工作压强对溅射p+-poly-Si/SiOx钝化接触结构的光电特性影响的研究
时间：2023-06-05 10:25:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
＊王玉超 杜朋轩 盛之林* 黄康 范占军
（1.北方民族大学 材料科学与工程学院 宁夏硅靶及硅碳负极材料工程技术研究中心 宁夏 750021 2.宁夏职业技术学院 宁夏 750021 3.宁夏高创特能源科技有限公司 宁夏 750021）
基于一层掺杂多晶硅和超薄界面氧化硅的钝化接触结构，已被证明能够克服当前铝背场（Al-BSF）以及钝化发射极和背面触点（PERC）工业太阳能电池技术的效率限制[1]。对于具有poly-Si/SiOx钝化接触的（TOPCon）太阳能电池，实验室效率已经超过24%，其理论极限也已经达28%[2]。钝化接触结构如图1所示，此结构能够选择性的让多数载流子通过而阻止少数载流子进入，掺杂的浓度差和PN结也起到了很好的化学钝化和场效应钝化作用。首先，在衬底上沉积一层α-Si薄膜作为前驱体，通过高温退火工艺再结晶为poly-Si结构，此方式称为间接制备法。沉积α-Si薄膜的制备技术可分为两大类，化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积法（PVD）但是化学反应过程会伴随有毒气体的产生，使用成本和复杂性高。物理气相沉积技术即磁控溅射法（MS）与其他CVD技术相比，具有沉积简单，低温工艺，更高的靶材使用率和消除SiH4等有毒物质的优点[3]，因此，本次提出采用MS来沉积一层α-Si。
图1 钝化接触结构的能带图
Oezmen OT等人[4]用四点探针法分析了poly-Si薄膜在衬底上B的外置扩散。采用改良后的两步退火样品电阻率值降低到91mΩ·cm2，计算后载流子浓度约为2.89×1017cm-3。D.Yan,A.等人[5]提出了一种基于PVD的更安全，更简单的制备钝化接触层方法，在900℃退火后，在超薄SiOx上形成原位掺杂的poly-Si膜中间层，从而同时提供选择性传导和表面钝化，测试薄膜接触电阻率低于50mΩ·cm2。
溅射法沉积α-Si中工作压强是重要的一项参数，利用Si和B的共溅射，经过真空管式炉进行高温退火使α-Si再结晶成poly-Si结构。通过各种表征技术的组合来研究沉积压力对poly-Si/SiOx的结构、光电特性的影响，最终这些发现就可以用于通过溅射方法制造高质量的钝化接触结构。
(1)实验设备及材料
使用JDCK-F4000D型高真空磁控溅射系统在单晶硅（c-Si）衬底上溅射硅薄膜，c-Si晶面取向（100）。在Ar气体（纯度99.99%）中，氩气分压40sccm，靶基距11cm，溅射功率为100W。高纯硅P型靶材，纯度为99.999%，电阻率为0.01Ω·cm2。单晶硅衬底用激光切割成2×2cm的样品，经过标准的湿式化学清洗法（RCA）清洗步骤后，使用过氧化氢（H2O2）溶液在室温下生长30min形成一层薄薄的SiOx。
(2)表征方法
利用台阶仪（型号Dektak 150）进行薄膜厚度的测试沉积速率的计算格式为：υ=D/t，其中，D为台阶仪测得平均薄膜厚度；
t为硅薄膜的沉积时间。通过扫描电子显微镜（型号为Zeiss SIGMA）观察材料表面的形貌。XRD测试利用型号是D8 Advance衍射仪。利用霍尔测试仪进行接触电阻率和载流子浓度的分析。Raman测试利用波长为532nm的光谱测试仪。使用飞行时间二次离子质谱（型号TOF.SIMS 5-100），对样品的B掺杂深度和含量分布进行测试。
(1)工作压强对沉积速率的影响
从图2可以看出，工作压强增大会降低沉积速率，从0.2Pa时的2.06nm/min下降到1Pa的1.06nm/min。对这现象的一种解释为：尽管在较高的压力下，等离子体中Ar离子密度的增加会引起溅射产额的增大，但由于Si原子和Ar离子之间的质量差很大，溅射出的Si原子更有可能通过与Ar离子碰撞而返回靶材。另一个普遍的解释原因在于分子平均自由程λ的变化。由公式（1）得到[6]：
图2 不同工作压强下沉积速率的变化
式中，T为环境温度；
p为工作压强；
k为常数。随着压强p的增大，λ减小，增加了溅射粒子之间的碰撞几率，使得粒子所携带的能量进一步被损耗，引起了沉积到基板的速率降低。因此，在较低的压力下可实现更高的沉积速率。
(2)表面形貌及颗粒尺寸分析
如图3所示，工作压强在0.5Pa（未退火）时的表面形貌和不同压强下沉积的硅薄膜在950℃高温退火后的表面形态。由Nano Measurer软件计算出SEM图片全域颗粒的尺寸，得到颗粒分布的直方图分布数据，并拟合出颗粒尺寸的对数分布函数，进行晶粒尺寸的估计。平均晶粒尺寸与压强的变化结果如图3（f）所示，随着压强的降低，平均晶粒尺寸也不断的减小，最低的压强（0.2Pa）平均晶粒尺寸为23.11nm。
图3 （a）0.5Pa未退火和不同压强（b）0.2Pa，（c）0.5Pa，（d）0.8Pa，（e）1Pa下退火后的SEM图像；
退火后的（f）不同压强下薄膜沉积速率变化
通过对表面形貌的分析，未退火的样品显示了部分结晶的情况，表面晶粒密度很小，呈现一定的无序性。退火后硅薄膜表面在较低的压强下，溅射粒子沉积速率过大，在衬底表面迁移扩散的速度很低，表层离子迁移所需克服的激活势能降低，随压强的升高团簇现象增多，容易形成较多的团簇状结构。硅薄膜表面的粗糙度会随着工作压强的增大而增大，较高的压强，杂质越容易被掺入[7]。
随着压强的增大，导致了溅射粒子运动的自由程减少，沉积速率降低，那么在成膜时颗粒的聚集程度就出现减少，成核晶粒生长率降低，导致晶粒尺寸越小。
(3)光学特性表征
利用Raman光谱测试的硅薄膜拉曼频移TO声子频带的横坐标位置，具体展示了Si薄膜的晶化情况，可用于测试薄膜内部是否晶化。这里主要关注460～550cm-1之间的TO声子频带进行讨论。根据公式（2）计算硅薄膜结晶率。
式中，Iα为无定形的非晶相；
Ic为频移在520cm-1处的结晶相；
在非晶和结晶相之间的称为混合相Im。计算的结晶率结果如表1所示：
表1 晶化率与工作压强
图5是不同工作压强下的非晶硅薄膜在950℃退火后的Raman光谱图，结晶峰520cm-1处越高，压强越低，衍射峰半高宽减小，晶粒尺寸越大，表明晶化现象越明显。随着压强的减小，晶化程度加深，1Pa下制备出的poly-Si的晶化率在48%以上。0.2Pa制备的poly-Si的晶化率最高为61%，达到了很好的晶化效果。
图4 在不同压强下沉积的poly-Si薄膜Raman光谱图
(4)电学特性表征
使用霍尔测试仪对钝化接触结构的接触电阻率和空穴载流子浓度进行了测量。测试结果如图5所示，值得注意的是，在原位掺杂之中，在0.5Pa接触电阻率（2mΩ·cm2）非常低，并随着沉积压力的增加而增加，此时对应0.5Pa压强下制备硅薄膜载流子浓度也达到最高为5.4×1019cm-3。另外，增加的退火温度也会降低接触电阻率。尽管如此，该工艺仍能为poly-Si/SiOx/c-Si结构提供出色的界面钝化质量。
图5 不同压强下沉积薄膜的接触电阻率和载流子浓度变化
使用TOF-SIMS对0.5Pa的硅薄膜进行了测试，结果如图6所示，硅薄膜掺杂原子的含量逐级缓慢递减，直到碰到界面后骤降，这是因为除了界面化学钝化功能外，界面SiOx层可以作为屏障来阻止掺杂剂从poly-Si层扩散到c-Si衬底。经过分析，80nm的poly-Si/SiOx/c-Si界面处的掺杂原子浓度大于5.236×1019cm-3，与霍尔测试的结果相近。此外图中用SIMS测量的相应的30Si+深度浓度剖面，用于观察poly-Si层厚度，结果也证明了薄膜厚度在预期范围内。
图6 在0.5Pa压强沉积的950℃退火后SIMS图
综上所述，本研究展示了一种制造空穴选择性钝化接触的方法，并提出了溅射工作压强对制备的poly-Si薄膜及其相应的原位B掺杂poly-Si/SiOx的结构和光电性能的影响。结果表明：0.5Pa压强下沉积的α-Si在950℃高温退火后重结晶为poly-Si结构，接触电阻率最低为2.04mΩ·cm2，最高载流子浓度是5.4×1019cm-3，硅薄膜的结晶分数可以达到54%，并且可以获得高达21nm的晶粒尺寸。
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