ITO薄膜和新型金屬化對(duì)雙面TOPCon電池電性能的影響研究

陳 丹 王冬冬 倪玉鳳 楊 超 石惠君

（1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司太陽(yáng)能電池及組件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000；2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽(yáng)能電力分公司，陜西 西安 710100）

0 引言

銦錫氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜作為高可見光透過率和高電導(dǎo)率薄膜已在薄膜研究中占據(jù)主導(dǎo)地位，是材料科學(xué)中重要的領(lǐng)域之一[1]。目前，最常用的制備方法是將ITO 等導(dǎo)電材料以化學(xué)方法或者物理方法處理成薄膜的形式，使其附著到襯底的表面，與襯底表面結(jié)合牢固并保持導(dǎo)電材料自身良好的光電性能[2]。磁控濺射方法是ITO 薄膜制備的主流方法，采用射頻磁控濺射法來制備ITO 薄膜，以研究薄膜制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響[3]。TOPCon 電池因在制備多晶硅膜層后使電池本身方阻變大，在濺射1 層ITO 薄膜后電池的載流子的輸運(yùn)和收集增強(qiáng)。但是在功率和退火溫度較高的情況下，濺射ITO 薄膜后也會(huì)導(dǎo)致電池整體的鈍化性能急劇下降，選擇最佳工藝參數(shù)是至關(guān)重要的。

該文分析了不同濺射條件下的ITO 薄膜沉積速率、方塊電阻、電阻率和透射率的變化情況，以確定最佳工藝，再對(duì)電池的發(fā)射極和n 型多晶硅鈍化性能進(jìn)行測(cè)試分析；據(jù)此，在TOPCon 半成品電池的正面發(fā)射極和背面的n 型多晶硅區(qū)分別沉積ITO 薄膜和全面積銀電極，測(cè)試分析驗(yàn)證正/背面沉積ITO和銀電極對(duì)TOPCon電池光電性能的影響和電池鈍化接觸質(zhì)量。

1 試驗(yàn)

該文使用磁控濺射鍍膜系統(tǒng)設(shè)備，通過靶材濺射的方法在TOPCon 電池半成品上分別濺射ITO（氧化銦錫）薄膜和銀電極，以代替常規(guī)電池的減反射膜層和金屬電極，經(jīng)過前期工藝參數(shù)優(yōu)化，最終在室溫條件下，磁控濺射工藝腔室真空度在3×10-4Pa 以下，當(dāng)沉積氣壓在1 Pa 時(shí)， 試驗(yàn)中所用到的工作氣體為氬氣Ar，流量為40 cm3/min，氧化銦錫薄膜采用射頻電源，濺射功率為180 W，加熱板退火溫度為240 ℃，銀電極采用直流電源，功率為280 W。所用的2 種靶材均為純度99.999%的氧化銦錫和Ag 電極，其中In2O3∶SnO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為90%∶10%，陶瓷靶材尺寸大小為φ25 mm，靶材與樣片臺(tái)間距為70 mm。試驗(yàn)襯底為普通透明玻璃和n 型TOPCon半成品電池，規(guī)格分別為2 mm×1.5 mm和158.75 mm×158.75 mm。分別使用橢圓偏振光譜儀測(cè)量ITO 薄膜厚度、外量子效率測(cè)試儀（新加坡偉信PVE300-IVT 型號(hào)）測(cè)量薄膜透過率、四探針測(cè)量方塊電阻以及Sinton 少子壽命測(cè)試儀（WCT-120）對(duì)隱開路電壓iVoc 進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)使用高效電池I-V 測(cè)試儀（新加坡偉信科技VS-6821S 型）進(jìn)行電性能測(cè)試和接觸電阻測(cè)試儀測(cè)量。為了保證試驗(yàn)和測(cè)試準(zhǔn)確性，試驗(yàn)樣片均選用同一批次、同一溫區(qū)擴(kuò)散后的n型Si 基底半成品電池。

2 結(jié)果分析和討論

為了提高ITO 薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能，需要提高ITO 沉積后的電導(dǎo)率并降低電阻率[4]。ITO 薄膜越厚導(dǎo)電性越強(qiáng)，可見光范圍透過率反而降低，因此在具備良好的透過率的同時(shí)也要保證良好的導(dǎo)電性[5]。

2.1 濺射時(shí)間對(duì)ITO 薄膜電學(xué)性能的影響

試驗(yàn)過程中保證其他工藝參數(shù)不變，ITO 薄膜濺射功率在180 W 下進(jìn)行沉積，濺射時(shí)間不同，薄膜的厚度、生長(zhǎng)速率、方阻和電阻率等都會(huì)在一定程度發(fā)生變化。不同濺射時(shí)間的ITO 薄膜沉積工藝條件見表1（研究了濺射時(shí)間對(duì)薄膜電性能的影響）。

表1 ITO 薄膜濺射工藝條件

在其他濺射工藝參數(shù)不變的情況下，透明玻璃襯底上濺射時(shí)間分別為8 min、16 min、24 min 和32 min 的沉積ITO薄膜在240℃下進(jìn)行薄膜退火。退火后使用橢圓偏振光譜儀和四探針方阻測(cè)試儀分別測(cè)試這4 種參數(shù)下ITO 薄膜的厚度和方阻，計(jì)算得到電導(dǎo)率數(shù)值。不同時(shí)間下ITO 方塊電阻和電阻率變化曲線圖如圖1 所示，ITO 薄膜厚度和生長(zhǎng)速率見表2。

表2 ITO 薄膜厚度和生長(zhǎng)速率

由圖1 可知，隨著濺射時(shí)間的增加，方塊電阻逐漸降低而電阻率整體呈上升的趨勢(shì)。其中，ITO 薄膜濺射時(shí)間在24 min 時(shí)電阻率為0.000 43 Ω/cm 且相對(duì)較小，則薄膜的電學(xué)性能逐漸變高。ITO薄膜在不同的濺射時(shí)間下生長(zhǎng)速率隨時(shí)間的升高而增加，生長(zhǎng)速率分別為2.132 nm/min、2.655 nm/min、3.329 nm/min 和5.551 nm/min。

圖1 不同時(shí)間下ITO 方塊電阻和電阻率變化曲線圖

2.2 濺射時(shí)間對(duì)ITO 薄膜光學(xué)性能的影響

使用外量子效率測(cè)試儀設(shè)備對(duì)不同濺射時(shí)間下對(duì)透明玻璃襯底上濺射的ITO 薄膜進(jìn)行測(cè)試分析，薄膜的透過率圖如圖2 所示。由隨濺射時(shí)間延長(zhǎng)的變化曲線可知，薄膜的透過率逐漸降低，ITO 薄膜厚度逐漸增加，當(dāng)光在薄膜中穿過時(shí)，光程變長(zhǎng)，光損失增加，薄膜的透過率降低，光學(xué)性能逐漸變差，其中濺射時(shí)間為24 min 時(shí)的透過率相對(duì)較高，薄膜的光電性能較好，透光率對(duì)應(yīng)值大約為88%和86%。

圖2 ITO 薄膜透過率曲線

2.3 薄膜對(duì)發(fā)射極和多晶硅的鈍化影響

探索分析ITO 薄膜對(duì)發(fā)射極和n 型Si 基底拋光片分別進(jìn)行雙面（p+/n/p+）硼摻雜對(duì)稱結(jié)構(gòu)制備和雙面對(duì)稱n 型多晶硅結(jié)構(gòu)處理。n 型多晶硅的制備流程如下：首先，在一定質(zhì)量濃度的NaOH 溶液中對(duì)面積為252.01 mm2的n 型Si 基底進(jìn)行雙面拋光去損傷處理。其次，使用低壓力化學(xué)氣相沉積設(shè)備（LPCVD）在拋光后的Si 基底上沉積多晶硅膜層。再次，使用Tempress 高溫?cái)U(kuò)散設(shè)備疊加n 型多晶硅工藝制備完成后，在上述2.2 中得到的最佳工藝參數(shù)ITO 薄膜濺射功率180 W，在時(shí)間為24 min 的參數(shù)下進(jìn)行雙面沉積。樣品制備完成后通過Sinton 測(cè)試設(shè)備對(duì)表面鈍化性能進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析，如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng)濺射功率為180 W、濺射時(shí)間為24 min時(shí)，沉積的ITO 薄膜對(duì)TOPCon 底電池發(fā)射極和背場(chǎng)的鈍化性能均較好，鈍化性能隱開路電壓分別為718 mV 和726 mV，這2 種對(duì)稱結(jié)構(gòu)的監(jiān)控片整體鈍化性能較好。

圖3 雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)隱開路電壓對(duì)比圖

2.4 制備不同結(jié)構(gòu)雙面TOPCon 電池

應(yīng)用工藝參數(shù)較好的濺射功率為180 W，濺射時(shí)間為24min 時(shí)沉積的ITO 薄膜和濺射功率為280 W 沉積銀電極。同一批次TOPCon 半成片電池制備流程如下：雙面制絨-硼擴(kuò)散-單面HF 清洗-n 型多晶硅處理-退火，G1組為對(duì)比組沉積正背面減反射膜后在產(chǎn)線完成雙面金屬電極，G2和G3組均為試驗(yàn)組，其中G2組背面沉積ITO 薄膜+Ag 電極，正面產(chǎn)線完成金屬化，G3組正面沉積ITO 薄膜+Ag 電極，各制備了10 片成品電池，如圖4 所示。

圖4 雙面TOPCon 電池不同結(jié)構(gòu)圖

成品電池在制備完成后進(jìn)行電性能測(cè)試，其中對(duì)比組G1和試驗(yàn)組G2在電性能測(cè)試時(shí)采用正面光照測(cè)試，G1組和G3組采用背面光照電性能測(cè)試，測(cè)試對(duì)比常規(guī)漿料印刷金屬化與正/背面沉積ITO 薄膜+Ag 電極工藝的開路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF以及光電轉(zhuǎn)換效率Eff的提高效果，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，當(dāng)正面光照IV 測(cè)試時(shí)，G2組TOPCon 電池背面沉積ITO 薄膜和銀電極較G1組有較優(yōu)的電性能參數(shù)，短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率分別升高了61 mA、1.6%和0.28%，反而開路電壓有一定的降低。當(dāng)電池背面光照IV 測(cè)試時(shí)，G3組為TOPCon 電池正面沉積，ITO 薄膜和銀電極較G1組各電性能參數(shù)較差，其中短路電流、開路電壓以及填充因子均有所下降。根據(jù)電性能參數(shù)結(jié)果，從這3 組中隨機(jī)抽取1 張測(cè)試其接觸電阻，見表3。

表3 接觸電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 雙面TOPCon 電池短路電流、開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率參數(shù)對(duì)比圖

光伏器件中樣品的電極接觸要求是越低越好且接觸電阻不能超過100 mΩ/cm2[6]。根據(jù)上表分析G2組背面沉積ITO薄膜+Ag 電極時(shí)測(cè)試接觸電阻最小，由此可知，G2組TOPCon電池背面沉積ITO 薄膜和銀電極在進(jìn)行退火后電極與背場(chǎng)接觸較好，G2組背面沉積全面積金屬電極與氧化硅層、襯底及poly-Si 層的接觸電阻滿足要求，但還是比較大的，在做成器件后會(huì)存在一定的差異。

3 結(jié)語(yǔ)

該文在TOPCon 半成品電池的正面發(fā)射極和背面的n 型多晶硅區(qū)分別進(jìn)行ITO 薄膜和全面積Ag 電極的沉積，分析電性能測(cè)試可知，ITO 薄膜濺射時(shí)間在24 min 時(shí)電阻率相對(duì)較小，透過率相對(duì)較高，薄膜的光電性能較好，透光率對(duì)應(yīng)值大約為88%和86%；雙面對(duì)稱發(fā)射極和n 型多晶硅結(jié)構(gòu)監(jiān)控片的鈍化性能分別為718 mV 和726 mV，整體鈍化性能較高；當(dāng)正面光照IV 測(cè)試時(shí)，TOPCon 電池背面沉積ITO 薄膜和銀電極比常規(guī)漿料印刷電極的短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率分別高了61 mA、1.6%和0.28%且全面積金屬電極與氧化硅層、襯底及poly-Si 層的接觸電阻滿足要求。