等離子體增強(qiáng)原子層沉積Al2O3鈍化多晶黑硅的分析

等離子體增強(qiáng)原子層沉積Al2O3鈍化多晶黑硅的分析黑硅的納米構(gòu)造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，適用于黑硅納米微構(gòu)造的鈍化。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)化黑硅構(gòu)造，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(jì)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開展了分析。結(jié)果說明堿溶液處理后黑硅表面構(gòu)造變得更為平滑，Al2O3鈍化的黑硅經(jīng)退火后少子壽命到達(dá)8.96μs，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，但由于納米構(gòu)造導(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)減反射構(gòu)造黑硅的納米構(gòu)造更為細(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，能有效匹配黑硅構(gòu)造，起到鈍化黑硅的作用。PaivikkiRepo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-ChengWang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11μs，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10nm后少子壽命趨于穩(wěn)定，因?yàn)橐呀?jīng)鈍化完全，但是從10nm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構(gòu)造開展優(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(jì)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(156mm×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(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)太陽能級p型156mm×156mm多晶硅片，電阻率為2Ω·cm，厚度為200μm。采用傳統(tǒng)酸制絨工藝以去除表面損傷層，以Ag輔助化學(xué)法腐蝕出黑硅納米線構(gòu)造，后使用低濃度NaOH溶液開展堿溶液擴(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)(***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℃開展樣品制備，同時腔室內(nèi)使用100W等離子體開展輔助沉積。沉積后在腔室內(nèi)高純氬氣氣氛中開展退火處理，退火溫度為450℃，退火時間為1h。

采用HITACHIS-4800SEM對所制備黑硅的構(gòu)造形貌開展觀察，同時采用島津UV-3600分光光度計(jì)對黑硅表面反射率開展測試，波長測試范圍為300～1100nm。用Sinton的WCT-120型少子壽命測試儀在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下開展少子壽命表征。

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開展處理，使表面構(gòu)造更平滑，孔擴(kuò)大，有利于后續(xù)鈍化的開展。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，到達(dá)8.96μs；與堿溶液處