黑硅在很宽的波长范围内具有反射率低、接受角广的优点，在太阳能电池领域倍受关注。本文将黑硅制绒工艺应用到N型硅基体上制备成的太阳电池效率高达18.7%。在N型黑硅表面可以制作高浓度硼掺杂的发射极且不影响黑硅表面的光学特性，然后在黑硅发射极表面原子层沉积Al2O3，起到优异的表面钝化效果。
1.引言
黑硅表面有纳米级小山峰，反射率很低。通过优化反应离子刻蚀（RIE）工艺的参数来制作黑硅，由于其在很宽的波段范围内反射率都很低且接受角广而备受关注。除了RIE还有其他制作黑硅的方法，如激光制绒、金属催化湿化学刻蚀、等离子体浸没离子注入等。黑硅在太阳能电池应用中的一个难题是黑硅表面面积增大而导致表面复合速率增大，进而造成短波段的光谱响应变差。黑硅已经被广泛应用到P型电池上，通过热氧化和沉积SiNx作为正面钝化层。但是低反射率的增益无法弥补高表面复合速率的影响，电池效率较低，效率最高可达到18.2%。
近几年来，Al2O3被认为是P型、N型、P+表面最有发展潜力的电介质钝化层。Al2O3的钝化效果与硅片表面的低缺陷密度和Si/Al2O3接触面固定负电荷有关。在光伏行业，原子层沉积（ALD）的出现解决了黑硅表面复合速率高的难题，ALDAl2O3对P型黑硅表面具有良好的钝化效果。
2.实验设计
使用5ΩcmFZN型硅片制作黑硅钝化发射极背面局部扩散太阳能电池（PERL）。图1为太阳能电池结构示意图和制备太阳能电池的工艺流程图。制备了正面只有Al2O3的黑硅太阳能电池，同时制备了正面具有倒金字塔结构和Al2O3/SiNx钝化层的电池作对照组。对照组电池和黑硅太阳能电池唯一的不同是正面的倒金字塔结构和等离子体加强化学气相沉积（PECVD）的65nm厚的SiNx层。首先在硅片表面制作氧化层掩膜留出2*2cm2的窗口。通过RIE使用SF6/O2在120℃条件下刻蚀硅片窗口位置7分钟制作黑硅。图2a显示了黑硅表面随机纳米级小山峰的平均高度和宽度为1ｕm和200nm。在890℃、910℃、930℃三个条件下BBr3扩散形成硼发射极。黑硅表面等离子辅助原子层沉积（PA-ALD）10nm厚的Al2O3，背面通过PassDop工艺进行钝化。PassDop工艺包括PECVD沉积磷掺杂非晶SiCx：H层，在钝化层表面激光开槽形成接触点。激光开槽后，在接触点位置磷扩散形成局部背表面场。在硅片背面烝镀铝形成背面金属化，然后在425℃条件下退火15min激活Al2O3钝化层。硅片正面光刻后烝镀Ti/Pd/Ag并电镀Ag加厚电极形成正面接触电极。
图1.N型黑硅太阳能电池结构示意图和电池制作工艺主要步骤
图2.（a）通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的黑硅表面。（b）910℃扩散发射极、硼玻璃去除、沉积Al2O3后黑硅表面反射率曲线和具有倒金字塔绒面结构且沉积Al2O3/SiNx后对比组硅片的反射率曲线以及通过表面反射率计算出的两者的光谱加权平均反射率值（Rw）。
3.实验结果和讨论
图2是910℃扩散发射极、沉积Al2O3后黑硅表面反射率曲线和具有倒金字塔绒面结构且沉积Al2O3/SiNx后对照组硅片的反射率曲线。在短波区域黑硅反射率比对照组样品反射率低很多，但在中波区域对照组反射率比黑硅略低。尽管黑硅表面只沉积了Al2O3，通过表面反射率计算出的AM1.5光谱加权反射率比对照组低。
表1是在标准条件下测试的4cm2区域的电池电性能数据以及虚拟填充数据。可以看出所有条件的电池包括对照组开路电压都很低，在630mV左右。从IQE的曲线对比可以发现所有电池的背面钝化效果较差，这主要是因为正面Al2O3、背面PassDop钝化层所适应的退火温度不同，也就是说高温适用于Al2O3退火而不适用于PassDop钝化层退火，以致背面的钝化效果较差。所有电池短波区域的IQE都很高，说明电池正面的钝化效果良好。这和我们之前对硼掺杂黑硅表面钝化效果的研究相吻合，J0e高达51fA/cm2说明N型硅基体P+表面的钝化效果良好[12]。J0e是使用高注入模型[13]并通过准静态光电导法（QSSPC，SintonWCT-120）测试发射极均匀的样品得到的。可以看出对照组的IQE是最高的，黑硅太阳能电池的IQE随着温度的升高而降低，优化黑硅太阳能电池的扩散温度会使其IQE更接近对照组。
具有倒金字塔结构的对照组电池短路电流密度Jsc最高，大小为39.9mA/cm2。黑硅太阳能电池的Jsc略低且随温度的升高而降低。扩散温度越高，结深和掺杂量会越大，Jsc就会越小，这也可以从IQE曲线上看出来。另一方面黑硅太阳能电池的平均反射率为2-3%，比预期的反射率高，这也是引起黑硅电池Jsc低的原因。但是我们已经研究分析出了造成黑硅电池反射率高的原因，将来通过工艺优化可以解决这个问题。
所有电池的填充因子FF都很低，其原因有待于进一步的研究。图4是黑硅电池表面和金属接触面的横截面图，可以看出金属没有渗入到纳米小山峰的底部，导致串阻升高。对照组电池的FF也低，这可能与基体电阻率高有关，但还需要做进一步的实验研究，这是因为其虚拟填充也比预期的低说明FF低不是串阻影响的。通过IV曲线没有观察到分流。将来需要进一步优化工艺来提高黑硅电池的效率。
N型黑硅电池的效率达到了18.7%，这说明黑硅表面结构是一种具有应用潜力的正面绒面结构。最重要的是黑硅正面的纳米结构在后续工艺工程（扩散、硼玻璃刻蚀、光刻中抗腐蚀剂应用）中不会被破环。
要想进一步优化发射极扩散工艺，需要获得更多关于发射极剖面的信息。这可能需要通过过程模拟来处理，然而剖面测试可能不可行。优化发射极剖面包括表面钝化效果的优化、金属化的优化。正面Al2O3和背面PassDop层的退火温度也需要优化来进一步提高电池效率。
表1.标准条件下测试的所有电池的电性能数据，以及通过Suns-Voc测试出的各电池的虚拟填充因子。
图3.所有电池IQE曲线以及反射率曲线。
图4.通过SEM观察到的黑硅和正面金属接触面的图像，可以看出金属没有达到纳米级小山峰的底部。
4.结论
我们研究证实了原子层沉积Al2O3可以应用到正面高浓度硼掺杂的N型PERL太阳能电池上。黑硅太阳能电池效率最佳可达18.7%。短波区域IQE很高说明硼掺杂黑硅正面PA-ALDAl2O3的钝化效果良好。研究结果表明：黑硅正面的纳米级小山峰结构在后续的工艺处理过程（扩散、硼玻璃刻蚀、光刻中抗腐蚀剂应用）中没有被破环。对工艺进一步优化可以提高黑硅太阳能电池的转换效率，例如扩散工艺优化、正面钝化和金属接触优化等。首次尝试把Al2O3钝化层引入到N型黑硅太阳能电池中，我们对结果很满意。
