基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)制備多晶黑硅材料

基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)制備多晶黑硅材料

0晶圓級黑硅材料的制備減反和減反效果目前，太陽電池的研究方向是提高電池效率，降低成本，減少太陽電池表面的反射率。提高電池效率的有效方法是：。通常利用堿液和IPA混合溶液對單晶硅進行異性腐蝕制備金字塔結(jié)構(gòu)來減少單晶硅太陽電池的表面反射率,而多晶硅由于晶向雜亂,常用酸溶液在硅片表面制備出腐蝕坑進行減反,但減反效果并不理想。利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法制備的多晶硅表面減反射層,可有效避免多晶硅晶向雜亂的影響,但反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備昂貴,反應(yīng)條件苛刻,需要在低溫下實現(xiàn)。而用機械刻槽的方式制備的多晶硅減反層,則會在硅片表面引入硅片碎末。飛秒激光脈沖法能制備出準規(guī)則的黑硅尖峰結(jié)構(gòu),具有極低的反射率,但飛秒激光設(shè)備昂貴,生產(chǎn)效率低,不利于太陽電池的大規(guī)模生產(chǎn)。本文利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)(PIII)成功制備了多晶黑硅材料,并分別對黑硅材料的形貌、表面反射率和有效少子壽命進行研究分析。利用多晶黑硅材料制備太陽電池器件,并研究黑硅太陽電池的抗反射性能、量子效率、I-V曲線等,最后研究了擴散工藝對多晶黑硅太陽電池性能的影響。1黑硅材料的多晶研究1.1等離子浸沒離子注入實驗樣品為商用的p型多晶硅材料,尺寸為156mm×156mm,厚度在200±20μm,平均電阻率為1~3Ω·cm。等離子浸沒離子注入設(shè)備為自行研制的等離子體浸沒離子注入機。首先利用約80℃的15%氫氧化鈉溶液對多晶硅進行清洗,去除表面的機械切割損傷層,再通過酸溶液清洗表面污染物,最后進行等離子浸沒離子注入制備黑硅材料。等離子浸沒離子注入制備黑硅材料的原理是反應(yīng)氣體SF6與O2在13.56MHz的射頻功率下等離子體化,SF6氣體等離子體化生成的SFx*(x≤5)活性基離子刻蝕硅片,產(chǎn)生SiF4氣體;O2氣體等離子體化生成的O*基離子用于形成SixOyFz鈍化側(cè)壁。在刻蝕與鈍化的競爭作用下,形成黑硅結(jié)構(gòu)。圖1為多晶黑硅材料表面的原子力顯微鏡(AFM)圖,從圖中看出黑硅表面形貌呈小山峰。黑硅材料表面AFM的高度分布圖見圖2,小山峰的高度為50~150nm,直徑為300~500nm。根據(jù)圖2可計算出黑硅表面積為黑硅面積的1.2倍,表面算術(shù)粗糙度為表面均方根粗糙度為1.2黑硅材料的缺陷圖3為黑硅材料和酸制絨硅片表面的反射率與波長關(guān)系曲線。在300~1100nm波段,黑硅的平均反射率為7.9%,酸制絨多晶硅的平均反射率為29.3%。尤其在300~500nm短波段,黑硅材料的表面反射率遠遠低于酸制絨硅片。黑硅材料表面形貌為百納米級別的小山峰結(jié)構(gòu),入射的太陽光線在小山峰結(jié)構(gòu)上經(jīng)過多次折射和反射,使得黑硅材料具有良好的陷光效果。圖4為原始多晶硅片、酸制絨硅片和多晶黑硅片的有效少子壽命圖,由圖可看出,酸制絨硅片的平均少子壽命比原始硅片的少子壽命高,說明在酸制絨過程中去除了原始多晶硅表面的損傷層,提高了少子壽命,而黑硅的少子壽命比原始硅片和酸制絨硅片的少子壽命低,可能因為黑硅的表面結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較高的電子-空穴復(fù)合速率,少子的擴散長度變短,少子壽命減小。2黑硅太陽電池的應(yīng)用研究2.1nx薄膜反射率曲線利用黑硅材料制備了太陽電池器件,同時利用酸制絨硅片制備了太陽電池作為參照。圖5為黑硅和酸制絨多晶硅表面PECVD生長SiNx薄膜后的反射率曲線,從反射率曲線可看出,酸制絨太陽電池片在750~1000nm波段具有非常低的反射率,比黑硅太陽電池片的反射率低。這是因為酸制絨太陽電池片上沉積的SiNx膜的膜厚在70~80nm,對應(yīng)在該波段具有非常低的反射率。而多晶黑硅太陽電池片在波段300~1100nm都有較低的反射率,這是因為黑硅材料表面的陷光結(jié)構(gòu)在該波段對太陽光具有高的吸收率。2.2黑硅和酸制絨太陽電池的量效關(guān)系黑硅太陽電池與酸制絨太陽電池量子效率如圖6所示,由圖可看出,黑硅太陽電池對短波段(300~410nm)的響應(yīng)比酸制絨太陽電池低,而在410~700nm波段的響應(yīng)卻比酸制絨太陽電池高,這是因為黑硅表面的電子-空穴復(fù)合率高,降低了短波響應(yīng),而黑硅在410~700nm波段的反射率低,決定了黑硅在中波段具有較高的外量子效率。在700~1100nm波段黑硅太陽電池與酸制絨太陽電池的量子效率基本一致,這一波段的響應(yīng)反映了電池背場鈍化效果,說明黑硅和酸制絨太陽電池在相同的工藝下具有一致的長波響應(yīng)。圖6中實線為AM1.5標準條件下在300~1100nm波段的相對太陽光光子數(shù),可看出,太陽光光子數(shù)主要集中在500~900nm波段,因此黑硅太陽電池在410~700nm波段較高的量子效率可彌補由于表面缺陷和表面態(tài)等引起的較差短波響應(yīng)。圖7為黑硅太陽電池和參照電池的I-V曲線,黑硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15.88%,開路電壓為605mV,短路電流密度為33.7mA/cm2。與常規(guī)酸制絨電池相比,黑硅太陽電池的短路電流較低,這是因為黑硅材料的表面積相對面積較大,使得黑硅表面的電子-空穴復(fù)合增加;黑硅沉積SiNx薄膜后的少子壽命(10.1μs)比酸制絨的(16.4μs)低,表明黑硅太陽電池的鈍化效果比酸制絨太陽電池弱,電子-空穴的復(fù)合率增高,電極收集到的電荷少,短路電流降低。而黑硅太陽電池開路電壓較低,原因在于黑硅的陷光結(jié)構(gòu)增大了表面粗糙度,圖2黑硅材料AFM的分析表明黑硅表面的粗糙度約為50nm,因此在磷擴散制備p-n結(jié)過程中,形成的p-n結(jié)不均勻,降低了開路電壓。2.3磷擴散溫度對串聯(lián)電阻的影響不同的磷擴散溫度下黑硅和酸制絨硅片的方塊電阻變化曲線見圖8,從圖中看出,隨著擴散溫度升高,黑硅材料和酸制絨材料的方塊電阻值呈下降趨勢。在相同的磷擴散溫度下,黑硅材料的方塊電阻都比酸制絨材料的方塊電阻低,這是由于黑硅材料表面的小山峰結(jié)構(gòu)有利于磷擴散,摻雜濃度相對較高,從而獲得較低的方塊電阻值。圖9為黑硅太陽電池在不同磷擴散溫度下的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻變化曲線,隨著磷擴散溫度的升高,串聯(lián)電阻變小,在825℃之后維持在約3.3mΩ。這是因為電池的串聯(lián)電阻由電極電阻、電極接觸電阻、發(fā)射區(qū)電阻和體電阻組成,擴散溫度升高,方塊電阻變小,發(fā)射區(qū)電阻也變小,而當(dāng)擴散溫度升高到825℃之后,發(fā)射區(qū)電阻對串聯(lián)電阻的貢獻可忽略,因此串聯(lián)電阻維持一個恒定值。并聯(lián)電阻隨擴散溫度的升高而變大,并聯(lián)電阻值均大于12Ω,可獲得良好的電池p-n結(jié)反向特性。圖10為擴散溫度對黑硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響。在擴散溫度為825℃時,黑硅太陽電池具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率,原因是825℃擴散溫度使黑硅太陽電池獲得理想的方塊電阻值。當(dāng)擴散溫度高于825℃時串并聯(lián)電阻特性良好,但方塊電阻值變低,而低的方塊電阻值使得發(fā)射極少子擴散長度變短,電子-空穴復(fù)合嚴重。3太陽電池器件利用等離子體浸沒離子注入成功制備了多晶黑硅材料,其表面結(jié)構(gòu)為小山峰結(jié)構(gòu),表面粗糙度約為50nm,