原子层沉积Al_2O_3钝化太阳能晶体硅表面的研究

【摘要】：能源是社会发展的动力，然而化石能源被过度的开采和使用导致了全球气候性问题，人类不得不寻求新的可再生能源来替代当前使用的化石能源。太阳能作为未来人类最主要的清洁能源，其效率是科研工作者们追求的终极目标。近年来，光伏市场对于高效电池的需求与日俱增，人们通过研究开发新材料和新工艺来提高太阳能电池的光电转换效率。 太阳能电池薄片化发展必然需要优异的表面钝化，以降低少数载流子的表面复合速率（SRV），提高太阳能电池的短路电流和开路电压，进而使光电转换效率提高。原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）是一项薄膜沉积的新工艺，用它来沉积的氧化铝钝化材料在太阳能电池中得到了应用，并在实验室得到了较高的转化效率。然而对于其钝化机理和处理工艺有待进一步研究和优化，本论文以制造高效太阳能电池为目标，探究了原子层沉积氧化铝的钝化及减反射行为，具体研究内容如下： （1）ALD沉积氧化铝对晶体硅表面钝化。以原子层沉积技术为制备方式，分别在n型和p型直拉（CZ）单晶硅表面制备不同厚度的氧化铝薄膜，并对薄膜进行热处理，并优化了工艺条件。分析氧化铝薄膜的钝化机理，得出了成膜厚度、退火温度和退火时间对其钝化性能的影响。此外，本论文还将热处理前后的样品进行了X射线电子能谱分析，证明了ALD制备的Al_2O_3薄膜中存在一定量的Al-OH键，经退火后Al-OH键转变成Al-O键并释放出H原子，可以钝化Si表面悬挂键。根据XPS峰强度计算,退火前后薄膜中O和Al元素的相对比例分别为1.68和1.53，即退火后的O/Al含量更接近Al_2O_3的化学计量比，同样证明了退火前Al-OH的存在。 （2）原子层沉积Al_2O_3对晶体硅的钝化减反射双重作用。用原子层沉积的方法在经织构化处理的单晶硅表面沉积不同厚度的氧化铝薄膜，以未处理的单晶硅片和标准的SiNx减反射膜为对比，测出它们的反射率曲线。结果表明，30nm和70nm的Al_2O_3薄膜可以使织构化硅片表面的平均反射率从14.2%分别降低到10.6%和4.2%，降幅达25%和70%，减反射作用明显。而沉积100nm Al_2O_3薄膜则将织构化硅片表面的平均反射率从14.2%降低到2.8%，降幅高达80%；而标准的SiNx减反射膜的平均反射率为2.9%，100nmAl_2O_3薄膜的减反射效果（2.8%）可以与标准的SiNx膜相媲美。因此，Al_2O_3薄膜不仅可以作为晶硅太阳能电池表面的钝化膜使用，还可以作为其陷光效果极佳的减反射膜，具备钝化减反的双重功能。 【关键词】：太阳能电池 晶体硅表面钝化 原子层沉积 Al_2O_3薄膜 减反射
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 光伏发电及应用11-13
• 1.1.2 太阳能电池的发展历史13
• 1.2 光伏市场发展13-16
• 1.2.1 光伏市场的发展历程13-15
• 1.2.2 光伏产业发展趋势15-16
• 1.3 光伏制造技术进展16-19
• 1.3.1 金刚石线切割技术17-18
• 1.3.2 流化床法多晶硅制备技术18
• 1.3.3 低成本金属浆料与金属化技术18-19
• 1.4 高效电池技术进展19-23
• 1.4.1 LFC-PERC 电池19-20
• 1.4.2 全背接触电池20-21
• 1.4.3 纳米硅墨水电池21-22
• 1.4.4 正面结 N 型电池22-23
• 第2章 晶硅太阳能电池原理及生产工艺23-35
• 2.1 晶体硅太阳能电池原理23-25
• 2.1.1 太阳能电池的结构23
• 2.1.2 太阳能电池原理23-25
• 2.2 晶体硅太阳能电池生产工艺25-35
• 2.2.1 硅片检测25-26
• 2.2.2 清洗制绒26-28
• 2.2.3 扩散制结28-29
• 2.2.4 刻蚀29-30
• 2.2.5 去 PSG30-31
• 2.2.6 PECVD 镀减反射膜31-32
• 2.2.7 丝网印刷电极32-33
• 2.2.8 快速烧结33
• 2.2.9 测试分选33-35
• 第3章 晶硅太阳能电池表面复合及钝化35-45
• 3.1 晶体硅太阳能电池薄片化35-36
• 3.2 少数载流子的复合行为36-40
• 3.2.1 少数载流子的产生36-37
• 3.2.2 少数载流子的复合37-40
• 3.3 晶体硅太阳能电池表面钝化40-43
• 3.3.0 化学溶液法40
• 3.3.1 Al 扩散背表面场 BSF40-41
• 3.3.2 热氧化法生长 SiO2膜41-42
• 3.3.3 PECVD 法制备 SiNx42
• 3.3.4 本征氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜42-43
• 3.3.5 钝化机理总结43
• 3.4 研究方向43-45
• 第4章 原子层沉积 Al_2O_3钝化晶体硅工艺研究45-60
• 4.1 Al_2O_3钝化技术45-47
• 4.1.1 Al_2O_3材料特性45
• 4.1.2 Al_2O_3材料的应用45-46
• 4.1.3 Al_2O_3薄膜的制备46-47
• 4.2 原子层沉积技术简介47-49
• 4.2.1 基本原理47-48
• 4.2.2 设备改进48-49
• 4.3 实验49-51
• 4.3.1 试验样品49
• 4.3.2 实验原理及步骤49-51
• 4.4 样品测试51-52
• 4.4.1 少子寿命51
• 4.4.2 X 射线电子能谱分析51-52
• 4.5 ALD 氧化铝钝化 n 型晶体硅表面52-55
• 4.5.1 工艺方案52
• 4.5.2 Al_2O_3膜厚影响分析52-53
• 4.5.3 退火温度对钝化的影响53-55
• 4.6.4 退火时间对钝化的影响55
• 4.6 ALD 氧化铝钝化 p 型晶体硅表面55-58
• 4.6.1 工艺方案55-56
• 4.6.2 退火温度优化56-57
• 4.6.3 结果分析讨论57-58
• 4.7 X 射线电子能谱分析58-59
• 4.8 本章小结59-60
• 第5章 ALD 沉积 Al_2O_3钝化减反双重作用60-64
• 5.1 实验60-61
• 5.1.1 样品表面处理60-61
• 5.2 反射率测试61
• 5.3 结果分析与讨论61-62
• 5.4 本章小结62-64
• 结论与展望64-66
• 参考文献66-73
• 致谢73-74
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录74

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