原子層沉積（ALD）技術(shù)因其優(yōu)異的可控性、均勻性和共形性而在微納電子、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在200°C和60 rpm的條件下，使用三甲基鋁和水作為前驅(qū)體，形成了高質(zhì)量的Al2O3薄膜，沉積速率為0.12 nm/s，表面粗糙度為0.883 nm，少數(shù)載流子壽命為189.6μs。邊緣鈍化后的TOPCon太陽(yáng)能電池效率提高了0.123%，組件功率增加了3.78W。

原子層沉積（ALD）的流程圖

ALD流程圖

前驅(qū)體運(yùn)輸：氮?dú)鈱煞N前驅(qū)體（在本研究中為TMA和水蒸氣）分別運(yùn)送到不同的反應(yīng)室，并且高純度氮?dú)鈱烧吒糸_。

基底旋轉(zhuǎn)至TMA反應(yīng)室：基底（硅片）旋轉(zhuǎn)進(jìn)入TMA（三甲基鋁）反應(yīng)室，TMA通過化學(xué)吸附與基底表面結(jié)合，形成新的官能團(tuán)。

基底清洗：基底退出TMA反應(yīng)室，旋轉(zhuǎn)至高純氮?dú)馐遥逑次捶磻?yīng)的前驅(qū)體和反應(yīng)產(chǎn)物，完成第一個(gè)半反應(yīng)。

基底旋轉(zhuǎn)至水蒸氣反應(yīng)室：基底旋轉(zhuǎn)進(jìn)入水蒸氣反應(yīng)室，水蒸氣與基底上的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

基底再次清洗：基底退出水蒸氣反應(yīng)室，旋轉(zhuǎn)至高純氮?dú)馐仪逑椿妆砻妫瑯?biāo)志著第二個(gè)半反應(yīng)的結(jié)束。

完成上述五個(gè)過程構(gòu)成一個(gè)完整的ALD循環(huán)，每個(gè)循環(huán)僅包含單分子層反應(yīng)，通過重復(fù)上述步驟來制造出所需厚度的薄膜。Al2O3薄膜樣本制備

使用P型雙面拋光硅片，厚度為150μm，尺寸為158 mm×158 mm，電阻率為0.4-1.5Ω·cm。硅片首先經(jīng)過超聲清洗，使用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水各清洗15分鐘，然后在高純度氮?dú)夥諊懈稍铩⑶逑锤稍锖蟮墓杵胖迷谛D(zhuǎn)空間型原子層沉積（RS-ALD）反應(yīng)室內(nèi)。

在不同的溫度（80°C-300°C）、旋轉(zhuǎn)速度（30 rpm-180 rpm）和工藝周期（200周期）下制備多組Al2O3薄膜，需要對(duì)薄膜的沉積速率、表面形狀和鈍化能力進(jìn)行表征，以得到最佳工藝條件下的Al2O3薄膜。TOPCon電池邊緣鈍化

TOPCon電池的邊緣鈍化流程

采用熱激光分離（TLS）技術(shù)對(duì)商業(yè) TOPCon 電池（尺寸為 182mm×91mm，正面為硼發(fā)射極）進(jìn)行切割。

這種切割技術(shù)能夠使電池獲得相對(duì)更光滑的切割表面，相比于其他切割方法，TLS 技術(shù)在減少切割過程中對(duì)電池材料的損傷方面具有優(yōu)勢(shì)。Al2O3薄膜的表征

厚度和折射率測(cè)量

不同溫度下和不同轉(zhuǎn)速下的膜厚和折射率

不同溫度下的薄膜厚度和折射率

通過橢圓偏振光譜儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，隨著沉積溫度的增加，Al2O3薄膜的厚度先增加后減少。在200℃時(shí)，薄膜厚度達(dá)到最大值26.3 nm，沉積速率為0.065 nm/s。在更高的溫度下，薄膜厚度減少，可能是由于硅片表面的解析反應(yīng)。

折射率：在200℃時(shí)，折射率最大值為1.708，表明在該溫度下沉積的Al2O3薄膜密度略高。

不同轉(zhuǎn)速下的薄膜厚度和折射率

隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，薄膜厚度逐漸減少，從30 rpm時(shí)的26.3 nm減少到60 rpm時(shí)的23.9 nm，再到90 rpm時(shí)的18.2 nm。這可能是由于旋轉(zhuǎn)速度過快導(dǎo)致基底在每個(gè)反應(yīng)室中的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致反應(yīng)物在基底上的吸附不飽和。

折射率：薄膜的折射率相對(duì)穩(wěn)定在1.66到1.68之間，表明旋轉(zhuǎn)速度對(duì)薄膜密度的影響較小。

不同溫度在不同轉(zhuǎn)速下的沉積速率

沉積速率變化：

在200℃時(shí)，沉積速率在30 rpm和60 rpm時(shí)較高，特別是在60 rpm時(shí)達(dá)到最高沉積速率0.12 nm/s。在250℃時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，沉積速率在90 rpm時(shí)達(dá)到最高，為0.14 nm/s。

溫度對(duì)沉積速率的影響：

在200℃時(shí)，較高的沉積速率表明在這個(gè)溫度下，反應(yīng)條件較為理想，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的沉積速度。在250℃時(shí)，盡管在90 rpm時(shí)沉積速率最高，但此時(shí)Al2O3薄膜的厚度為19.4 nm，可能表明在較高溫度下，基底表面發(fā)生了解析反應(yīng)，影響了薄膜的質(zhì)量。

旋轉(zhuǎn)速度對(duì)沉積速率的影響：

隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，沉積速率在一定范圍內(nèi)增加，然而，過高的旋轉(zhuǎn)速度可能導(dǎo)致基底在反應(yīng)室內(nèi)的停留時(shí)間過短，不足以完成充分的化學(xué)反應(yīng)，從而影響沉積速率和薄膜質(zhì)量。X射線光電子能譜分析

薄膜表面的 XPS 光譜

XPS譜圖顯示單一峰而非雙峰，結(jié)合能約為75eV，表明薄膜中Al的存在形式僅為Al2O3；在532.0 eV處的峰屬于Al-O，進(jìn)一步證實(shí)了Al2O3的存在。表面形貌和粗糙度表征

不同轉(zhuǎn)速下Al2O3薄膜的表面形態(tài)

(a：30轉(zhuǎn)/min b：60轉(zhuǎn)/min c：180轉(zhuǎn)/min）

在200°C、200個(gè)周期、100 sccm TMA流量和不同旋轉(zhuǎn)速度（30 rpm、60 rpm、180 rpm）下制備的Al2O3薄膜的AFM圖像顯示，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，表面粗糙度逐漸增加。

平均粗糙度（Ra）分別為30 rpm時(shí)的0.544 nm、60 rpm時(shí)的0.883 nm和180 rpm時(shí)的0.889 nm，60rpm 時(shí)薄膜厚度在中心更均勻，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)更重要。少數(shù)載流子壽命測(cè)量

不同轉(zhuǎn)速下Al2O3薄膜的工藝參數(shù)及少數(shù)載流子壽命

不同轉(zhuǎn)速下的少數(shù)載流子壽命

在不同旋轉(zhuǎn)速度下制備的Al2O3薄膜的少數(shù)載流子壽命測(cè)量結(jié)果顯示，30 rpm時(shí)為192 μs，60 rpm時(shí)為189.6 μs，表現(xiàn)出相似的鈍化效果。

隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，少數(shù)載流子壽命開始下降，90 rpm時(shí)為155.6 μs，120 rpm時(shí)降至116.5 μs。電池和組件I-V測(cè)試

TOPCon太陽(yáng)能電池鈍化前后的平均性能增益

開路電壓（Voc）：Al2O3沉積的電池組相比于未處理的對(duì)照組，開路電壓有所提升，其中在200℃下沉積的電池組提升最為顯著，提升了1.7 mV。

填充因子（FF）：Al2O3沉積的電池組填充因子有所提高，200℃下沉積的電池組提高了0.23%。

效率（η）：Al2O3沉積的電池組效率有所提高，200℃下沉積的電池組提高了0.123%。

組件性能：將電池組合成組件后，200℃下沉積Al2O3的組件開路電壓提高了0.11 V，填充因子提高了0.37%，功率輸出增加了3.78 W。

通過在TOPCon太陽(yáng)能電池的邊緣沉積Al2O3薄膜，實(shí)現(xiàn)了電池效率的顯著提升，處理后的電池效率提高了0.123%，組件功率增加了3.78W。RS-ALD技術(shù)相比于傳統(tǒng)ALD技術(shù)，具有更高的沉積速率和更好的薄膜均勻性，同時(shí)還能提高生產(chǎn)效率。美能UVPLUS SE光譜橢偏儀

美能UVPLUS SE光譜橢偏儀是專門針對(duì)太陽(yáng)能電池研發(fā)和質(zhì)量把控領(lǐng)域推出的一款設(shè)備，基于絨面太陽(yáng)能電池專用的高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率、消光系數(shù)），波長(zhǎng)范圍覆蓋紫外、可見到近紅外。

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)，Delta測(cè)量范圍0-360°，無(wú)測(cè)量死角

• 高靈敏檢測(cè)粗糙表面散射和極低反射率為特征的絨面太陽(yáng)能電池表面鍍層

• 專門針對(duì)多層薄膜檢測(cè)設(shè)計(jì)，滿足雙層膜（如SiNx/SiO2,SiNx2/SiNx1,SiNx/Al2O3）檢測(cè)

多入射角度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高靈活測(cè)量，滿足復(fù)雜樣品測(cè)試需求

隨著原子層沉積技術(shù)（ALD）在TOPCon電池邊緣鈍化中的應(yīng)用，成功地將電池效率提升了0.123%，這一成果不僅展示了ALD技術(shù)在光伏領(lǐng)域的潛力，也體現(xiàn)了精確表征工具的重要性。美能UVPLUS SE光譜橢偏儀發(fā)揮了不可或缺的作用，它為我們提供了精確的薄膜厚度和折射率測(cè)量，這些數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化ALD工藝參數(shù)和評(píng)估Al2O3薄膜性能至關(guān)重要。

原文出處：Optimization of the deposited Al2O3 thin film process by RS-ALD and edge passivation applications for half-solar cells

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