等離子體增強(qiáng)原子層沉積Al2O3鈍化多晶黑硅的研究

　　黑硅的納米結(jié)構(gòu)可以大大降低硅表面的入射光反射率，同時由于比表面積的增加使其鈍化成為難題，從而影響其太陽電池的性能。等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD) 法沉積的Al2O3鈍化層具有良好的保型性和致密性，適用于黑硅納米微結(jié)構(gòu)的鈍化。本文使用金屬輔助化學(xué)法制備多晶黑硅，再經(jīng)低濃度堿溶液處理優(yōu)化黑硅結(jié)構(gòu)，最后用PEALD沉積了不同厚度的Al2O3鈍化層。采用掃描電鏡、分光光度計和少子壽命測試儀對黑硅的表面形貌、減反射特性和少子壽命變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明堿溶液處理后黑硅表面結(jié)構(gòu)變得更為平滑，Al2O3鈍化的黑硅經(jīng)退火后少子壽命達(dá)到8.96 μs，在可見光范圍內(nèi)反射率降低至3.7%，與傳統(tǒng)制絨工藝的多晶硅片相比性能有明顯提升。

　　晶體硅太陽電池在當(dāng)前光伏市場占據(jù)著絕大部分份額，且以多晶硅為主。晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率在技術(shù)的發(fā)展下越來越高。降低硅片表面反射率是一種非常有效的提升太陽電池效率的方式。黑硅是一種在紫外至近紅外波長范圍內(nèi)都具有極低反射率的材料，它能有效降低硅反射率從而提高光吸收，但由于納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致硅表面積增加，從而使光生載流子的表面復(fù)合增加。相比于傳統(tǒng)減反射結(jié)構(gòu)黑硅的納米結(jié)構(gòu)更為細(xì)小，所以目前的鈍化工藝，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 沉積SixNy薄膜無法很好地鈍化黑硅表面，成為制約黑硅電池效率的主要因素。原子層沉積( ALD) 技術(shù)具有優(yōu)異的三維貼合性和薄膜均勻性，能有效匹配黑硅結(jié)構(gòu)，起到鈍化黑硅的作用。Paivikki Repo 等在反應(yīng)離子刻蝕法(RIE) 制備的單晶黑硅上用ALD生長了Al2O3薄膜，少子壽命增大，以及反射率進(jìn)一步下降。Wei-Cheng Wang 等在金屬輔助化學(xué)( MACE) 法制備的單晶黑硅上沉積Al2O3鈍化，并制備了18.2%效率的單晶黑硅電池。夏洋課題組使用傳統(tǒng)PECVD 法生長氮化硅薄膜鈍化了等離子體浸沒注入法制備的黑硅，鈍化后有效少子壽命為11 μs，制得多晶黑硅太陽電池效率為16.25%。

　　等離子增強(qiáng)原子層沉積(PEALD) 法相對于傳統(tǒng)的熱ALD 的區(qū)別在于改變了與前驅(qū)體作用的反應(yīng)劑，引入高能量、高活性等離子體來代替普通的反應(yīng)劑，使其相對于熱ALD 具有更多優(yōu)勢。PEALD可以有效提高生長速度，并且得益于等離子體的高活性，PEALD 生長的薄膜具有較高的薄膜密度，低的雜質(zhì)含量和優(yōu)異的電學(xué)性能。DingemansG 等研究了PEALD 與熱ALD 法生長Al2O3薄膜鈍化硅表面后的少子壽命，雖然到了10 nm 后少子壽命趨于穩(wěn)定，因為已經(jīng)鈍化完全，但是從10 nm 前可以分析出由于等離子體轟擊作用，PEALD生長的薄膜質(zhì)量更好，使鈍化作用更好。

　　本研究采用更適合工業(yè)化的MACE 法制備多晶黑硅，并使用氫氧化鈉對黑硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)，采用PEALD 技術(shù)在黑硅表面沉積Al2O3薄膜，通過掃描電鏡(SEM) 、分光光度計和少子壽命研究了薄膜的鈍化效果和增強(qiáng)減反射作用。本課題組前期用傳統(tǒng)PECVD生長SixNy鈍化工藝制備了轉(zhuǎn)換效率高于18% 的多晶黑硅太陽電池(156 mm × 156mm) ，期待將來采用本研究工作開發(fā)的PEALD 新型鈍化工藝使多晶黑硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率獲得進(jìn)一步提升。

　　1、實驗

　　本實驗采用標(biāo)準(zhǔn)太陽能級p 型156mm × 156mm 多晶硅片，電阻率為2 Ω·cm，厚度為200 μm。采用傳統(tǒng)酸制絨工藝以清除表面損傷層，以Ag 輔助化學(xué)法腐蝕出黑硅納米線結(jié)構(gòu)，后使用低濃度NaOH 溶液進(jìn)行堿溶液擴(kuò)孔處理。然后采用ALD技術(shù)沉積Al2O3薄膜并研究了其鈍化性能。

　　采用PEALD系統(tǒng)(無錫邁納德公司) ，以三甲基鋁(TMA) 和水為反應(yīng)源，高純氬氣為載氣，預(yù)抽本底真空至8 × 10^-4Pa，在200℃進(jìn)行樣品制備，同時腔室內(nèi)使用100W 等離子體進(jìn)行輔助沉積。沉積后在腔室內(nèi)高純氬氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火溫度為450℃，退火時間為1 h。

　　采用HITACHI S-4800SEM對所制備黑硅的結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察，同時采用島津UV-3600分光光度計對黑硅表面反射率進(jìn)行測試，波長測試范圍為300 ～1100 nm。用Sinton 的WCT-120 型少子壽命測試儀在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行少子壽命表征。

　　3、結(jié)論

　　本文使用低濃度堿溶液對MACE 法制備的多晶黑硅表面進(jìn)行處理，使表面結(jié)構(gòu)更平滑，孔擴(kuò)大，有利于后續(xù)鈍化的進(jìn)行。采用PEALD法在擴(kuò)孔后的黑硅表面沉積不同Al2O3鈍化層，優(yōu)化后有少子壽命的明顯提升，達(dá)到8.96 μs；與堿溶液處理后黑硅的15.8%反射率相比，Al2O3包覆后黑硅的反射率降低至3.7%。這些結(jié)果表明PEALD 沉積的Al2O3薄膜兼有良好的表面鈍化與減反射功效，對黑硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升有指導(dǎo)作用。