H₂O / O₂硅氧烷薄膜旋转涂层氧化铝薄膜的蒸汽退火效应

抽象的

铝acetylacetonate-based氧化铝_x薄膜作为一种低成本、高质量的晶体硅太阳能电池钝化层被引入。采用自旋镀膜法在p型硅衬底上，在450°C环境空气中，O₂，或水蒸气(H₂O / O₂）15或120分钟。XPS分析证实了alo_x并显示出高强度的界面sio2_x在氧化铝_x/加工晶圆的Si界面。环境H₂O / O₂被发现对引入的alo激活更有益_x钝化膜，提供高寿命的改善，低热预算。载流子寿命测量提供了对称涂覆晶圆达到119.3μ.年代和248.3μ.在环境中退火后₂O / O₂分别为15分钟和120分钟。

1.介绍

降低硅太阳能电池的生产成本是光伏行业的主要问题之一，许多研究人员在降低硅片的材料成本上花费了大量的精力，硅片的材料成本占成本的很大一部分。因此，减少硅片的使用(即薄硅片的使用)是降低成本问题的关键解决方案。另一方面，薄硅片太阳能电池还存在另一个严重的问题，即由于载流子主要在硅片表面区域的复合而降低了转换效率。幸运的是，表面钝化成为解决这一问题的有效方法之一[1］．此外，为了实现前结硅太阳能电池更高的转换效率(最终实现理论效率极限)，背面钝化是关键技术;由传统丝网印刷形成的铝层所产生的背表面场，必须通过具有背表面场和接触特性的替代钝化层来改善[2- - - - - -4］．几种钝化膜如a-Si:H, SiN_X、SiO₂和alo._x［5- - - - - -8已被研究用于硅太阳能电池。当应用SiO₂和罪恶_xp⁺发射体或局部背表面电场，高密度正电荷导致强烈的寄生分流，导致太阳能电池电特性差[9- - - - - -11］．因此，需要具有负电荷的钝化胶片，用于高效P型太阳能电池和P的后表面钝化⁺n-型太阳能电池。与alo的表面钝化_x具有优异电性能的薄膜是一种合适的候选钝化层具有负电荷效应。广泛应用的高质量氧化铁成型技术_x钝化膜是原子层沉积(ALD) [2，12，13和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。然而，仪器费用相对昂贵。此外，ALD工艺中使用包括三甲基铝(TMA)在内的危险前体[12和使用PECVD技术时产生的有毒副产物是主要缺点[14，15］．另一方面，AlO_x基于解决方案[16，17]，可以通过低成本技术沉积，包括旋转涂层、喷雾热解或丝网印刷，可以形成低成本、无毒的AlO_x用于太阳能电池应用的钝化层。这种高性能氧化铁的合成研究_x在太阳能电池制造过程中，层和它们的适应性是至关重要的，而且仍有需求。

在本工作中，以乙酰丙酮铝(Al-acac)为基材制备了旋转涂层氧化铝薄膜，并对其作为p型硅衬底的优质钝化层材料进行了研究。因为AlO的界面属性_x以硅为基片的钝化膜是制备高质量钝化膜的关键，本文着重分析了钝化膜的界面特性，研究了钝化膜激活过程中的环境效应对钝化膜界面特性的影响。主要通过x射线光电子能谱(XPS)测量和载流子寿命研究进行表征μ.-pcd确定界面属性，包括有效的固定电荷密度（ ）应用程序前后的更改。

2.实验

将0.486 g乙酰丙酮铝(Al(CH))混合，制备乙酰丙酮铝溶液(Al-acac)_3.COCHCOCH_3.）_3.) (Wako Pure Chemical Ind. Ltd.)加入50 mL乙醇搅拌1小时，得到0.03 M Al-acac溶液。 -大小的10-50Ω·cm p型Cz-Si晶片（从6英寸晶片切割）用作基材。在Al-Acac沉积之前，在含有HF的酸性溶液中蚀刻晶片：HNO_3.(1:5 in volume)浸泡5分钟，然后浸入10% HF溶液1分钟，以去除基质表面的天然氧化物。Al-acac溶液在4000 rpm转速下进行旋转涂层，涂层样品在125℃下干燥5 min。通过在晶片两侧的后续涂层建立了对称结构。AlO的厚度_x用椭偏光谱法(型号:Gonio bench, Sopra)对薄膜进行了~2.8 nm的测量。涂层晶片在450°C环境空气中退火₂，或水蒸气(H₂O / O₂)．退火时间在15到120分钟之间变化。

使用清洁硅晶片的初始有效寿命估计μ.pcd (wt - 1000 b, Semilab)。预加工晶片的初始寿命约为10μ.同样地，氩弧焊后有效载流子寿命_x-涂层晶圆片也用μ.纤毛运动。氩弧焊的界面分析_x由X射线光电子能谱（XPS，XPS系统在梁线7B的同步，Jusionubaru，Hyogo大学）进行的涂料晶片。使用C 1S信号（284.8eV）校准能量偏移。用LCR仪器（E4980A，Agilent）进行循环伏安法测量以确定 ．

3.结果与讨论

基于AL-ACAC的ALO XPS测量_x对薄膜进行了分析。al -acac基AlO的XPS测量谱_x在各种环境中形成的膜₂O / O₂阿,₂和空气）在图15分钟内给出1(一)与突出的山峰。在图中扩展的光谱中，可以确定每个处理环境的Al 2s和Al 2p峰1 (b)．

对于所有ALO，观察到对应于Al 2P的峰值_x在不同环境中形成的束缚能~76 eV [18］．数字2(a, b)在H₂O / O₂;（c，d）在o₂;在空气中（e，f））。将Al 2P峰被剥去成代表Al-O和Al-OH键的子点斑点。主要贡献来自Al-O键，侧信号为所有病例的Al-OH键。表中给出了Al-O和Al-OH相关亚斑痘的计算区域级分1．考虑到Al 2p核心的Al-O峰的面积，这些结果表明元素O和Al的存在，并确认了AlO_x加工条件后的非化学计量比薄膜。

通过XPS测量通过扫描约98至106eV扫描Si 2P的峰值，进行其分解以确认界面SiO_xAlO的形成_x/Si界面对AlO活化的影响_x电影。根据峰的配合，可以在图中观察到硅的氧化状态3.，由散装硅的化学品组成（Si 2p_3／2,如果2 p_1／2）和包括Si的亚氧化物峰₂o，sio，si₂O_3.和sio₂［19，20.］．

桌子2提供了硅的计算比率₂o，sio，si₂O_3.和sio₂子峰和最终的SiO总量_x（ ）与体积硅的比率(假设 )．

SiO的比例_x在所有退火条件下(在H环境下)，相对于Si增加₂O / O₂阿,₂，或空气)，以增加退火时间。SiO的比例最高_x在室温H₂O / O₂对于15分钟和120分钟的退火次数，比环境空气或O的值要高₂．界面SiO的面积比_x为环境H的情况分别为15和120分钟的61.89％和77.33％₂O / O₂．

数字4比较alo的载体寿命依赖_x- 在环境中加工的薄饼₂O / O₂，在O环境中₂，在环境空气中，15或120分钟。在环境中处理的晶片的寿命₂O / O₂比环境o在环境o下加工的晶片的薄片的显着增加₂或在环境空气中。平均寿命为119.3 μ.年代和248.3μ.在环境中退火后实现了s₂O / O₂分别为15和120分钟。在O环境退火的情况下₂，平均寿命为40.1μ.S是在退火15分钟后获得的，而寿命为165.2μ.在退火120分钟后可以实现。同样，平均寿命为69.5 μ.年代和218μ.S分别在环境空气中退火15和120 min后获得。值得注意的是，环境H₂O / O₂在15分钟和120分钟的处理时间内提供更好的结果。

在载流子寿命的测量μ.-pcd，通过红外半导体激光脉冲在样品中产生照明区域下的自由电子空穴对。由于激发载流子的产生和重组，载体的浓度和样品的电导率，其中通过通过时间测量检测微波反射率，测量导电性的导电性的衰减[21］．由于部分载流子在体块中重组，部分载流子在近表面处重组，因此，经过AlO后载流子的寿命得到了提高_x钝化是由于表面复合速度的降低，换句话说，是由于晶圆表面载流子复合速率的降低。因此，寿命的改善主要归功于AlO的作用_x钝化，并且可以通过消除包括在表面上或附近的缺陷和在表面附近的缺陷和悬垂键来解释，由于界面SiO的形成_x［22，23］．SiO的增加_x在界面处增加了钝化质量，并能通过SiO中氧原子的键合减少悬空键_x带负电的铝原子[24］．因此，在环境H中退火的硅晶片的较高平均载体寿命₂O / O₂alo沉积后_xAl-acac溶液中sio2含量较高可能与薄膜的形成有关_x在Si / Alo_x界面。

为了进一步研究，在1MHz下进行电容 - 电压（C-V）测量（Agilent E4980A LCR表）。的金属/绝缘体/半导体结构用于使用基于Al-Acac的Alox薄膜作为绝缘体的C-V测量，如图所示5(一个)．用热蒸发法沉积金。有效固定电荷密度( ）使用已知的高频测量方法从C-V测量中提取[25］．数字5 (b)给出了结果的比较适用于每种加工条件。考虑到这些结果，退火120 min后载流子寿命增加的一个可能的解释可能是当捕获密度变化的主导场效应大于10¹²厘米^－2［26］．在环境O₂， ，O₂增加 - 厘米^－2（退火15分钟）到 - 厘米^－2(退火120分钟)。

这些结果表明，载流子寿命和增加退火时间。有趣的是，尽管最高值时，退火处理在环境O₂，所产生的载流子寿命比在环境空气或环境H中退火过程的寿命要低₂O / O₂．这些相互矛盾的结果可能是由于O₂在硅表面，不仅产生了额外的表面电荷密度，而且产生了表面复合中心。以H为例₂O / O₂另一方面，由于H原子在硅表面的发射，尽管固定电荷密度较低，但少数载流子寿命却较高。

考虑到这些结果累积，可以得出结论，旋涂的质量钝化效果_x使用环境H时，在相对短的退火时间（低至15分钟）中，可以在450℃的中等退火温度下获得薄膜₂O / O₂．因此，旋涂al -acac基AlO_x对于晶体硅太阳能电池应用的硅基板钝化，电影可以是有希望的低成本和可行的替代方案。

4。结论

在这项工作中，引入了经济效益和简单的工艺旋转丙酮烷基丙酯 - （Al-Acac-）氧化铝膜。进行载体寿命研究和XPS分析，用于评估薄膜。Al-Acac涂覆和随后的硅基衬底的钝化性能H₂O / O₂比在环境O₂或环境空气。在环境中退火时₂O / O₂，平均寿命达到119.3左右 μ.S仅在加工后15分钟，可以降低电池制造过程的热预算。在环境H中退火的薄片寿命更高₂O / O₂归因于更大的SIO_x形成Si/AlO_x界面，经XPS分析确认。由此可以得出结论，al -acac基自旋涂层是al -acac基自旋涂层_x电影可以是一个有吸引力的经济有效的候选层作为太阳能电池应用的钝化层。

数据可用性

没有数据支持本研究。

披露

Abdullah Uzum目前的住址是土耳其特拉布宗(Trabzon)卡拉登兹技术大学(Karadeniz Technical University)电气与电子工程系(Department of Electrical and Electronic Engineering)。

利益冲突

提交人声明他们没有竞争利益。

致谢

我们很高兴地感谢新斯巴鲁工厂的工作人员的出色支持。

参考

1. S. Bowden，F. Duerinckx，J.Szlufcik和J. Nijs，“薄多晶硅太阳能电池的后钝化”，光电电子评论，第8卷，第2期4，页307 - 310,2000。视图:谷歌学术
2. H Huang，J. LV，Y.Bao等，“20.8％的工业Perc太阳能电池：ALD Al₂O_3.后表面钝化，效率损失机理分析和路线图24%，”太阳能材料和太阳能电池， vol. 161, pp. 14-30, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术
3. M. Müller, G. Fischer, B. Bitnar等人，“22%效率的工业PERC太阳能电池的损失分析”，能源程序， 2017年，第124卷，第131-137页。视图:出版商的网站|谷歌学术
4. M. A. Green，“钝化发射极和后电池(PERC):从概念到大规模生产”，太阳能材料和太阳能电池， 2015年，第143卷，第190-197页。视图:出版商的网站|谷歌学术
5. M. Agarwal，A. pawar，N.Wadibhasme和R. Dusane，控制C-Si / A-Si：H界面在HWCVD制造的硅杂交太阳能电池中，“太阳能，第144卷，第417-423页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术
6. Zhang B. Zhang Y. Zhang, R. Cong, Li Y.， W. Yu, and G. Fu， " the Superior silicon surface passivation of HIT solar cells by optimization a-SiO ._xH薄膜:一种紧凑的固有钝化层，太阳能，卷。155，pp。670-678,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术
7. V.TITOVA，B.VEITH-WOLF，D. Startsev和J. Schmidt，通过超薄原子层沉积TiO的结晶硅表面的有效钝化_x层”,能源程序，卷。124，pp。441-447,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术
8. L. E. Black, T. Allen, K. R. McIntosh, A. Cuévas，“改进APCVD铝的硅表面钝化₂O_3.通过快速热退火，“能源程序，卷。92，pp。317-325,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术
9. S. Dauwe，L. Mittelstadt，A. Metz和R. Hezel，“氮化硅后表面钝化太阳能电池寄生旋转的实验证据”光电技术进展:研究与应用，卷。10，不。4，pp。271-278,2002。视图:出版商的网站|谷歌学术
10. S. Gatz, T. Dullweber, V. Mertens, F. Einsele，和R. Brendel，“SiN的燃烧稳定性”_y/罪_x堆叠晶体硅太阳能电池的表面钝化堆叠，“太阳能材料和太阳能电池，第96卷，180 - 185,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术
11. I. Cesar, E. Bende, G. Galbiati, L. Janßen, A. Weeber，和J. H. Bultman，“全方位的罪_x关于寄生分流的钝化mc-Si太阳能电池的评估2009年第34届IEEE光伏专家会议， pp. 001386-001391，宾夕法尼亚州费城，美国，2009年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术
12. F. Kersten, I. Förster, S. Peters，“Al的空间ALD评价”₂O_3.用于MC-SI PERC太阳能电池的后表面钝化，“第32届欧洲光伏太阳能会议暨展览会论文集，第943-945页，德国慕尼黑，2016年6月。视图:谷歌学术
13. 黄慧，吕建军，鲍勇，“Al - Al复合前驱体对硅表面钝化的影响₂O_3.原子层沉积,”能源程序， vol. 92, pp. 304-308, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学术
14. B. Kafle, S. Kuehnhold, W. Beyer等，“PECVD al的热稳定性研究₂O_3.讨论高温处理后再加氢改善表面钝化的可能性的薄膜第27届欧洲光伏太阳能会议论文集，pp.1788-1792，法兰克福，德国，2012年9月。视图:谷歌学术
15. M. Hofmann, N. Kohn, F. Schwarz等人，“SiN的高能等离子体PECVD_x和艾尔₂O_3.对于工业太阳能电池的制造，“在第28届欧洲光伏太阳能会议和展览会，pp.1184-1187，巴黎，法国，2013年9月至10月。视图:谷歌学术
16. N. Balaji, C. Park, J. Raja等，“al在p-type CZ-si表面的低表面复合速度₂O_3.太阳能电池应用的电影，“纳米科学与纳米技术杂志，卷。15，不。7，pp。5123-5128,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术
17. M. Szindler，L.A.Dobrzański，M.M.Szindler，M.Pawlyta和T. Jung，表面形态和结构的比较₂O_3.溶胶-凝胶法和ALD法沉积薄膜中国材料成果杂志CHINESE，第2卷，第2期82，页49-57,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术
18. J. Haeberle, K. Henkel, H. Gargouri等，“热等离子体增强原子层沉积al的椭偏和XPS比较研究₂O_3.-Films，“贝尔斯坦纳米技术杂志， vol. 4, pp. 732-742, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术
19. R. Alfonsetti，L.Lozzi，M. Passacantando，P. Picozzi和S. Santucci，“SiO XPS研究_x薄膜,”应用表面科学，第70-71卷，第1部分，222-225页，1993。视图:出版商的网站|谷歌学术
20. R. Alfonsetti，G. de Simone，L. Lozzi，M. Passacantando，P. Picozzi和S. Santucci，SIO_xXPS表面化学计量学:各种方法的比较表面和界面分析第22卷第2期1-12，第89-92页，1994。视图:出版商的网站|谷歌学术
21. wt - 1000 b的用户手册， SEMILAB Inc.，布达佩斯，匈牙利，2008。
22. B. Hoex, S. B. S. Heil, E. Langereis, M. C. M. van de Sanden，和W. M. M. Kessels，“等离子体辅助原子层沉积Al钝化c-Si衬底的超低表面复合₂O_3.”,应用物理字母，卷。89，没有。4，第042112,2006条。视图:出版商的网站|谷歌学术
23. S.-Y。留置权,学术界。杨,K.-C。吴,彭译葶。Si/Al钝化的研究₂O_3.由非真空空间原子层沉积系统制造的界面，“纳米研究快报，卷。10，不。1，p。93,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术
24. 阿尔巴德里(A. M. Albadri)，《阿尔的性格表征》(Characterization of Al₂O_3.硅太阳能电池的表面钝化，“薄固体电影， vol. 562, pp. 451-455, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学术
25. s·m·苏半导体器件物理学《威利综合科学出版物》，约翰·威利和儿子们，美国新泽西州默里希尔，第二版，1981年。
26. S. Miyajima，“晶体硅太阳能电池的表面钝化膜”，血浆和融合研究杂志，第85卷，第820页，2009。视图:谷歌学术

版权

版权所有©2019 Abdullah Uzum等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。