RS-ALD技术制备的Al2O3薄膜在TOPCon电池边缘钝化中的应用研究

硅太阳能电池和组件在光伏市场占主导，但半电池切割产生的新表面会加剧载流子复合，影响电池效率，边缘钝化技术可解决此问题。Al2O3薄膜稳定性高、介电常数高、折射率低，在光学和光电器件中有应用前景，常用于硅表面钝化。沉积Al2O3+退火的电池效率进一步提高了0.021%，达到0.119%，组件功率进一步增加了0.68 W，达到3.76 W。RS-ALD 技术原理

一种旋转空间原子层沉积（RS-ALD）方法来制备Al2O3薄膜。该方法通过优化工艺条件，在4 Torr的工艺压力和300 sccm的三甲基铝（TMA）流量下制备出高质量的Al2O3薄膜。

Al2O3薄膜制备的RS-ALD反应机制

实验步骤：

基底准备：包括杂质去除、清洁和表面活化。

气体引入：分别引入TMA和去离子水作为前驱体，通过高纯氮气隔离。

气体反应：基底在旋转托盘上，依次暴露于铝和氧前驱体，形成Al2O3薄膜。

溢流排放：未反应的前驱体和副产物被排出反应室。

重复沉积：重复上述步骤，直到达到所需的薄膜厚度。Al2O3薄膜样品制备

硅片规格：使用厚度为150 μm、电阻率为<1.5 Ω-cm、晶体取向为<100>的P型单晶硅片。清洗过程：硅片经过一系列的超声清洗，依次使用去离子水、异丙醇、乙醇和去离子水，每次清洗时间为5到30分钟。

干燥：清洗后的硅片使用高纯氮气干燥，然后转移到RS-ALD反应室。Al2O3薄膜的表征

厚度测量：使用椭圆偏振光谱仪测量薄膜厚度，以确定沉积速率。晶体结构分析：使用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构。

表面形貌和粗糙度：使用原子力显微镜在接触模式下表征3μm×3μm区域的表面形貌和表面粗糙度。

少数载流子寿命：使用准稳态（QSS）光电导模式的少数载流子寿命仪测量硅片的有效少数载流子寿命。TOPCon电池的边缘钝化

TOPCon电池边缘沉积40 nm Al2O3薄膜

RS-ALD技术：使用旋转空间原子层沉积（RS-ALD）技术在太阳能电池的边缘沉积40 nm厚的Al2O3薄膜。

沉积区域：沉积的Al2O3薄膜覆盖了电池的切割边缘，包裹部分约为1 mm，对电池的其他部分几乎没有影响。Al2O3薄膜工艺参数的优化

Al2O3薄膜在不同TMA流量和工艺压力下的沉积速率

不同工艺压力下Al2O3薄膜的沉积速率

沉积速率与工艺压力的关系：在2 Torr到3 Torr之间，沉积速率显著增加（约32%）。从3 Torr到4 Torr，沉积速率进一步增加（约5%）。超过4 Torr后，沉积速率增加不显著。

最佳工艺条件：在4 Torr工艺压力和300 sccm TMA流量下，沉积速率和均匀性最佳。这一条件下的薄膜不仅沉积速率高，而且在靠近和远离圆心的位置具有更接近的沉积速率，表明薄膜均匀性更好。

不同工艺压力下Al2O3薄膜的均匀性最佳均匀性：在4 Torr工艺压力下，靠近圆心和远离圆心位置的沉积速率最为接近，分别为0.0786 nm/cycle和0.0780 nm/cycle，表明薄膜的均匀性最佳。

均匀性与工艺压力的关系：随着工艺压力的增加，薄膜的均匀性逐渐提高。在4 Torr时达到最佳均匀性，超过4 Torr后，均匀性继续提高但提升幅度较小。RS-ALD技术Al2O3表征分析-晶体结构

Al2O3薄膜退火前后的晶体结构变化

晶体结构转变：退火处理使Al2O3薄膜从非晶态转变为γ-Al2O3多晶相。这一转变有助于提高薄膜的稳定性和钝化效果。

SiO2峰：2θ=26.7°的峰对应于SiO2的(011)晶面，这与氧在基底和薄膜层中的扩散有关。

γ-Al2O3峰：2θ=32.1°、37.7°和45.8°的峰分别对应于γ-Al2O3的(112)、(211)和(220)晶面，表明退火处理促进了Al2O3薄膜的晶化。RS-ALD技术Al2O3表征分析-表面形貌

Al2O3薄膜在退火前后的表面形貌

退火前：退火前的Al2O3薄膜表面呈现针状结构，这些结构在2D和3D图像中清晰可见，表面较为光滑。退火后：退火处理使薄膜表面形态从针状结构变为谷型簇状，表面变得更为粗糙。这种变化表明退火处理促进了薄膜的晶粒生长和致密化。

表面粗糙度增加：退火后的Al2O3薄膜表面粗糙度显著增加，这有助于提高薄膜的光学性能和机械稳定性。粗糙的表面可以增加光的散射，提高光的吸收效率，从而提高太阳能电池的性能。RS-ALD技术Al2O3表征分析-钝化性能

Al2O3薄膜钝化硅片的少数载流子寿命

钝化效果：Al2O3薄膜的沉积显著提高了硅片的少数载流子寿命，表明其具有良好的表面钝化效果。

退火增强：退火处理进一步增强了Al2O3薄膜的钝化效果，显著提高了少数载流子寿命，这表明退火处理可以激活Al2O3薄膜中的负固定电荷，改善薄膜与硅片接触界面的质量，减少表面复合。

性能提升：少数载流子寿命的提高直接关联到太阳能电池的性能提升，特别是开路电压（Voc）和填充因子（FF）的提高，从而提高电池的效率。TOPCon电池边缘钝化效果

TOPCon太阳能电池性能提升总结

仅沉积Al2O3：仅沉积Al2O3薄膜可以显著提升电池的性能，Voc、FF和效率分别提升了1.7 mV、0.23%和0.098%，组件功率提升了3.08 W。

沉积Al2O3 +退火：在沉积Al2O3薄膜后进行退火处理，进一步提升了电池的性能，Voc、FF和效率分别提升了2.2 mV、0.34%和0.119%，组件功率提升了3.76 W。

退火效果：退火处理显著提升了电池的性能，特别是在提升Voc和FF方面，表明退火处理可以激活Al2O3薄膜的钝化效果，减少表面复合，提高电池的效率。

通过旋转空间原子层沉积（RS-ALD）技术制备了高质量的Al2O3薄膜，并将其应用于TOPCon太阳能电池的边缘钝化。经过退火处理后，电池效率进一步提高了0.021%至0.119%，组件功率提高了0.68 W至3.76 W，这些结果充分证明了边缘钝化在提高太阳能电池性能方面的关键作用。美能UVPLUS SE光谱椭偏仪

美能UVPLUS SE光谱椭偏仪是专门针对太阳能电池研发和质量把控领域推出的一款设备，基于绒面太阳能电池专用的高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专用于测量和分析光伏领域中多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率、消光系数），波长范围覆盖紫外、可见到近红外。

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专门针对多层薄膜检测设计，满足双层膜检测多入射角度结构设计，高灵活测量，满足复杂样品测试需求

美能UVPLUS SE光谱椭偏仪不仅能够精确测量薄膜的厚度和光学特性，还能在沉积过程中实时监测薄膜的质量。通过美能光谱椭偏仪的高精度测量，我们能够优化工艺参数，从而制备出高质量的Al2O3薄膜。这一技术的应用不仅提高了薄膜的沉积效率，还显著提升了电池的性能和稳定性。

原文出处：Preparation of Al2O3 thin films by RS-ALD and edge passivation applicationfor TOPCon half solar cells

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