[发明专利]一种黑硅钝化结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于原子层沉积法钝化黑硅的结构及其液相预处理方法。

背景技术

由于黑硅较大的表面积及硅材料存在的缺陷和杂质的存在，在禁带间隙中会引入多余的能级，成为复合中心。对黑硅表面进行钝化处理以此降低硅材料的表面活性对于提高电池效率来说十分重要。在太阳能电池的实际应用过程中，少子寿命是直接反应电池质量的一个重要指标。少子寿命是指少数载流子存在的平均时间，标志为少子浓度减少为原来的1/e所经历的时间。对于太阳能电池而言，少子寿命越低，则电池片的转换效率就越低。因此，在实际选择材料时，少子寿命是必要的考虑因素。然而，黑硅表面的纳米结构在给它带来一系列优点的同时，由于极大程度上增加了表面积，使得它的表面态和表面缺陷增加。少数载流子极易在表面缺陷处发生复合，这使得黑硅的少子寿命降低，不利于将其应用于太阳能电池产业中。

目前，在钝化黑硅太阳能电池中使用较多的材料为SiO₂、Si_xN_y、Al₂O₃。SiO₂及非晶硅钝化由于对于高温热处理具有高敏感性而限制了其发展。使用Si_xN_y钝化时，由于大量固定正电荷的作用，界面处易形成反流层，影响电池的短路电流。由于Al₂O₃层中存在大量的固定负电荷，能消除硅中的寄生电容，从而起到良好的钝化效果。因此使用Al₂O₃层钝化黑硅表面成为了研究热点，目前主要沉积Al₂O₃薄膜的方法为ALD法。

有研究表明明在黑硅表面生长一层Al₂O₃可以降低Al₂O₃/Si界面能级数目，增加界面势垒高度，从而减少载流子表面复合的几率，增大了τ_eff，起到较好的钝化效果。B.Vermang等[SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2012，101：204-209]曾在p型硅背面沉积氧化铝代替铝背场钝化，证明Al₂O₃可以在硅的正反面均起到钝化作用。ALD沉积Al₂O₃钝化黑硅及对其性能的影响已逐渐成为国内外的研究热点。PaivikkiRepo等[IEEEJournalofPhotovoltaics，2013，3：90-94]在等离子体刻蚀法(RIE)制备的单晶黑硅上用ALD沉积氧化铝(Al₂O₃)薄膜后，发现τ_eff大大增加，同时反射率进一步下降。Wei-ChengWang等[Appliedmaterials&interfaces，2013，5：9752-9759]在金属辅助化学腐蚀法(MACE)制备的单晶黑硅上沉积Al₂O₃钝化层，由此制备了18.2％效率的单晶黑硅电池。

根据钝化原理的不同，可将钝化黑硅的方法分为两种，分别为场钝化和化学钝化。其中化学钝化作用的原理是降低表面缺陷密度。B.Hoex[AppliedPhysicsLetters，2006，89：042112(1-4)]在使用PEALD生长20nm厚的Al₂O₃发现由于在第一个循环时硅片暴露在O₂等离子体气氛中，会在硅片上形成一层1.2nm左右厚的SiO₂层，在经过退火厚SiO₂层增加到1.5nm。这种退火后的硅片表面缺陷密度下降，一方面是由于H对于表面悬挂键有钝化作用，另一方面SiO₂层改变了界面配位数，也降低了表面缺陷密度。SiO₂层的这种对于黑硅的钝化作用即是一种典型的化学钝化作用。