏市场占主导,但半电池切割产生的新表面会加剧载流子复合,影响电池效率,边缘钝化技术可解决此问题。Al2O3薄膜稳定性高、介电常数高、折射率低,在光学和光电器件中有应用前景,常用于硅表面钝化。沉积Al2O3+退火的电池效率进一步提高了0.021%,达到0.119%组件功率进一步增加了0.68 W,达到3.76 W


RS - ALD 技术原理

一种旋转空间原子层沉积(RS-ALD)方法来制备Al2O3薄膜。该方法通过优化工艺条件,在4 Torr的工艺压力和300 sccm的三甲基铝(TMA)流量下制备出高质量的Al2O3薄膜。

Al2O3薄膜制备的RS-ALD反应机制.png

Al2O3薄膜制备的RS-ALD反应机制

实验步骤:

基底准备:包括杂质去除、清洁和表面活化。

气体引入:分别引入TMA和去离子水作为前驱体,通过高纯氮气隔离。

气体反应:基底在旋转托盘上,依次暴露于铝和氧前驱体,形成Al2O3薄膜。

溢流排放:未反应的前驱体和副产物被排出反应室。

重复沉积:重复上述步骤,直到达到所需的薄膜厚度。


Al2O3薄膜样品制备

硅片规格:使用厚度为150 μm、电阻率为<1.5 Ω-cm、晶体取向为<100>的P型单晶硅片。

清洗过程:硅片经过一系列的超声清洗,依次使用去离子水、异丙醇、乙醇和去离子水,每次清洗时间为5到30分钟。

干燥:清洗后的硅片使用高纯氮气干燥,然后转移到RS-ALD反应室。


Al2O3薄膜的表征

厚度测量:使用椭圆偏振光谱仪测量薄膜厚度,以确定沉积速率。

晶体结构分析:使用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构。

表面形貌和粗糙度:使用原子力显微镜在接触模式下表征3μm×3μm区域的表面形貌和表面粗糙度。

少数载流子寿命:使用准稳态(QSS)光电导模式的少数载流子寿命仪测量硅片的有效少数载流子寿命。


TOPCon电池的边缘钝化

TOPCon电池边缘沉积40 nm Al2O3薄膜.png 

TOPCon电池边缘沉积40 nm Al2O3薄膜

RS-ALD技术:使用旋转空间原子层沉积(RS-ALD)技术在太阳能电池的边缘沉积40 nm厚的Al2O3薄膜

沉积区域:沉积的Al2O3薄膜覆盖了电池的切割边缘,包裹部分约为1 mm,对电池的其他部分几乎没有影响。


Al2O3薄膜工艺参数的优化

Al2O3薄膜在不同TMA流量和工艺压力下的沉积速率.png

Al2O3薄膜在不同TMA流量和工艺压力下的沉积速率

不同工艺压力下Al2O3薄膜的沉积速率.png

不同工艺压力下Al2O3薄膜的沉积速率

沉积速率与工艺压力的关系:2 Torr到3 Torr之间,沉积速率显著增加(约32%)。从3 Torr到4 Torr,沉积速率进一步增加(约5%)。超过4 Torr后,沉积速率增加不显著。

最佳工艺条件:4 Torr工艺压力和300 sccm TMA流量下,沉积速率和均匀性最佳。这一条件下的薄膜不仅沉积速率高,而且在靠近和远离圆心的位置具有更接近的沉积速率,表明薄膜均匀性更好。 

不同工艺压力下Al2O3薄膜的均匀性.png

不同工艺压力下Al2O3薄膜的均匀性

最佳均匀性:4 Torr工艺压力下,靠近圆心和远离圆心位置的沉积速率最为接近,分别为0.0786 nm/cycle和0.0780 nm/cycle,表明薄膜的均匀性最佳。

均匀性与工艺压力的关系:随着工艺压力的增加,薄膜的均匀性逐渐提高。在4 Torr时达到最佳均匀性,超过4 Torr后,均匀性继续提高但提升幅度较小。 


RS-ALD技术Al2O3表征分析-晶体结构

Al2O3薄膜退火前后的晶体结构变化.png

Al2O3薄膜退火前后的晶体结构变化

晶体结构转变:退火处理使Al2O3薄膜从非晶态转变为γ-Al2O3多晶相。这一转变有助于提高薄膜的稳定性和钝化效果。

SiO2峰:2θ=26.7°的峰对应于SiO2的(011)晶面,这与氧在基底和薄膜层中的扩散有关。

γ-Al2O3峰:2θ=32.1°、37.7°和45.8°的峰分别对应于γ-Al2O3的(112)、(211)和(220)晶面,表明退火处理促进了Al2O3薄膜的晶化。 


RS-ALD技术Al2O3表征分析-表面形貌

Al2O3薄膜在退火前后的表面形貌.png

Al2O3薄膜在退火后的表面形貌

表面形貌变化

退火前:未退火的Al2O3薄膜表面呈现针状结构,这些结构在2D和3D图像中清晰可见,表面较为光滑。

退火后:退火处理使薄膜表面形态从针状结构变为谷型簇状,表面变得更为粗糙。这种变化表明退火处理促进了薄膜的晶粒生长和致密化。

表面粗糙度增加:退火后的Al2O3薄膜表面粗糙度显著增加,这有助于提高薄膜的光学性能和机械稳定性。粗糙的表面可以增加光的散射,提高光的吸收效率,从而提高太阳能电池的性能。


RS-ALD技术Al2O3表征分析-钝化性能

Al2O3薄膜钝化硅片的少数载流子寿命.png

Al2O3薄膜钝化硅片的少数载流子寿命

钝化效果:Al2O3薄膜的沉积显著提高了硅片的少数载流子寿命,表明其具有良好的表面钝化效果。

退火增强:退火处理进一步增强了Al2O3薄膜的钝化效果,显著提高了少数载流子寿命,这表明退火处理可以激活Al2O3薄膜中的负固定电荷,改善薄膜与硅片接触界面的质量,减少表面复合。

性能提升:少数载流子寿命的提高直接关联到太阳能电池的性能提升,特别是开路电压(Voc)和填充因子(FF)的提高,从而提高电池的效率。


TOPCon电池边缘钝化效果

TOPCon太阳能电池性能提升总结.png

TOPCon太阳能电池性能提升总结

仅沉积Al2O3:仅沉积Al2O3薄膜可以显著提升电池的性能,Voc、FF和效率分别提升了1.7 mV、0.23%和0.098%,组件功率提升了3.08 W。

沉积Al2O3 +退火:在沉积Al2O3薄膜后进行退火处理,进一步提升了电池的性能,Voc、FF和效率分别提升了2.2 mV、0.34%和0.119%,组件功率提升了3.76 W。

退火效果:退火处理显著提升了电池的性能,特别是在提升Voc和FF方面,表明退火处理可以激活Al2O3薄膜的钝化效果,减少表面复合,提高电池的效率。 


通过旋转空间原子层沉积(RS-ALD)技术制备了高质量的Al2O3薄膜,并将其应用于TOPCon太阳能电池的边缘钝化。经过退火处理后,电池效率进一步提高了0.021%至0.119%组件功率提高了0.68 W至3.76 W,这些结果充分证明了边缘钝化提高太阳能电池性能方面的关键作用。 


美能UVPLUS SE光谱椭偏仪

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原文出处:Preparation of Al2O3 thin films by RS-ALD and edge passivation application for TOPCon half solar cells


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