Aplicación de películas delgadas de Al2O3 preparadas mediante tecnología RS-ALD en la pasivación de bordes de celdas TOPCon
Silicio células solares Los módulos fotovoltaicos dominan el mercado, pero la nueva superficie creada mediante el corte de semiceldas intensificará la recombinación de portadores y afectará la eficiencia de la celda. La tecnología de pasivación de bordes puede resolver este problema. Las películas delgadas de Al₂O₃ presentan alta estabilidad, alta constante dieléctrica y bajo índice de refracción. Tienen potencial de aplicación en dispositivos ópticos y optoelectrónicos y se utilizan a menudo para la pasivación de superficies de silicio. La eficiencia de las celdas depositadas con recocido de Al₂O₃+ se incrementó aún más en un 0,021 % hasta alcanzar el 0,119 %, y la potencia del módulo se incrementó en 0,68 W hasta alcanzar los 3,76 W.
Principio técnico del RS-ALD
Se utiliza un método de deposición de capas atómicas en espacio rotatorio (RS-ALD) para preparar películas delgadas de Al₂O₃. Este método optimiza las condiciones del proceso y prepara películas delgadas de Al₂O₃ de alta calidad a una presión de proceso de 4 Torr y un caudal de trimetilaluminio (TMA) de 300 sccm.
Mecanismo de reacción RS-ALD para la preparación de películas de Al2O3
Pasos experimentales:
Preparación del sustrato: incluye eliminación de impurezas, limpieza y activación de la superficie.
Introducción de gas: Se introducen TMA y agua desionizada como precursores respectivamente, aislados mediante nitrógeno de alta pureza.
Reacción de gas: El sustrato se expone a precursores de aluminio y oxígeno en una bandeja giratoria en secuencia para formar una película de Al2O3.
Descarga de desbordamiento: los precursores y subproductos que no han reaccionado se descargan de la cámara de reacción.
Deposición repetida: repita los pasos anteriores hasta lograr el espesor de película deseado.
Preparación de muestras de película de Al2O3
Especificaciones de las obleas: obleas de silicio monocristalino tipo P con un espesor de 150 μm, una resistividad de <1,5 Ω-cm y una orientación del cristal de
Caracterización de películas de Al2O3
Medición del espesor: El espesor de la película se midió mediante elipsometría espectroscópica para determinar la velocidad de deposición. Análisis de la estructura cristalina: La estructura cristalina de la película se analizó con un difractómetro de rayos X. Morfología y rugosidad superficial: La morfología y la rugosidad superficial de un área de 3 μm × 3 μm se caracterizaron con un microscopio de fuerza atómica en modo de contacto. Tiempo de vida de los portadores minoritarios: El tiempo de vida efectivo de los portadores minoritarios de la oblea de silicio se midió con un medidor de tiempo de vida de los portadores minoritarios en modo fotoconductor de estado cuasi-estacionario (QSS).
Pasivación de bordes de células TOPCon
Deposición de película de Al2O3 de 40 nm en el borde de la celda TOPCon
Tecnología RS-ALD: utiliza la tecnología de deposición de capa atómica espacial rotatoria (RS-ALD) para depositar una película de Al2O3 de 40 nm de espesor en el borde de la celda solar.
Área de deposición: La película de Al2O3 depositada cubre el borde cortado de la celda, con un área de envoltura de aproximadamente 1 mm, y tiene poco efecto en otras partes de la celda.
Optimización de los parámetros del proceso de película de Al2O3
Tasa de deposición de películas de Al2O3 a diferentes caudales de TMA y presiones de proceso
Tasa de deposición de la película de Al2O3 bajo diferentes presiones de proceso
Relación entre la velocidad de deposición y la presión del proceso: Entre 2 y 3 Torr, la velocidad de deposición aumenta significativamente (aproximadamente un 32%). Entre 3 y 4 Torr, la velocidad de deposición aumenta aún más (aproximadamente un 5%). Después de superar los 4 Torr, la velocidad de deposición no aumenta significativamente.
Condiciones óptimas del proceso: A una presión de proceso de 4 Torr y un caudal de TMA de 300 sccm, la velocidad de deposición y la uniformidad son óptimas. En estas condiciones, la película no solo presenta una alta velocidad de deposición, sino que también presenta una velocidad de deposición más cercana tanto en posiciones cercanas como alejadas del centro del círculo, lo que indica una mejor uniformidad de la película.
Uniformidad de la película de Al2O3
Mejor uniformidad: A una presión de proceso de 4 Torr, las tasas de deposición cerca del centro y lejos del centro son las más cercanas, 0,0786 nm/ciclo y 0,0780 nm/ciclo respectivamente, lo que indica que la uniformidad de la película es la mejor.
Relación entre la uniformidad y la presión del proceso: A medida que aumenta la presión del proceso, la uniformidad de la película mejora gradualmente. La mejor uniformidad se alcanza a 4 Torr. Tras superar los 4 Torr, la uniformidad continúa mejorando, pero el incremento es pequeño.
Análisis de caracterización de Al₂O₃ con tecnología RS-ALD: estructura cristalina
Cambios en la estructura cristalina de la película de Al2O3 antes y después del recocido
Transformación de la estructura cristalina: El tratamiento de recocido transforma la película de Al₂O₃ del estado amorfo a la fase policristalina de γ-Al₂O₃. Esta transformación contribuye a mejorar la estabilidad y el efecto de pasivación de la película.
Pico de SiO2: El pico de 2θ=26,7° corresponde al plano cristalino (011) de SiO2, que está relacionado con la difusión de oxígeno en el sustrato y la capa de película.
Pico de γ-Al2O3: Los picos de 2θ=32,1°, 37,7° y 45,8° corresponden a los planos cristalinos (112), (211) y (220) de γ-Al2O3, respectivamente, lo que indica que el tratamiento de recocido promueve la cristalización de la película de Al2O3.
Análisis de caracterización de Al2O3 con tecnología RS-ALD - morfología superficial
Morfología superficial de la película de Al2O3 antes y después del recocido
Antes del recocido: La superficie de la película de Al2O3 antes del recocido presenta una estructura en forma de aguja, que es claramente visible en imágenes 2D y 3D, y la superficie es relativamente lisa.
Tras el recocido: El tratamiento de recocido modifica la morfología superficial de la película, pasando de una estructura acicular a una estructura de valle, y la superficie se vuelve más rugosa. Este cambio indica que el tratamiento de recocido promueve el crecimiento del grano y la densificación de la película.
Mayor rugosidad superficial: La rugosidad superficial de la película de Al₂O₃ tras el recocido aumenta significativamente, lo que contribuye a mejorar sus propiedades ópticas y su estabilidad mecánica. Esta rugosidad superficial puede aumentar la dispersión de la luz y mejorar su eficiencia de absorción, optimizando así el rendimiento de las células solares.
Análisis de caracterización de Al2O3 con tecnología RS-ALD: rendimiento de pasivación
Vida útil de los portadores minoritarios de obleas de silicio pasivadas con película de Al2O3
Efecto de pasivación: La deposición de la película de Al2O3 mejora significativamente la vida útil de los portadores minoritarios de las obleas de silicio, lo que indica que tiene un buen efecto de pasivación de la superficie.
Mejora del recocido: el tratamiento de recocido mejora aún más el efecto de pasivación de la película de Al2O3 y mejora significativamente la vida útil del portador minoritario, lo que indica que el tratamiento de recocido puede activar la carga fija negativa en la película de Al2O3, mejorar la calidad de la interfaz de contacto entre la película y la oblea de silicio y reducir la recombinación de superficies.
Mejora del rendimiento: La mejora de la vida útil de los portadores minoritarios está directamente relacionada con la mejora del rendimiento de las células solares, especialmente la mejora del voltaje de circuito abierto (Voc) y el factor de llenado (FF), mejorando así la eficiencia de la célula.
Efecto de pasivación del borde de la celda TOPCon
Resumen de la mejora del rendimiento de las células solares TOPCon
Deposición de Al2O3 únicamente: La deposición de la película de Al2O3 por sí sola puede mejorar significativamente el rendimiento de la celda, con Voc, FF y eficiencia aumentados en 1,7 mV, 0,23 % y 0,098 % respectivamente, y la potencia del módulo aumentada en 3,08 W.
Deposición de Al2O3 + recocido: El tratamiento de recocido después de la deposición de la película de Al2O3 mejoró aún más el rendimiento de la celda, con Voc, FF y eficiencia aumentados en 2,2 mV, 0,34% y 0,119% respectivamente, y la potencia del módulo aumentó en 3,76 W.
Efecto de recocido: El tratamiento de recocido mejoró significativamente el rendimiento de la celda, especialmente en términos de mejorar Voc y FF, lo que indica que el tratamiento de recocido puede activar el efecto de pasivación de la película de Al2O3, reducir la recombinación de la superficie y mejorar la eficiencia de la celda.
Se preparó una película de Al2O3 de alta calidad mediante tecnología de deposición de capa atómica espacial rotatoria (RS-ALD) y se aplicó a la pasivación de bordes de celdas solares TOPCon.
Después del tratamiento de recocido, la eficiencia de la celda aumentó aún más de 0,021% a 0,119%, y la potencia del módulo aumentó de 0,68 W a 3,76 W. Estos resultados demuestran plenamente el papel fundamental de la pasivación de los bordes para mejorar el rendimiento de las celdas solares.
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