陈宏彦博士研究生
陈宏彦
博士研究生
研究方向
ALD技术在硅基太阳能领域的应用研究
一. 基于倒金字塔与硅纳米线复合结构太阳能电池
该种太阳能电池首次采用光刻与金属催化腐蚀相结合的方式制备出一种倒金字塔与硅纳米线结合的复合结构表面（图1）。相比于此前报道的正金字塔与硅纳米线复合结构，基于倒金字塔的复合结构在整个可见光波段的反射率有~2%的降低。进一步地，我们采用时域有限差分法对所制备的复合结构表面进行了光场分布模拟，对该种结构的减反射机理进行了分析。此外，我们对ALD生长在n+型硅表面的钝化机理进行了系统研究。如图2所示，通过对Al2O3膜退火温度的优化，使得太阳能电池的少子寿命有了显著提高。
图1. 倒金字塔/纳米线复合结构表面形 图2. 不同退火温度后太阳能电池表面少子寿命扫描图
二. 基于Al2O3钝化层与ZnO纳米线复合结构太阳能电池
该种复合结构表面具有制备工艺环保，流程简单的特点。如图3所示，通过采用ALD技术生长Al2O3钝化层与ZnO籽晶层的方式，使复合结构制备温度大幅降低，减少了能源消耗。此外，ZnO纳米线的制备采用了无毒害且低成本的水热法。如图4所示，通过控制Al2O3膜的生长与后期热处理工艺，可使Al2O3膜内部的负电荷密度与硅表面悬挂键钝化程度达到一个最优平衡点。此时Al2O3对n+型硅表面也能达到很好的钝化效果。再者，通过控制ZnO籽晶层厚度，可将复合结构表面的反射率在400-900 nm的范围内的反射率限制在8.2%以下。通过这两方面的优化，该种太阳能电池的最高光电转换效率达到15.8%。该工作为环保型多晶硅太阳能电池的制备提供了一种可行性方案。
图3. Al2O3/ZnO纳米线复合结构太阳能电池结构示意图 图4. Al2O3层生长周期数、退火时长对mc-Si表面少子寿命的影响
三. 面向硅基太阳能电池钝化应用的AlON薄膜制备新工艺
该种AlON制备工艺通过采用等离子增强型ALD设备（PEALD），可将反应温度降低至185 oC。如图5所示，有别于传统ALD生长时两种前驱体交替通入的生长模式，本工作通过将两种气体前驱体（NH3、O2）同时通入反应腔，以实现N与O的同时掺杂。如图6所示，通过控制薄膜制备过程中的NH3与O2比例，所制得AlON薄膜的折射率可以在1.63至2.1（@550 nm）范围内连续可调，这为减反射膜系设计带来了极大便利。相对于AlN与Al2O3，经过折射率与膜厚优化后的AlON膜可使硅表面的反射率在550 nm处进一步降低5-8%。与此同时，由于此时N元素实际掺入量较少，AlON薄膜对Si衬底的钝化性能与Al2O3相近。最终，基于AlON作为正面钝化膜的太阳能电池在短路电流密度指标上相较于Al2O3、AlN钝化膜电池有最高~4.5%的提升，光电转换效率有最高5.3%的提升。本工作介绍了一种低温生长AlON膜的新工艺。同时，证明了利用该工艺所制得AlON薄膜作为硅基太阳能电池正表面钝膜的可行性。
图5. 基于PEALD技术一步法制备AlON膜工艺示意图 图6. AlON膜折射率随NH3:O2通入比例的变化趋势