一种新型的分离前驱体脉冲PECVD SiO?薄膜，作为多晶硅钝化接触层的界面氧化物，应用于工业高效硅太阳能电池中

《Materials Science in Semiconductor Processing》：A novel separate-precursor-pulse PECVD SiO x as interfacial oxide for polysilicon passivating contacts applied to industrial high efficiency silicon solar cells

硅基太阳能电池中基于SPP-PECVD的原子级厚度氧化层控制技术及其在TOPCon/IBC电池中的应用研究，通过分步前驱体脉冲工艺实现了1.5nm以下超薄氧化层，厚度均匀性达0.037nm（G12规模），表面复合电流密度0.7fA/cm2，兼容现有工业PECVD设备。

　　

叶夫根尼娅·拉里奥诺娃（Yevgeniya Larionova）| 越轩·阮（Viet Xuan Nguyen）| 托马斯·佩尔瑙（Thomas Pernau）| 丹妮拉·赛弗特（Daniela Seiffert）| 罗尔夫·布伦德尔（Rolf Brendel）| 托尔斯滕·杜尔韦伯（Thorsten Dullweber）

德国哈梅林太阳能研究所（Institute for Solar Energy Research Hamelin，ISFH），地址：Am Ohrberg 1，31860，Emmerthal

摘要

当今的工业硅太阳能电池架构（如TOPCon和IBC）采用了氧化硅/多晶硅层堆叠结构，这种结构能够从硅片上选择性地提取载流子，这一过程通常被称为钝化接触。电气接触的质量要求在工业大规模生产（直至G12尺寸的硅片）过程中，厚度为1.5纳米的界面氧化硅具有极佳的均匀性。在这项研究中，我们提出了一种创新的“分离前驱体脉冲”（Separate-Preursor-Pulse，简称SPP）工艺来沉积氧化硅，该工艺能够在保持与现有工业PECVD制造工具完全兼容的同时实现原子级厚度控制。SPP工艺利用SiH₄/Ar和O₂/Ar在工业管式PECVD设备中的顺序等离子体暴露，仅使用常规工艺气体。实验结果显示，氧化硅的沉积速率为每循环0.22纳米，硅片间的均匀性为0.037纳米，而在M2尺寸硅片上的点对点均匀性为0.12纳米。通过对具有对称处理的n型多晶硅层的硅片进行钝化测试，结果表明经过氢化处理后，开路电压可达到739毫伏，表面复合电流密度可降至0.7飞安/平方厘米，这是迄今为止报道的最佳工业n型多晶硅结钝化性能之一。

引言

光伏产业正从传统的钝化发射极和背面电池（PERC）技术向下一代太阳能电池架构转变，例如隧道氧化物钝化接触（TOPCon）[1,2]和交错背接触（IBC）[3,4]，这些架构采用氧化层上的钝化多晶硅（poly-Si）[5]。TOPCon太阳能电池已成为主导技术，在2024年的市场份额超过了56%[5]，这得益于其实现了高达26.5%的商用电池效率[2]，并且与现有的PERC制造基础设施高度兼容[1]。采用多晶硅接触的IBC太阳能电池的效率已达到27.8%[6]。

硅片与掺杂多晶硅层之间的超薄界面氧化硅（SiO_x）层是高效太阳能电池概念中的关键组成部分。这种通常厚度为1.2-2纳米的SiO_x层必须达到精确的平衡：厚度不足会增加少数载流子的复合，而过厚的SiO_x则会通过隧穿效应或针孔减少多数载流子在SiO_x层中的传输，从而增加接触电阻[8],[9],[10],[11]。

工业化的SiO_x生长技术包括在高温氧化炉中使用O₂气体进行热氧化，以及在n型多晶硅PECVD沉积前通过原位N₂O气体等离子体暴露进行等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生成SiO_xN_y。这两种技术都实现了优异的表面复合电流密度，热氧化技术的表面复合电流密度J_0s可低至0.6飞安/平方厘米[12]，而PECVD SiO_xN_y技术的表面复合电流密度可低至1.5飞安/平方厘米[13]。PECVD SiO_xN_y/n型多晶硅工艺已由centrotherm公司商业化，用于工业太阳能电池制造[14]。

随着工业规模制造中硅片尺寸增加到G12级别，大面积硅片上的厚度均匀性和精确厚度控制变得尤为重要。最近，等离子体增强原子层沉积（PEALD）SiO_x技术被证明是一种用于钝化接触的界面氧化层方法，旨在实现原子级的厚度控制[15]。廖宝（B. Liao）等人[15]开发了一种管式PEALD SiO_x工艺，通过首先沉积一层硅单层（使用未公开的硅前驱体），然后进行O₂等离子体氧化，当与原位掺磷的多晶硅层结合使用时，实现了2.8飞安/平方厘米的低表面复合电流密度J_0s。

在这项研究中，我们提出了一种新型的“分离前驱体脉冲”（SPP）-PECVD SiO_x工艺，并研究了其在钝化质量、与原位n型多晶硅层的结合以及厚度控制方面的性能，该方法类似于PEALD技术，但使用的是常规工艺气体。李俊（J. Lee）等人已经报道了在标准SiH₄/NH₃基PECVD SiN_z薄膜中通过SPP注入工艺气体来改善工艺控制的效果[16]。在这里，我们应用SPP方法通过每循环沉积一层硅（使用PECVD SiH₄/Ar）再进行PECVD O₂/Ar氧化来制备界面SiO_x，从而实现了与PEALD技术类似的原子级精度，同时保持了成本效益，并与现有的工业PECVD制造工具完全兼容。我们研究了SPP-PECVD SiO_x作为界面氧化层在钝化接触中的应用效果，以及其与原位掺磷多晶硅层的结合情况。

实验部分

样品制备

为了研究我们新型SPP-PECVD SiO_x的性能，我们使用了两种类型的测试硅片。第一组硅片用于评估SPP-PECVD SiO_x的厚度和均匀性。这些M2尺寸的p型Czochralski硅片在工业湿法平台上经过氢氧化钾（KOH）的切割损伤蚀刻（SDE）处理，然后使用工业在线工具进行单面湿法抛光。经过HCl/O₃的高质量清洗后，我们使用HF溶液进行处理以去除

在抛光测试硅片上测量的SiO_x厚度

我们按照2.1节所述的方法，对制备好的抛光硅片上的薄层SPP-PECVD SiO_x进行厚度和均匀性评估。SPP-PECVD SiO_x通过3、6、31和61个循环沉积，以获得不同的SiO_x厚度，并确定其沉积速率。图2显示了SiO_x厚度随循环次数的变化情况。SiO_x厚度随SPP-PECVD循环次数的增加而线性增长，最多可达到15纳米。

结论

SPP工艺在PECVD SiO_x中的应用实现了每循环0.22纳米的线性沉积速率，从而能够通过3次沉积循环形成1.7至1.8纳米的超薄界面氧化层。这种原子级的沉积控制与PEALD技术类似，同时使用了标准的PECVD设备和气体。

与传统基于N₂O等离子体的PECVD SiO_xN_y相比，SPP工艺显著提高了SiO_x层的厚度均匀性

CRediT作者贡献声明

叶夫根尼娅·拉里奥诺娃（Yevgeniya Larionova）：负责撰写初稿、开展研究、进行数据分析。越轩·阮（Viet Xuan Nguyen）：负责数据管理及概念构思。托马斯·佩尔瑙（Thomas Pernau）：负责撰写、审稿和编辑工作，以及软件应用。丹妮拉·赛弗特（Daniela Seiffert）：负责监督工作。罗尔夫·布伦德尔（Rolf Brendel）：负责监督工作以及审稿和编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

本研究得到了德国联邦经济部（BMWE）在Olivia研究项目（项目编号03 EE1184C）以及下萨克森州的财政支持。