隧穿氧化硅/金属钪电子选择收集钝化接触结构在N型晶硅电池中的应用

摘要

由于N型硅片具有体寿命高、几乎无光致衰减效应、对常见杂质元素容忍度高等优点，因此相比P型晶硅电池，N型晶硅电池有望获得更高的光电转换效率。但是，N型晶硅电池存在电子收集困难、扩硼难等问题，同时进一步提高电池效率必须降低表面复合速率。电子选择收集接触钝化结构的引入可以同时改善界面接触并具有表面钝化作用，同时实现全表面的载流子收集结构可以获得更高的填充因子，其应用有助于制备更高效率的N型晶硅电池。 本文主要研究了隧穿氧化硅/金属钪电子选择收集钝化接触结构在N型晶硅电池中的应用。隧穿氧化硅(SiOx)可以饱和硅表面的悬挂键，带来一定的化学钝化效果；低功函数金属钪(Sc)的引入可以改善界面接触，同时具有场钝化作用。本文研究了热硝酸法隧穿氧化硅、E型枪电子束(E-beam)真空蒸发法Sc薄膜的制备工艺、物相、化学元素分析以及隧穿氧化硅/低功函数金属Sc薄膜结构的电学性能、在晶硅电池中的应用，最后使用AFORS-HET软件模拟了隧穿SiOx/低功函数金属作为电子选择收集钝化接触结构的性能。主要研究结果如下： （1）热硝酸氧化法制备的SiOx厚度随硝酸温度、浸入硝酸时间的增加而增加，其厚度在1-2 nm范围内；后续的退火处理会导致SiOx厚度增加，温度越高，厚度越高。同时退火还能改善SiOx的钝化性能，经X射线光电子能谱分析，这归因于高温处理会使Si-O键饱和程度提高，Si4+键比例增加。当温度为875℃时，氧化硅的钝化性能最佳，当温度超过900℃时，SiOx钝化性能下降。 （2）台阶仪测量结果、透射电子显微镜(TEM)截面图分析结果表明，E-beam真空蒸发法制备的Sc薄膜厚度均匀可控；扫描探针显微镜(SPM)的3D形貌图表明Sc薄膜的表面粗糙度极小。TEM截面元素面扫表明：O元素进入到Sc层中并和Sc发生反应并生成ScOx。紫外光电子能谱测试出n-Si/SiOx/Sc的界面功函数约3.65 eV，略高于理论值。 （3）Sc代替铝(Al)和1Ω.cm的n-Si直接接触可以将肖特基接触改善为欧姆接触；同时，在n-Si和Sc间插入500℃-900℃ 退火的SiOx，界面仍能保持为欧姆接触，随着氧化硅退火温度增加，界面接触电阻率增加。n-Si/SiOx/Sc界面的欧姆特性在经过短时退火或者长期放置后仍能保持。当退火温度超过920℃，界面接触特性由于电子隧穿能力下降而重新变成肖特基接触。当插入700℃退火的氧化硅层时， SiOx/Sc结构的化学钝化和场钝化达到最佳配合，iVoc达到623 mV。 （4）对于电池工艺来说，700℃是最佳的SiOx退火温度。使用全背SiOx/Sc钝化接触结构代替全背Al接触的N型晶硅电池，其电池效率有约4%的提升。金属化后退火有助于改善前栅线电极与扩散层之间的接触：对于含全背SiOx/Sc结构的电池样品，250℃、5 min的快速退火可以提升FF到75%以上；当温度继续升高，钝化效果会急剧下降。 （5）数值模拟结果发现：隧穿SiOx/低功函数金属结构的钝化受SiOx的厚度、质量以及金属的功函数的影响，如果想要获得较好的钝化效果，必须满足以下要求：SiOx厚度为1.2-1.6 nm、界面缺陷态密度Dit＜1×1010 cm–2/eV、孔洞(pinhole)密度Dph＜1×10–4同时金属功函数≤3.6 eV。当金属功函数≤3.6 eV，促进电子隧穿能力已接近饱和；当SiOx厚度为1.4 nm，金属功函数≤3.6 eV，含隧穿SiOx/低功函数金属背结构的模拟N型晶硅电池的电池效率可超过23%。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的基本工作原理

1.3 太阳能电池的基本电学参数

1.4 晶硅太阳能电池的效率损失及措施

1.5 N型晶硅电池的发展优势

1.6 金属与N型硅的接触

1.6.1 物理机制

1.6.2 肖特基接触理论

1.6.3 表面态对金属/n-Si接触影响

1.6.4 改善金属/n-Si接触的途径

1.7 表面复合与表面钝化

1.7.1 少子复合理论

1.7.2 陷阱辅助复合（SRH复合)机制

1.7.3 表面复合机制

1.7.4 表面钝化

1.8 载流子选择收集钝化接触

1.8.1 载流子选择收集钝化接触概念及作用机理

1.8.2 隧穿氧化硅在钝化接触结构中的应用

1.8.3 电子选择收集功能材料

1.9 选题依据和主要研究内容

1.9.1 选题依据

1.9.2 主要研究内容

第二章 热硝酸法超薄氧化硅薄膜的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料和所需仪器

2.2.2 实验过程

2.3 隧穿氧化硅薄膜厚度的测定

2.3.1 椭偏法测量氧化硅薄膜厚度

2.3.2 热硝酸法工艺参数对氧化硅薄膜厚度的影响

2.3.4 退火温度对氧化硅薄膜厚度的影响

2.4 隧穿氧化硅薄膜的钝化性能

2.4.1 Sinton少子寿命仪的工作原理

2.4.2 退火温度对氧化硅钝化性能的影响

2.5 本章小结

第三章 E-beam蒸发法制备硅基钪薄膜

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料和所需仪器

3.2.2 实验过程

3.3 硅基钪薄膜的厚度测定

3.4 硅基钪薄膜的表面形貌

3.5 n-Si/SiOx/Sc界面功函数的测定

3.6 钪的氧化行为

3.7 本章小结

第四章 隧穿氧化硅/金属钪结构的电子收集和表面钝化性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料和所需设备

4.2.2 实验过程

4.3 n-Si/SiOx/Sc界面的接触电阻率

4.3.1 Cox and Strack法测试接触电阻率原理

4.3.2 氧化硅退火温度对界面接触的影响

4.3.3 钪厚度对界面接触的影响

4.3.4 金属化后退火对界面接触的影响

4.4 隧穿SiOx/Sc结构的钝化性能

4.5 本章小结

第五章 含隧穿氧化硅/金属钪背结构的N型晶硅电池的制备与测试

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验材料和仪器

5.2.2 实验过程

5.3 退火温度对Al2O3/SiNx结构的钝化、减反性能的影响

5.4 金属化后退火对前电极/扩散层间接触的影响

5.5 电池性能分析及改善

5.6 电池效率损失分析和后续效率提升措施

5.7 本章小结

第六章 关于隧穿氧化硅/低功函数金属电子选择收集

钝化接触结构的数值模拟研究

6.1 引言

6.2 模拟设置说明

6.3 氧化硅厚度和金属的功函数对表面钝化性能的影响

6.4 中间过渡缺陷层对钝化性能的影响

6.5 氧化硅层质量对钝化性能的影响

6.7 晶硅电池模拟

6.8 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间的学术研究成果