原子層沉積（ALD）技術因其優異的可控性、均勻性和共形性而在微納電子、能源存儲等領域有廣泛應用。在200°C和60 rpm的條件下，使用三甲基鋁和水作為前驅體，形成了高質量的Al2O3薄膜，沉積速率為0.12 nm/s，表面粗糙度為0.883 nm，少數載流子壽命為189.6μs。邊緣鈍化后的TOPCon太陽能電池效率提高了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

前驅體運輸：氮氣將兩種前驅體（在本研究中為TMA和水蒸氣）分別運送到不同的反應室，并且高純度氮氣將兩者隔開。

基底旋轉至TMA反應室：基底（硅片）旋轉進入TMA（三甲基鋁）反應室，TMA通過化學吸附與基底表面結合，形成新的官能團。

基底清洗：基底退出TMA反應室，旋轉至高純氮氣室，清洗未反應的前驅體和反應產物，完成第一個半反應。

基底旋轉至水蒸氣反應室：基底旋轉進入水蒸氣反應室，水蒸氣與基底上的官能團發生化學反應。

基底再次清洗：基底退出水蒸氣反應室，旋轉至高純氮氣室清洗基底表面，標志著第二個半反應的結束。

完成上述五個過程構成一個完整的ALD循環，每個循環僅包含單分子層反應，通過重復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。硅片首先經過超聲清洗，使用丙酮、無水乙醇和去離子水各清洗15分鐘，然后在高純度氮氣氛圍中干燥。將清洗干燥后的硅片放置在旋轉空間型原子層沉積（RS-ALD）反應室內。

在不同的溫度（80°C-300°C）、旋轉速度（30 rpm-180 rpm）和工藝周期（200周期）下制備多組Al2O3薄膜，需要對薄膜的沉積速率、表面形狀和鈍化能力進行表征，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）技術對商業 TOPCon 電池（尺寸為 182mm×91mm，正面為硼發射極）進行切割。

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

厚度和折射率測量

不同溫度下和不同轉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量發現，隨著沉積溫度的增加，Al2O3薄膜的厚度先增加后減少。在200℃時，薄膜厚度達到最大值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。

折射率：在200℃時，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。

不同轉速下的薄膜厚度和折射率

隨著旋轉速度的增加，薄膜厚度逐漸減少，從30 rpm時的26.3 nm減少到60 rpm時的23.9 nm，再到90 rpm時的18.2 nm。這可能是由于旋轉速度過快導致基底在每個反應室中的停留時間過短，導致反應物在基底上的吸附不飽和。

折射率：薄膜的折射率相對穩定在1.66到1.68之間，表明旋轉速度對薄膜密度的影響較小。

不同溫度在不同轉速下的沉積速率

沉積速率變化：

在200℃時，沉積速率在30 rpm和60 rpm時較高，特別是在60 rpm時達到最高沉積速率0.12 nm/s。在250℃時，隨著旋轉速度的增加，沉積速率在90 rpm時達到最高，為0.14 nm/s。

溫度對沉積速率的影響：

在200℃時，較高的沉積速率表明在這個溫度下，反應條件較為理想，能夠實現較快的沉積速度。在250℃時，盡管在90 rpm時沉積速率最高，但此時Al2O3薄膜的厚度為19.4 nm，可能表明在較高溫度下，基底表面發生了解析反應，影響了薄膜的質量。

旋轉速度對沉積速率的影響：

隨著旋轉速度的增加，沉積速率在一定范圍內增加，然而，過高的旋轉速度可能導致基底在反應室內的停留時間過短，不足以完成充分的化學反應，從而影響沉積速率和薄膜質量。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，進一步證實了Al2O3的存在。表面形貌和粗糙度表征

不同轉速下Al2O3薄膜的表面形態

(a：30轉/min b：60轉/min c：180轉/min）

在200°C、200個周期、100 sccm TMA流量和不同旋轉速度（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時的0.544 nm、60 rpm時的0.883 nm和180 rpm時的0.889 nm，60rpm 時薄膜厚度在中心更均勻，對大規模生產更重要。少數載流子壽命測量

不同轉速下Al2O3薄膜的工藝參數及少數載流子壽命

不同轉速下的少數載流子壽命

在不同旋轉速度下制備的Al2O3薄膜的少數載流子壽命測量結果顯示，30 rpm時為192 μs，60 rpm時為189.6 μs，表現出相似的鈍化效果。

隨著旋轉速度的增加，少數載流子壽命開始下降，90 rpm時為155.6 μs，120 rpm時降至116.5 μs。電池和組件I-V測試

TOPCon太陽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太陽能電池的邊緣沉積Al2O3薄膜，實現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技術相比于傳統ALD技術，具有更高的沉積速率和更好的薄膜均勻性，同時還能提高生產效率。美能UVPLUS SE光譜橢偏儀

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

• 先進的旋轉補償器測量技術，Delta測量范圍0-360°，無測量死角

• 高靈敏檢測粗糙表面散射和極低反射率為特征的絨面太陽能電池表面鍍層

• 專門針對多層薄膜檢測設計，滿足雙層膜（如SiNx/SiO2,SiNx2/SiNx1,SiNx/Al2O3）檢測

多入射角度結構設計，高靈活測量，滿足復雜樣品測試需求

隨著原子層沉積技術（ALD）在TOPCon電池邊緣鈍化中的應用，成功地將電池效率提升了0.123%，這一成果不僅展示了ALD技術在光伏領域的潛力，也體現了精確表征工具的重要性。美能UVPLUS SE光譜橢偏儀發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量，這些數據對于優化ALD工藝參數和評估Al2O3薄膜性能至關重要。

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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