原子层沉积ALD技术实现边缘钝化，TOPCon电池效率提高0.123%

 

原子层沉积（ALD）技术因其优异的可控性、均匀性和共形性而在微纳电子、能源存储等领域有广泛应用。在200°C和60 rpm的条件下，使用三甲基铝和水作为前驱体，形成了高质量的Al2O3薄膜，沉积速率为0.12 nm/s，表面粗糙度为0.883 nm，少数载流子寿命为189.6μs。边缘钝化后的TOPCon太阳能电池效率提高了0.123%，组件功率增加了3.78W。

 

原子层沉积（ALD）的流程图

 

ALD流程图

 

 

前驱体运输：氮气将两种前驱体（在本研究中为TMA和水蒸气）分别运送到不同的反应室，并且高纯度氮气将两者隔开。

 

基底旋转至TMA反应室：基底（硅片）旋转进入TMA（三甲基铝）反应室，TMA通过化学吸附与基底表面结合，形成新的官能团。

 

基底清洗：基底退出TMA反应室，旋转至高纯氮气室，清洗未反应的前驱体和反应产物，完成第一个半反应。

 

基底旋转至水蒸气反应室：基底旋转进入水蒸气反应室，水蒸气与基底上的官能团发生化学反应。

 

基底再次清洗：基底退出水蒸气反应室，旋转至高纯氮气室清洗基底表面，标志着第二个半反应的结束。

 

完成上述五个过程构成一个完整的ALD循环，每个循环仅包含单分子层反应，通过重复上述步骤来制造出所需厚度的薄膜。Al2O3薄膜样本制备

 

使用P型双面抛光硅片，厚度为150μm，尺寸为158 mm×158 mm，电阻率为0.4-1.5Ω·cm。硅片首先经过超声清洗，使用丙酮、无水乙醇和去离子水各清洗15分钟，然后在高纯度氮气氛围中干燥。将清洗干燥后的硅片放置在旋转空间型原子层沉积（RS-ALD）反应室内。

 

在不同的温度（80°C-300°C）、旋转速度（30 rpm-180 rpm）和工艺周期（200周期）下制备多组Al2O3薄膜，需要对薄膜的沉积速率、表面形状和钝化能力进行表征，以得到最佳工艺条件下的Al2O3薄膜。TOPCon电池边缘钝化

 

TOPCon电池的边缘钝化流程

 

 

采用热激光分离（TLS）技术对商业 TOPCon 电池（尺寸为 182mm×91mm，正面为硼发射极）进行切割。

 

这种切割技术能够使电池获得相对更光滑的切割表面，相比于其他切割方法，TLS 技术在减少切割过程中对电池材料的损伤方面具有优势。Al2O3薄膜的表征

 

厚度和折射率测量

 

不同温度下和不同转速下的膜厚和折射率

 

 

不同温度下的薄膜厚度和折射率

 

通过椭圆偏振光谱仪测量发现，随着沉积温度的增加，Al2O3薄膜的厚度先增加后减少。在200℃时，薄膜厚度达到最大值26.3 nm，沉积速率为0.065 nm/s。在更高的温度下，薄膜厚度减少，可能是由于硅片表面的解析反应。

 

折射率：在200℃时，折射率最大值为1.708，表明在该温度下沉积的Al2O3薄膜密度略高。

 

不同转速下的薄膜厚度和折射率

 

随着旋转速度的增加，薄膜厚度逐渐减少，从30 rpm时的26.3 nm减少到60 rpm时的23.9 nm，再到90 rpm时的18.2 nm。这可能是由于旋转速度过快导致基底在每个反应室中的停留时间过短，导致反应物在基底上的吸附不饱和。

 

折射率：薄膜的折射率相对稳定在1.66到1.68之间，表明旋转速度对薄膜密度的影响较小。

 

不同温度在不同转速下的沉积速率

 

 

沉积速率变化：

 

在200℃时，沉积速率在30 rpm和60 rpm时较高，特别是在60 rpm时达到最高沉积速率0.12 nm/s。在250℃时，随着旋转速度的增加，沉积速率在90 rpm时达到最高，为0.14 nm/s。

 

温度对沉积速率的影响：

 

在200℃时，较高的沉积速率表明在这个温度下，反应条件较为理想，能够实现较快的沉积速度。在250℃时，尽管在90 rpm时沉积速率最高，但此时Al2O3薄膜的厚度为19.4 nm，可能表明在较高温度下，基底表面发生了解析反应，影响了薄膜的质量。

 

旋转速度对沉积速率的影响：

 

随着旋转速度的增加，沉积速率在一定范围内增加，然而，过高的旋转速度可能导致基底在反应室内的停留时间过短，不足以完成充分的化学反应，从而影响沉积速率和薄膜质量。X射线光电子能谱分析

 

薄膜表面的 XPS 光谱

 

 

XPS谱图显示单一峰而非双峰，结合能约为75eV，表明薄膜中Al的存在形式仅为Al2O3；在532.0 eV处的峰属于Al-O，进一步证实了Al2O3的存在。表面形貌和粗糙度表征

 

不同转速下Al2O3薄膜的表面形态

 

 

(a：30转/min b：60转/min c：180转/min）

 

 

在200°C、200个周期、100 sccm TMA流量和不同旋转速度（30 rpm、60 rpm、180 rpm）下制备的Al2O3薄膜的AFM图像显示，随着旋转速度的增加，表面粗糙度逐渐增加。

 

平均粗糙度（Ra）分别为30 rpm时的0.544 nm、60 rpm时的0.883 nm和180 rpm时的0.889 nm，60rpm 时薄膜厚度在中心更均匀，对大规模生产更重要。少数载流子寿命测量

 

不同转速下Al2O3薄膜的工艺参数及少数载流子寿命

不同转速下的少数载流子寿命

 

 

在不同旋转速度下制备的Al2O3薄膜的少数载流子寿命测量结果显示，30 rpm时为192 μs，60 rpm时为189.6 μs，表现出相似的钝化效果。

 

随着旋转速度的增加，少数载流子寿命开始下降，90 rpm时为155.6 μs，120 rpm时降至116.5 μs。电池和组件I-V测试

 

TOPCon太阳能电池钝化前后的平均性能增益

 

 

开路电压（Voc）：Al2O3沉积的电池组相比于未处理的对照组，开路电压有所提升，其中在200℃下沉积的电池组提升最为显著，提升了1.7 mV。

 

填充因子（FF）：Al2O3沉积的电池组填充因子有所提高，200℃下沉积的电池组提高了0.23%。

 

效率（η）：Al2O3沉积的电池组效率有所提高，200℃下沉积的电池组提高了0.123%。

 

组件性能：将电池组合成组件后，200℃下沉积Al2O3的组件开路电压提高了0.11 V，填充因子提高了0.37%，功率输出增加了3.78 W。

 

通过在TOPCon太阳能电池的边缘沉积Al2O3薄膜，实现了电池效率的显著提升，处理后的电池效率提高了0.123%，组件功率增加了3.78W。RS-ALD技术相比于传统ALD技术，具有更高的沉积速率和更好的薄膜均匀性，同时还能提高生产效率。美能UVPLUS SE光谱椭偏仪

 

 

 

美能UVPLUS SE光谱椭偏仪是专门针对太阳能电池研发和质量把控领域推出的一款设备，基于绒面太阳能电池专用的高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专用于测量和分析光伏领域中多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率、消光系数），波长范围覆盖紫外、可见到近红外。

 

• 先进的旋转补偿器测量技术，Delta测量范围0-360°，无测量死角

 

• 高灵敏检测粗糙表面散射和极低反射率为特征的绒面太阳能电池表面镀层

 

• 专门针对多层薄膜检测设计，满足双层膜（如SiNx/SiO2,SiNx2/SiNx1,SiNx/Al2O3）检测

 

多入射角度结构设计，高灵活测量，满足复杂样品测试需求

 

 

随着原子层沉积技术（ALD）在TOPCon电池边缘钝化中的应用，成功地将电池效率提升了0.123%，这一成果不仅展示了ALD技术在光伏领域的潜力，也体现了精确表征工具的重要性。美能UVPLUS SE光谱椭偏仪发挥了不可或缺的作用，它为我们提供了精确的薄膜厚度和折射率测量，这些数据对于优化ALD工艺参数和评估Al2O3薄膜性能至关重要。

 

原文出处：Optimization of the deposited Al2O3 thin film process by RS-ALD and edge passivation applications for half-solar cells

 

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