黑硅在很寬的波長范圍內具有反射率低、接受角廣的優點，在太陽能電池領(ling)域倍受關注。本文(wen)將黑(hei)硅(gui)制(zhi)絨工藝應用到(dao)N型硅(gui)基體(ti)上制(zhi)備(bei)成的太陽電(dian)池效率高達(da)18.7%。在N型黑(hei)硅(gui)表面(mian)可以制(zhi)作(zuo)高濃度硼摻雜的發(fa)射極(ji)且(qie)不影響黑(hei)硅(gui)表面(mian)的光學特性(xing)，然后在黑(hei)硅(gui)發(fa)射極(ji)表面(mian)原子層沉積Al2O3，起到(dao)優異(yi)的表面(mian)鈍化(hua)效果(guo)。

1.引言

黑硅表(biao)面有納米級小山峰，反射(she)率(lv)很(hen)低。通(tong)過優(you)化(hua)反應(ying)離子(zi)刻蝕（RIE）工藝(yi)的(de)參數來制(zhi)作(zuo)黑硅，由于其(qi)在很(hen)寬的(de)波(bo)段(duan)范圍(wei)內反射(she)率(lv)都很(hen)低且接受(shou)角廣(guang)而備受(shou)關注。除了(le)RIE還(huan)有其(qi)他制(zhi)作(zuo)黑硅的(de)方法(fa)，如(ru)激光制(zhi)絨(rong)、金屬催(cui)化(hua)濕化(hua)學刻蝕、等離子(zi)體浸沒(mei)離子(zi)注入等。黑硅在太陽(yang)能電池應(ying)用中的(de)一個難題是黑硅表(biao)面面積(ji)增大而導致表(biao)面復(fu)合速(su)率(lv)增大，進而造成短波(bo)段(duan)的(de)光譜響(xiang)應(ying)變差。黑硅已經被廣(guang)泛應(ying)用到P型電池上，通(tong)過熱氧化(hua)和沉積(ji)SiNx作(zuo)為正(zheng)面鈍化(hua)層。但是低反射(she)率(lv)的(de)增益無法(fa)彌(mi)補高(gao)表(biao)面復(fu)合速(su)率(lv)的(de)影響(xiang)，電池效率(lv)較低，效率(lv)最高(gao)可(ke)達到18.2%。

近幾年(nian)來(lai)，Al2O3被認為是P型、N型、P+表面最有(you)發展潛力(li)的(de)(de)電(dian)介質鈍化(hua)層(ceng)。Al2O3的(de)(de)鈍化(hua)效(xiao)果與硅(gui)片表面的(de)(de)低缺(que)陷密度和Si/Al2O3接觸面固定負電(dian)荷有(you)關。在光伏行業，原(yuan)子層(ceng)沉積（ALD）的(de)(de)出現解決了黑硅(gui)表面復合速率(lv)高的(de)(de)難題(ti)，ALDAl2O3對P型黑硅(gui)表面具有(you)良好的(de)(de)鈍化(hua)效(xiao)果。

2.實驗設計

使用(yong)5ΩcmFZN型硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)制(zhi)作黑硅(gui)(gui)(gui)鈍(dun)化(hua)發射(she)(she)極背(bei)(bei)面(mian)(mian)局(ju)部擴(kuo)(kuo)散太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)（PERL）。圖(tu)1為太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)結構示意圖(tu)和(he)制(zhi)備太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)工(gong)藝(yi)流程圖(tu)。制(zhi)備了正面(mian)(mian)只(zhi)有(you)Al2O3的(de)(de)黑硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)，同時制(zhi)備了正面(mian)(mian)具有(you)倒金字(zi)塔(ta)結構和(he)Al2O3/SiNx鈍(dun)化(hua)層(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)作對(dui)照組。對(dui)照組電(dian)(dian)(dian)池(chi)和(he)黑硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)唯一(yi)的(de)(de)不同是正面(mian)(mian)的(de)(de)倒金字(zi)塔(ta)結構和(he)等離(li)子(zi)體(ti)加強化(hua)學(xue)氣(qi)相沉積(ji)(ji)(ji)（PECVD）的(de)(de)65nm厚的(de)(de)SiNx層(ceng)(ceng)。首(shou)先在(zai)(zai)硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)制(zhi)作氧(yang)化(hua)層(ceng)(ceng)掩膜留(liu)出(chu)2*2cm2的(de)(de)窗(chuang)口。通(tong)過RIE使用(yong)SF6/O2在(zai)(zai)120℃條件(jian)(jian)下(xia)刻(ke)(ke)蝕硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)窗(chuang)口位置(zhi)7分(fen)鐘制(zhi)作黑硅(gui)(gui)(gui)。圖(tu)2a顯示了黑硅(gui)(gui)(gui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)隨機納米級小山峰的(de)(de)平均高度(du)和(he)寬度(du)為1ｕm和(he)200nm。在(zai)(zai)890℃、910℃、930℃三個條件(jian)(jian)下(xia)BBr3擴(kuo)(kuo)散形成硼發射(she)(she)極。黑硅(gui)(gui)(gui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)等離(li)子(zi)輔助原子(zi)層(ceng)(ceng)沉積(ji)(ji)(ji)（PA-ALD）10nm厚的(de)(de)Al2O3，背(bei)(bei)面(mian)(mian)通(tong)過PassDop工(gong)藝(yi)進行鈍(dun)化(hua)。PassDop工(gong)藝(yi)包括PECVD沉積(ji)(ji)(ji)磷摻雜非晶SiCx：H層(ceng)(ceng)，在(zai)(zai)鈍(dun)化(hua)層(ceng)(ceng)表(biao)(biao)面(mian)(mian)激(ji)光(guang)開(kai)槽形成接觸點。激(ji)光(guang)開(kai)槽后(hou)，在(zai)(zai)接觸點位置(zhi)磷擴(kuo)(kuo)散形成局(ju)部背(bei)(bei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)場。在(zai)(zai)硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)背(bei)(bei)面(mian)(mian)烝(zheng)(zheng)鍍鋁形成背(bei)(bei)面(mian)(mian)金屬化(hua)，然后(hou)在(zai)(zai)425℃條件(jian)(jian)下(xia)退火15min激(ji)活(huo)Al2O3鈍(dun)化(hua)層(ceng)(ceng)。硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)正面(mian)(mian)光(guang)刻(ke)(ke)后(hou)烝(zheng)(zheng)鍍Ti/Pd/Ag并電(dian)(dian)(dian)鍍Ag加厚電(dian)(dian)(dian)極形成正面(mian)(mian)接觸電(dian)(dian)(dian)極。

圖1.N型黑硅太陽能電池(chi)結構(gou)示意圖和電池(chi)制作工藝主要(yao)步驟

圖2.（a）通(tong)過掃描電(dian)子顯微(wei)鏡(jing)（SEM）觀察到的(de)黑硅表(biao)面。（b）910℃擴散發射(she)(she)極(ji)、硼玻璃去除、沉(chen)積(ji)Al2O3后(hou)黑硅表(biao)面反(fan)射(she)(she)率(lv)曲(qu)線(xian)和具有(you)倒(dao)金字塔絨面結構且沉(chen)積(ji)Al2O3/SiNx后(hou)對比組硅片的(de)反(fan)射(she)(she)率(lv)曲(qu)線(xian)以及(ji)通(tong)過表(biao)面反(fan)射(she)(she)率(lv)計算出的(de)兩者的(de)光譜加權平均反(fan)射(she)(she)率(lv)值（Rw）。

 3.實驗結果和討論

　　圖2是910℃擴散發射極、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線和具有倒金字塔絨面結構且沉積Al2O3/SiNx后對照組硅片的反(fan)(fan)(fan)射率(lv)曲(qu)線(xian)。在短波區域黑硅(gui)反(fan)(fan)(fan)射率(lv)比(bi)(bi)對照組(zu)(zu)樣品反(fan)(fan)(fan)射率(lv)低(di)很多，但在中(zhong)波區域對照組(zu)(zu)反(fan)(fan)(fan)射率(lv)比(bi)(bi)黑硅(gui)略低(di)。盡(jin)管黑硅(gui)表面(mian)只沉積了(le)Al2O3，通過表面(mian)反(fan)(fan)(fan)射率(lv)計算出的AM1.5光譜加(jia)權反(fan)(fan)(fan)射率(lv)比(bi)(bi)對照組(zu)(zu)低(di)。

　　表1是在標準條件下測試的4cm2區域的電池電性能數據以及虛擬填充數據。可以看出所有條件的電池包括對照組開路電壓都很低，在630mV左右。從IQE的曲線對比可以發現所有電池的背面鈍化效果較差，這主要是因為正面Al2O3、背面PassDop鈍化層所適應的退火溫度不同，也就是說高溫適用于Al2O3退火而不適用于PassDop鈍化層退火，以致背面的鈍化效果較差。所有電池短波區域的IQE都很高，說明電池正面的鈍化效果良好。這和我們之前對硼摻雜黑硅表面鈍化效果的研究相吻合，J0e高達51fA/cm2說明N型硅基體P+表面的鈍化效果良好[12]。J0e是使用高注入模型[13]并通過準靜態光電導法（QSSPC，SintonWCT-120）測試發射極均勻的樣品得到的。可以看出對照組的IQE是最高的，黑硅太(tai)陽能電(dian)池的IQE隨著溫度的升高而降低，優化黑硅太陽能電池的擴散(san)溫度(du)會使其IQE更接(jie)近(jin)對照組。

　　具有倒金(jin)字塔結構的(de)對照組電池(chi)短路電流密度Jsc最高(gao)，大小為39.9mA/cm2。黑(hei)硅(gui)太陽(yang)能(neng)電池(chi)的(de)Jsc略低且隨溫(wen)度的(de)升高(gao)而(er)降低。擴散溫(wen)度越高(gao)，結深(shen)和摻雜(za)量會(hui)越大，Jsc就會(hui)越小，這也(ye)可以(yi)從IQE曲線(xian)上(shang)看出來。另一方面黑(hei)硅(gui)太陽(yang)能(neng)電池(chi)的(de)平(ping)均反(fan)射率為2-3%，比預期的(de)反(fan)射率高(gao)，這也(ye)是(shi)引起黑(hei)硅(gui)電池(chi)Jsc低的(de)原因。但是(shi)我們已經研究分析出了造成黑(hei)硅(gui)電池(chi)反(fan)射率高(gao)的(de)原因，將來通(tong)過工藝優化(hua)可以(yi)解決(jue)這個(ge)問(wen)題。

　　所(suo)有電池(chi)的(de)(de)填充因子(zi)FF都(dou)很低(di)，其原因有待(dai)于進(jin)一(yi)步(bu)的(de)(de)研究。圖4是黑硅電池(chi)表面(mian)和(he)金屬接觸(chu)面(mian)的(de)(de)橫截面(mian)圖，可以看(kan)出金屬沒有滲(shen)入到納米小山峰(feng)的(de)(de)底部，導(dao)致(zhi)串阻升高(gao)(gao)。對(dui)照組電池(chi)的(de)(de)FF也(ye)低(di)，這(zhe)可能與基體電阻率(lv)高(gao)(gao)有關，但還(huan)需(xu)要(yao)做進(jin)一(yi)步(bu)的(de)(de)實驗研究，這(zhe)是因為其虛擬(ni)填充也(ye)比預(yu)期的(de)(de)低(di)說明FF低(di)不是串阻影響的(de)(de)。通過IV曲(qu)線沒有觀(guan)察到分流。將來需(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)優化工藝(yi)來提(ti)高(gao)(gao)黑硅電池(chi)的(de)(de)效率(lv)。

　　N型黑(hei)硅電池的效率達到了18.7%，這說明黑(hei)硅表面(mian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)是(shi)一種具有應(ying)用(yong)潛力的正面(mian)絨(rong)面(mian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)。最重要的是(shi)黑(hei)硅正面(mian)的納米結(jie)(jie)(jie)構(gou)在(zai)后(hou)續(xu)工藝工程（擴散、硼玻璃刻蝕(shi)、光刻中抗腐(fu)蝕(shi)劑應(ying)用(yong)）中不(bu)會被破環。

　　要(yao)想進(jin)一步優(you)化發(fa)射極擴散工藝，需要(yao)獲得更多關于發(fa)射極剖(pou)面(mian)(mian)的(de)信息。這可能(neng)需要(yao)通過過程模擬來處理，然而剖(pou)面(mian)(mian)測試可能(neng)不可行。優(you)化發(fa)射極剖(pou)面(mian)(mian)包括表面(mian)(mian)鈍化效果的(de)優(you)化、金屬化的(de)優(you)化。正(zheng)面(mian)(mian)Al2O3和背面(mian)(mian)PassDop層的(de)退火溫度也需要(yao)優(you)化來進(jin)一步提高電池(chi)效率。

　　表1.標準條件下測(ce)(ce)試的所有電池的電性能(neng)數據，以及通過(guo)Suns-Voc測(ce)(ce)試出的各電池的虛擬填充因子。

　　圖3.所有電池(chi)IQE曲線(xian)以及反射(she)率曲線(xian)。

　　圖(tu)4.通過(guo)SEM觀察到的黑硅和正面金屬接觸面的圖(tu)像(xiang)，可以看出金屬沒(mei)有達到納米(mi)級小(xiao)山峰的底(di)部。

　　4.結論

　　我們研究證實了原子層(ceng)沉積Al2O3可(ke)以(yi)應用(yong)到(dao)正面(mian)高(gao)(gao)濃(nong)度硼摻雜的(de)N型PERL太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)上。黑(hei)(hei)硅(gui)太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)效(xiao)率最佳可(ke)達18.7%。短(duan)波區域IQE很(hen)高(gao)(gao)說明(ming)硼摻雜黑(hei)(hei)硅(gui)正面(mian)PA-ALDAl2O3的(de)鈍(dun)化(hua)效(xiao)果良好(hao)。研究結(jie)果表(biao)明(ming)：黑(hei)(hei)硅(gui)正面(mian)的(de)納(na)米級(ji)小山峰結(jie)構在后(hou)續(xu)的(de)工(gong)藝(yi)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)（擴(kuo)散(san)、硼玻璃刻蝕(shi)(shi)、光刻中抗腐蝕(shi)(shi)劑應用(yong)）中沒有被破環(huan)。對(dui)工(gong)藝(yi)進一步優化(hua)可(ke)以(yi)提高(gao)(gao)黑(hei)(hei)硅(gui)太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)的(de)轉換效(xiao)率，例(li)如擴(kuo)散(san)工(gong)藝(yi)優化(hua)、正面(mian)鈍(dun)化(hua)和金屬接觸優化(hua)等(deng)。首次嘗(chang)試把(ba)Al2O3鈍(dun)化(hua)層(ceng)引入到(dao)N型黑(hei)(hei)硅(gui)太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)中，我們對(dui)結(jie)果很(hen)滿意。