黑硅在很寬的波長范圍內(nèi)具有反射率低、接受角廣的優(yōu)點(diǎn)，在太陽能電池領(lǐng)域倍受關(guān)注。本文將黑硅制絨工藝應(yīng)用到N型硅基體上制備成的太陽電池效率高達(dá)18.7%。在N型黑硅表面可以制作高濃度硼摻雜的發(fā)射極且不影響黑硅表面的光學(xué)特性，然后在黑硅發(fā)射極表面原子層沉積Al2O3，起到優(yōu)異的表面鈍化效果。

1.引言

黑硅表面有納米級小山峰，反射率很低。通過優(yōu)化反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝的參數(shù)來制作黑硅，由于其在很寬的波段范圍內(nèi)反射率都很低且接受角廣而備受關(guān)注。除了RIE還有其他制作黑硅的方法，如激光制絨、金屬催化濕化學(xué)刻蝕、等離子體浸沒離子注入等。黑硅在太陽能電池應(yīng)用中的一個(gè)難題是黑硅表面面積增大而導(dǎo)致表面復(fù)合速率增大，進(jìn)而造成短波段的光譜響應(yīng)變差。黑硅已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到P型電池上，通過熱氧化和沉積SiNx作為正面鈍化層。但是低反射率的增益無法彌補(bǔ)高表面復(fù)合速率的影響，電池效率較低，效率最高可達(dá)到18.2%。

近幾年來，Al2O3被認(rèn)為是P型、N型、P+表面最有發(fā)展?jié)摿Φ碾娊橘|(zhì)鈍化層。Al2O3的鈍化效果與硅片表面的低缺陷密度和Si/Al2O3接觸面固定負(fù)電荷有關(guān)。在光伏行業(yè)，原子層沉積（ALD）的出現(xiàn)解決了黑硅表面復(fù)合速率高的難題，ALDAl2O3對P型黑硅表面具有良好的鈍化效果。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用5ΩcmFZN型硅片制作黑硅鈍化發(fā)射極背面局部擴(kuò)散太陽能電池（PERL）。圖1為太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖和制備太陽能電池的工藝流程圖。制備了正面只有Al2O3的黑硅太陽能電池，同時(shí)制備了正面具有倒金字塔結(jié)構(gòu)和Al2O3/SiNx鈍化層的電池作對照組。對照組電池和黑硅太陽能電池唯一的不同是正面的倒金字塔結(jié)構(gòu)和等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）的65nm厚的SiNx層。首先在硅片表面制作氧化層掩膜留出2*2cm2的窗口。通過RIE使用SF6/O2在120℃條件下刻蝕硅片窗口位置7分鐘制作黑硅。圖2a顯示了黑硅表面隨機(jī)納米級小山峰的平均高度和寬度為1ｕm和200nm。在890℃、910℃、930℃三個(gè)條件下BBr3擴(kuò)散形成硼發(fā)射極。黑硅表面等離子輔助原子層沉積（PA-ALD）10nm厚的Al2O3，背面通過PassDop工藝進(jìn)行鈍化。PassDop工藝包括PECVD沉積磷摻雜非晶SiCx：H層，在鈍化層表面激光開槽形成接觸點(diǎn)。激光開槽后，在接觸點(diǎn)位置磷擴(kuò)散形成局部背表面場。在硅片背面烝鍍鋁形成背面金屬化，然后在425℃條件下退火15min激活A(yù)l2O3鈍化層。硅片正面光刻后烝鍍Ti/Pd/Ag并電鍍Ag加厚電極形成正面接觸電極。

圖1.N型黑硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖和電池制作工藝主要步驟

圖2.（a）通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到的黑硅表面。（b）910℃擴(kuò)散發(fā)射極、硼玻璃去除、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線和具有倒金字塔絨面結(jié)構(gòu)且沉積Al2O3/SiNx后對比組硅片的反射率曲線以及通過表面反射率計(jì)算出的兩者的光譜加權(quán)平均反射率值（Rw）。

 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

　　圖2是910℃擴(kuò)散發(fā)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(jié)構(gòu)且沉積Al2O3/SiNx后對照組硅片的反射率曲線。在短波區(qū)域黑硅反射率比對照組樣品反射率低很多，但在中波區(qū)域?qū)φ战M反射率比黑硅略低。盡管黑硅表面只沉積了Al2O3，通過表面反射率計(jì)算出的AM1.5光譜加權(quán)反射率比對照組低。

　　表1是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測試的4cm2區(qū)域的電池電性能數(shù)據(jù)以及虛擬填充數(shù)據(jù)?？梢钥闯鏊袟l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(fā)現(xiàn)所有電池的背面鈍化效果較差，這主要是因?yàn)檎鍭l2O3、背面PassDop鈍化層所適應(yīng)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(qū)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(dá)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(zhǔn)靜態(tài)光電導(dǎo)法（QSSPC，SintonWCT-120）測試發(fā)射極均勻的樣品得到的?？梢钥闯鰧φ战M的IQE是最高的，黑硅太陽能電池的IQE隨著溫度的升高而降低，優(yōu)化黑硅太陽能電池的擴(kuò)散溫度會(huì)使其IQE更接近對照組。

　　具有倒金字塔結(jié)構(gòu)的對照組電池短路電流密度Jsc最高，大小為39.9mA/cm2。黑硅太陽能電池的Jsc略低且隨溫度的升高而降低。擴(kuò)散溫度越高，結(jié)深和摻雜量會(huì)越大，Jsc就會(huì)越小，這也可以從IQE曲線上看出來。另一方面黑硅太陽能電池的平均反射率為2-3%，比預(yù)期的反射率高，這也是引起黑硅電池Jsc低的原因。但是我們已經(jīng)研究分析出了造成黑硅電池反射率高的原因，將來通過工藝優(yōu)化可以解決這個(gè)問題。

　　所有電池的填充因子FF都很低，其原因有待于進(jìn)一步的研究。圖4是黑硅電池表面和金屬接觸面的橫截面圖，可以看出金屬?zèng)]有滲入到納米小山峰的底部，導(dǎo)致串阻升高。對照組電池的FF也低，這可能與基體電阻率高有關(guān)，但還需要做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，這是因?yàn)槠涮摂M填充也比預(yù)期的低說明FF低不是串阻影響的。通過IV曲線沒有觀察到分流。將來需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝來提高黑硅電池的效率。

　　N型黑硅電池的效率達(dá)到了18.7%，這說明黑硅表面結(jié)構(gòu)是一種具有應(yīng)用潛力的正面絨面結(jié)構(gòu)。最重要的是黑硅正面的納米結(jié)構(gòu)在后續(xù)工藝工程（擴(kuò)散、硼玻璃刻蝕、光刻中抗腐蝕劑應(yīng)用）中不會(huì)被破環(huán)。

　　要想進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射極擴(kuò)散工藝，需要獲得更多關(guān)于發(fā)射極剖面的信息。這可能需要通過過程模擬來處理，然而剖面測試可能不可行。優(yōu)化發(fā)射極剖面包括表面鈍化效果的優(yōu)化、金屬化的優(yōu)化。正面Al2O3和背面PassDop層的退火溫度也需要優(yōu)化來進(jìn)一步提高電池效率。

　　表1.標(biāo)準(zhǔn)條件下測試的所有電池的電性能數(shù)據(jù)，以及通過Suns-Voc測試出的各電池的虛擬填充因子。

　　圖3.所有電池IQE曲線以及反射率曲線。

　　圖4.通過SEM觀察到的黑硅和正面金屬接觸面的圖像，可以看出金屬?zèng)]有達(dá)到納米級小山峰的底部。

　　4.結(jié)論

　　我們研究證實(shí)了原子層沉積Al2O3可以應(yīng)用到正面高濃度硼摻雜的N型PERL太陽能電池上。黑硅太陽能電池效率最佳可達(dá)18.7%。短波區(qū)域IQE很高說明硼摻雜黑硅正面PA-ALDAl2O3的鈍化效果良好。研究結(jié)果表明：黑硅正面的納米級小山峰結(jié)構(gòu)在后續(xù)的工藝處理過程（擴(kuò)散、硼玻璃刻蝕、光刻中抗腐蝕劑應(yīng)用）中沒有被破環(huán)。對工藝進(jìn)一步優(yōu)化可以提高黑硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，例如擴(kuò)散工藝優(yōu)化、正面鈍化和金屬接觸優(yōu)化等。首次嘗試把Al2O3鈍化層引入到N型黑硅太陽能電池中，我們對結(jié)果很滿意。