激光在PERC晶硅電池中背面點接觸電極制備中的應(yīng)用

1、第 34卷 第 5期 2013年 5月發(fā) 光 學(xué) 報CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol. 34No. 5 May , 2013文章編號 :1000-7032(2013 05-0634-05激光在 PERC 晶硅電池中背面點接觸電極制備中的應(yīng)用王仕建 1, 2, 賈 銳 1*, 張希清 2,孫 昀 1, 孟彥龍 1, 丁武昌 1, 崔冬萌 1, 陳 晨 1, 任高全 3(1中國科學(xué)院微電子研究所 太陽能電池研究中心 , 北京 100029;2北京交通大學(xué)理學(xué)院 光電子技術(shù)研究所 , 北京 100044; 3許昌開普電器檢測研究院 , 河南 許昌 461000摘要

2、 :在經(jīng)過 Al 2 O3全鈍化發(fā)射極鈍化局部背接觸 (PERC 結(jié)構(gòu)電池的背面實現(xiàn)良好的接觸電極一直是制約著 PERC 高效電池向產(chǎn)業(yè)化推廣的重要因素之一 。 本文采用 532nm 激光燒蝕背面鈍化介質(zhì)層方法和傳統(tǒng) 的光刻工藝來實現(xiàn)背面電極的局部接觸 , 并對兩種方法進行詳細的比較與分析 。 對激光燒蝕和激光燒結(jié)兩 種不同的局部接觸電極制備方式進行了對比 , 發(fā)現(xiàn)激光燒蝕是更為適宜的工藝方式 。 相較于激光燒結(jié) , 以激 光燒蝕方式制備的電池的串聯(lián)面接觸電阻從 107·cm 2降到 124·cm 2, 效率從 42%提高到 107%。關(guān) 鍵 詞 :晶硅電池 ; Al 2

3、O3; 局部接觸 ; 激光燒蝕 ; 激光燒結(jié)中圖分類號 :TM9144+文獻標識碼 :A DOI :103788/fgxb201334050634Application of Laser Technique for Fabrication ofRear Dot-contact of PERC Crystalline Silicon Solar CellWANG Shi-jian 1, 2, JIA Rui 1*, ZHANG Xi-qing 2, SUN Yun 1,MENG Yang-long 1, DING Wu-chang 1, CUI Dong-meng 1, CHEN Chen 1,

4、 REN Gao-quan 3 (1Solar cell Research Centre , Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029, China ;2Key Laboratory of Luminescence and Optical Information , Ministry of Education ,Institute of Optoelectronic Technology , Beijing Jiaotong University , Beijing 100044,

5、 China ;3China KETOP Lab , Xuchang 461000, China *Corresponding Author , E-mail :jiarui imeaccnAbstract :One of the factors restricting the appliance of high-efficiency passivated emitter and rear cell (PERC -type solar cell to the industrial silicon solar cell is that the formation of good ohmic co

6、n-tacts on the rear side of PERC-type solar cell passivated by Al 2 O3filmThis work focuses on the for-mation of rear local contacts instead of high efficiency by using laser ablation with 532nm wave-length and conventional photolithographic techniqueThe results of the contact formed by these two me

7、thods are compared and analyzedIn addition , we compare and analyze the rear local contacts formed by laser ablation and laser firing using 532nm line laserThe results suggest that the laser ablation can provide better contacts in the PERC-type solar cellThe contact resistance of the solar cell usin

8、g laser ablation technique is reduced to 124·cm 2from 107·cm 2using laser firing method , and the efficiency is enhanced from 42%to 107%Key words :crystalline silicon solar cells ; Al 2 O3; local contacts ; laser ablation ; laser fired contact收稿日期 :2013-02-22; 修訂日期 :2013-04-02基金項目 :國家 “ 97

9、3” 計劃 (2009CB939703 ; 國家 “ 863” 計劃 (2012AA050304 ; 國家自然科學(xué)基金 (51172268, 11104319, 11274346, 51202285 ; 基金重點 61234005; 北京市 Y2BK024001; 中科院 Y1YT064001、 Y1YF034001、 Y2YF014001項目基金資助作者簡介 :王仕建 (1986 , 男 , 山東臨沂人 , 主要從事光電子材料與器件的研究 。E-mail :wangshijian1986126com第 5期 王仕建 , 等 :激光在 PERC 晶硅電池中背面點接觸電極制備中的應(yīng)用 635 1

10、引 言傳統(tǒng)晶硅電池采用全 Al 背場的方式來對背表面進行鈍化 , 在一定程度上降低了電池的制備工藝成本 。 但隨著硅片的厚度越來越薄 , 全 Al 背場的弊端逐漸顯現(xiàn) , 如全 Al 背場電極制備過程中造成的硅片翹曲 、 Al-Si 合金層對電池紅外波段反射能力差以及全 Al 背場電極的大面積電極接觸造成電極復(fù)合較重等 , 這些問題制約了電池效率的進一步提升 。 為此 , 采用較高鈍化質(zhì)量的介質(zhì)層對背面進行全鈍化來替代全 Al 背場 , 并通過局部點接觸的方式降低電極接觸面積減小電極復(fù)合成為進一步改善電池效率的有效途徑 。通過原子層沉積系統(tǒng) (ALD 生長的 Al 2O 3對P 和 N 型 硅

11、 (c-Si 表 面 能 起 到 顯 著 的 鈍 化 效果 1-2, 以其為鈍化層的晶硅電池的效率已達到232%3。 Al 2 O3自身帶有負電荷 , 對 P 型硅 (c-Si 的場鈍化效果優(yōu)于熱生長的 SiOx的鈍化效 果 4。 Al 2O 3用于背面全鈍化的 PERC 結(jié)構(gòu)電池 是未來一個很重要的發(fā)展方向 。 目前已報道多種 背面點接觸的實現(xiàn)方式 , 如光刻 5、 噴墨打印 7、 激光燒蝕 8等 。 其中光刻是實驗室中較為常用 且比較成熟的一種實現(xiàn)點接觸的方式 , 但是其工 藝的復(fù)雜性以及對環(huán)境的污染限制了其在大規(guī)模 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 6。 噴墨打印技術(shù)需要先制 備掩膜再腐蝕掉介質(zhì)層 ,

12、整個工藝需要三步 ; 而激 光燒蝕技術(shù)僅需要一步就可以在介質(zhì)層上形成接 觸窗口 。 隨著硅片厚度的不斷減薄 , 激光燒蝕技 術(shù)具有的無接觸加工 、 方便快捷 、 精確度高等特 點 , 在大規(guī)模電池生產(chǎn)中愈加顯現(xiàn)出優(yōu)勢 。 Peter Engelhart 等 8發(fā)現(xiàn) , 激光燒蝕不會對介質(zhì)層的鈍 化效果產(chǎn)生任何的影響 , 并且對電池的少子壽命 、 開路電壓 、 填充因子等電池性能造成的損傷也可 忽略不計 。 I Sánchez-Aniorte 等 9通過對少子壽 命的分析發(fā)現(xiàn) , 選擇不同波長的激光對發(fā)射極飽 和電流的影響微乎其微 。到目前為止 , 激 光 技 術(shù) 在 太 陽 能 電

13、池 加 工 上的應(yīng)用已有 20多年的歷史 。 激光燒蝕 技 術(shù) 應(yīng)用 在 PERC 結(jié) 構(gòu) 電 池 上 獲 得 的 效 率 已 逾 20%6。 本文采用 532nm 激 光 器 制 備 了 基 于Al 2 O3鈍化的晶硅電池 , 對激光燒蝕和激光燒結(jié)兩種不同的局部接觸電極制備方式進行對比 , 發(fā)現(xiàn)激光燒蝕是更為適宜的工藝方式 。 相較于 激光燒結(jié) , 以激光燒蝕方式制備的電池的串聯(lián)面接 觸電阻從 107·cm 2降到 124·cm 2, 效率從 42%提高到 107%。2實 驗實驗采用雙面拋光的直徑為 508cm (2in 的 P 型 100 Cz 硅晶圓片作為襯底 , 面

14、接觸電阻 為 10·cm 。 晶圓襯底為同一批次 , 以保證實驗 中比對樣品的一致性 。 所有樣品經(jīng)過標準 RCA 清洗 。首先任選兩個樣品 , 一個不做任何處理 , 另一 個通過原子層沉積 (ALD 系統(tǒng)生長一定厚度的 Al2O3, 再在相應(yīng)的惰性氣體中做退火處理 。 然后 分別對樣品做少子壽命測試 。按照常規(guī)的倒金字塔制絨工藝進行絨面制 備 。 樣品在清洗之后采用 POCl 3單面擴散制備發(fā) 射區(qū) , 發(fā)射區(qū)方塊電阻為 40 80/ 。 對擴散 樣品去磷硅玻璃之后 , 放入 Beneq TSF-100原子 層沉積系統(tǒng)中 , 采用熱反應(yīng)的方式進行 Al 2O 3鈍 化層沉積 , 反

15、應(yīng)前驅(qū)物為三甲基鋁 (TMA 和去離 子水 。 然后 , 通過等離子增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(PECVD 在 Al2O3上面沉積一定厚度的 SiN x 作 為保護層 , 再在前表面沉積 SiN x 作為發(fā)射區(qū)鈍化 層及減反層 。接下來將樣品分為 A 、 B 、 C 3組 。 首先 , 以傳 統(tǒng)光刻方式制備背面點接觸區(qū) , 將其作為參比樣 品 A 。 背面點接觸區(qū)為 50m 50m 的正方 形 , 區(qū)域間距為 250m 。 樣品 B 采用激光燒蝕方 法在背面形成局部接觸窗口 , 樣品 C 暫無處理 。 將 A 、 B 、 C 3組樣品通過絲印的方式制備前表面 Ag 柵線電極以及背面 Al 電極 ,

16、最后共燒形成電Sample A Sample B Sample C P diffusionremoval of P-Si glass layerAl 2O 3passivate rear surfaceSiN x deposition at rear surfaceSiN x deposition at front surfaceas passivation and antireflection layerPhotolithographyform local contactarea at the rearsufrfacelaser ablationof rear SiN xScreenprin

17、t Ag electrode at front surfaceScreenprint Al electrode at rear surfaceCo-firinglaser firedrear electrode 圖 1樣品的制備工藝流程Fig1Fabrication process of the samples636發(fā) 光 學(xué) 報 第 34卷極接觸 。 在形成柵線接觸之后 , 通過激光燒結(jié)的 方式在樣品 C 的背面形成局部接觸點 。 具體操 作步驟及樣品結(jié)構(gòu)如圖 1和圖 2所示 。實驗中采用的激光器為 532nm Nd YVO 3脈沖激光器 ,功率為 169W , 頻率為 100kHz , 脈

18、 沖寬度為 30ns 。 采用日本 3A 級太陽光模擬器 及 Keithley 2400電流計測試太陽能電池的 I-V 特性 。Sample AP-type, C-SiAl electrodeAl 2O 3/SiNxPN JunctionFront Sample BP-type, C-SiLaser fred contactAl electrodeAl 2O 3/SiNx PN Front surfaceSample CP-type, C-SiAl electrodeAl 2O 3/SiNx PN JunctionFront surface532nm laser圖 2樣品的剖面示意圖Fig2C

19、ross sectional schemes of the samples3結(jié)果與討論21Al 2O 3鈍化對少子壽命的影響圖 3為少子壽命測試結(jié)果 , 可以看出 Al 2O 3鈍化處理使少子壽命得到了顯著提高 。 Al 2O 3鈍 化硅片的平均少子壽命為 25464s ,而未處理硅 片只有 3827s 。 Al 2O 3自身帶有一定量的負電 荷 , 并且在生長過程中有 H 的參與 , 所以在硅片 表面起到了場鈍化和化學(xué)鈍化的作用。 圖 3未處理 (a 和 Al 2O 3鈍化處理后 (b 的硅片的少子 壽命測試圖Fig3Minority carrier lifetimes in wafers

20、without (a and with (b Al 2O 3passivation simples22不同結(jié)構(gòu)電池的綜合分析比較 由于 200nm SiN x 的阻擋 , 大面積的 Al 電極 與電池襯底不存在任何的電接觸 , 光生電流通過 背面 SiN x 上的電極接觸窗口進行收集 。 A 組樣 品的接觸窗口為 50m 50m 的正方形 , 窗口 間距為 250m , 電極接觸面積占電池背表面總面 積的比例為 4%(圖 4(a 。 B 組樣品采用激光 燒蝕 SiN x 層形成接觸窗口 , 燒蝕區(qū)域直徑為 80m , 間距為 400m , 電極接觸面積占電池背表面總面積的比例為 3%(圖 4(

21、b 。 C 組樣品采用 背面局部激光燒結(jié)的方式來制備電池接觸窗口 , 電極接觸面積占電池背表面總面積的 04%, 燒 結(jié)區(qū)域的形貌如圖 4(c 所示 。 激光燒結(jié)與燒蝕 采用的 532nm 激光的參數(shù)相同 , 用以比較兩種方 式制備的電池性能的優(yōu)劣 。250滋 m50滋 mSample A Sample B81.74滋 mthermal radiation region409.78滋 mSiN x laser ablation region30滋 mS48001.5k V 15.6mm ×350SE(M(a (b (c 圖 4A (a 、 B (b 、 C (c 3組樣品的背面點接觸

22、圖像 。 Fig4Rear locally contact images of Sample A (a , B (b , and C (c 第 5期 王仕建 , 等 :激光在 PERC 晶硅電池中背面點接觸電極制備中的應(yīng)用 637PERC 結(jié)構(gòu)的電池背面采用全鈍化 、 局部接觸方式來替代全 Al 背場電極 , 一方面可以采用鈍化質(zhì)量更好的介質(zhì)膜降低背表面的復(fù)合速率 , 另一方面還可以減小金屬電極與背表面的接觸面積 , 最終使開路電壓得到改善 。 經(jīng)測試得知 , A 組樣品開路電壓的平均值為 5411mV , B 組為 5478mV , C 組為 5518mV 。 隨著接觸區(qū)域面積的增大 , 電

23、池的開路電壓有一定程度的降低 。 為了進 一步說明兩者之間開路電壓存在差距的原因 , 我 們對兩種電池接觸窗口進行了剖面 SEM 掃描 , 如 圖 5所示 。 從圖 (5 可以看到 , 采用兩種方法制備 的接觸窗口在經(jīng)過燒結(jié)之后都能使 Al 與硅襯底 形成良好的接觸 。 在窗口位置 , Al 在高溫?zé)Y(jié)后 與硅形成合金并不斷向襯底擴散 。 相對而言 , 由 于光刻工藝形成的接觸窗口具有規(guī)整的邊界并且 表面的 SiN x 能夠徹底清除 , 因此燒結(jié)后 , Al 與 Si 可以形成形貌較好的共晶層并且在 Si 襯底中延 伸的深度達到了 35m 。 采用激光燒蝕制備的窗 口雖然也能形成良好的接觸 ,

24、 但是 Al-Si 共晶層 的深度僅有 6m , 這就從另一個方面造成了 Al 與 Si 之間的接觸面積要小于樣品 A 。 Al 在 Si 中 形成較淺共晶層可能是由于激光沒有將 SiN x 完 全燒蝕 , 因此在 Al 燒結(jié)過程中形成了一定的阻 擋 。 從剖面 SEM 圖上可以明顯看到 , 雖然兩種不 同電極制備方式占據(jù)背表面總面積的比例相差不 多 , 但是樣品 A 與硅襯底之間的實際接觸面積要 大很多 , 這也是較高電極復(fù)合導(dǎo)致開路電壓降低 的另一個重要的因素 , 管盡樣品 A 的電機接觸面 本身就比樣品 B 要多 1%。C 組樣品通過激光燒結(jié)的方式利用激光產(chǎn)生 的高溫將 Al 與 Si

25、襯底之間的 SiN x 燒穿 , 并形成 接觸 。 在燒結(jié)過程中 , 激光能量不僅被介質(zhì)層吸 收 , 硅襯底也要吸收一部分的能量 5, 不過更多 的激光能量還是被 Al 所吸收從而減小激光對硅 襯底的損傷 。 從圖 4(c 中可以看出 , 經(jīng)過燒結(jié)后 的 Al 電極形成直徑約 120m 的凹坑 , 大量的 Al 在激光燒結(jié)過程中熔融汽化導(dǎo)致僅在底部直徑 30m 的區(qū)域形成 Al 燒結(jié)區(qū)域 。 樣品 B 、 C 的點 間距和接觸區(qū)尺寸在設(shè)計上是一致的 , 但是由于 在激光燒結(jié)的過程中熱傳導(dǎo)效應(yīng)最終造成了外貌 上這種較大的差別 。 雖然燒結(jié)點之間的間隔同 為 400m , 但激光燒結(jié)形成的接觸區(qū)域

26、的面積卻 僅占背面總面積的 04%。 激光燒結(jié)形成的接觸(b AlS iA l-Si Eutectic layer35滋 m6滋 mA l-Si Eutectic layerS iS48001.5kV 14.8mm ×500SE(M滋 m圖 5A 組 (a 、 B 組 (b 電池?zé)Y(jié)后局部接觸區(qū)域剖面的 SEM 圖 。Fig5Cross sectional SEM images of the contacts of sample A (a and B (b after sinter process區(qū)域直徑僅為 30m , 這樣雖然器件最終的開路 電壓較高 , 但也導(dǎo)致了較高的串阻 。

27、 B 、 C 兩組電 池的燒結(jié)溫度 、 方式以及時間等工藝的不同也可 能是造成兩者電阻差異的一個因素 , 這些工藝的 優(yōu)化還有待進一步的研究 。表 1為 3組樣品的性能比較 。 從平均性能上 來看 , 雖然 A 組的平均開路電壓略低 , 但是串聯(lián) 電阻要比其他兩種電池低很多 , 這樣 A 組樣品中 性能最好的電池填充因子可以達到 727%, 遠大 于 C 組樣品 。 對于 B 組樣品而言 , 在獲得相對較 低串阻的情況下結(jié)合比 A 組樣品略高的開路電 壓 , 其最優(yōu)樣品的效率可以達到 107%, 是 3個 樣品中效率最高的電池 。 B 組最優(yōu)樣品的填充因 子與 A 組最優(yōu)樣品相接近 , 不僅在

28、于其串聯(lián)電阻 相對較低 , 而且還在于較高的開路電壓 , 這樣綜合 起來就獲得了 721%的填充因子 , 最終使效率得 到了一定的改善 。由于條件和技術(shù)等一些條件的限制和差別 , 本文制備的電池的效率不是很高 , 但本文的主要 目的是對比不同工藝之間的差異性 , 從而確定相 對較優(yōu)的電池制備方案 。 上述實驗結(jié)果表明 , 532 nm 激光燒蝕工藝用來制備背面鈍化局部點接觸 電池具有與光刻工藝相近的性能 , 部分電池的性能 甚至更優(yōu) , 證明 532nm 激光燒蝕介質(zhì)層工藝在制 備高效率晶硅電池方面具有可行性 。 相對而言 ,638發(fā) 光 學(xué) 報 第 34卷 表 1A 、 B 、 C 3組樣品

29、的開路電壓 、 短路電流密度 、 串聯(lián)面接觸電阻 、 填充因子和效率Table 1V oc , Jsc, Rs, fill factor and efficiency of sample A , B , C開路電壓V oc /mV短路電流密度Jsc/(mA ·cm 2串聯(lián)面接觸電阻Rs/(·cm 2填充因子 /%效率 / %A平均性能 54142530895679935最優(yōu)性能 54425504727101B 平均性能 547825731858282最優(yōu)性能 5462272124721107C 平均性能 551822911632242最優(yōu)性能 55022310732942激

30、光燒結(jié)方式獲得的背面鈍化局部接觸電池的性 能較差 , 說明激光燒蝕是實現(xiàn)局部電極接觸的更 適宜方式 。4結(jié) 論采用 532nm 激光在 PERC 結(jié)構(gòu)電池的背面 實現(xiàn)了良好的接觸電極 , 電池的性能可以與傳統(tǒng) 光刻工藝制備的電池的性能相比擬 , 證明激光燒 蝕介質(zhì)層工藝在制備高效率晶硅電池方面具有可 行性 。 與激光燒結(jié)工藝相比 , 激光燒蝕制得的電 池的性能要遠好于激光燒結(jié) , 說明激光燒蝕是實 現(xiàn)電池背面局部電極接觸的更適宜方式 。參 考 文 獻 :1Hoex B , Schmidt J , Pohl P , et alSilicon surface passivation by atom

31、ic layer deposited Al 2 O3J JApplPhys,2008, 104(4 :044903-1-122Hoex B , Gielis J J H , Van de Sanden M C M , et alOn the c-Si surface passivation mechanism by the negative-chargedi-electric Al 2 O3J JApplPhys, 2008, 104(11 :113703-1-73Benick J , Hoex B , Van de Sanden M C M , et alHigh efficiency n-type Si solar cells on Al 2 O3-passivated boron emittersJ ApplPhysLett, 2008, 92(25 :253504-1-34Hoex B , Schmidt J , Bock R ,