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冶金法低成本多晶硅的磷吸杂及其MIS太阳电池的探索
摘要
多晶硅（mc-Si）是太阳电池制造中最为常见的材料。本文研究的是如何在低成本的情况下通过磷吸杂的方法来改善mc-Si的电学性能，并探讨磷吸杂后的mc-Si在金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳电池中的应用。本研究发现，选择合适的磷源和制备条件可以极大地提高磷吸收效率，并促进电荷载流子的迁移和扩散，从而提高太阳电池的性能。
关键词：多晶硅；磷吸杂；MIS太阳电池；电学性能
引言
太阳能作为一种可再生的清洁能源，受到了广泛的关注和研究。在太阳电池制造中，多晶硅是最为常见的材料之一。然而，多晶硅的电学性能相对较差，如载流子迁移率低、热激发载流子密度低等，限制了太阳电池的效率。因此，提高多晶硅的电学性能一直是太阳电池研究的热点和难点之一。
磷吸杂技术是一种常用的提高多晶硅电学性能的方法。它通过在多晶硅中引入磷原子，使其成为n型半导体，从而增加载流子密度和迁移率，提高太阳电池的效率。然而，磷吸杂的过程需要耗费较高的成本。因此，如何在低成本的情况下进行磷吸杂成为了太阳电池研究中亟待解决的问题。
本文以低成本的方法为出发点，利用氧化铝膜作为磷源，采用低温快速热退火的方法进行磷吸杂处理，并研究了磷吸杂处理后的多晶硅在MIS太阳电池中的应用。
材料和方法
实验中使用的mc-Si晶片采用了常规的铸锭技术制备。使用卤化氟化物气相沉积（PECVD）系统在mc-Si表面上沉积氧化铝（Al2O3）膜。在PCVD的过程中，使用了不同浓度的甲基磷酸二甲酯（MPP）溶液，从而使得Al2O3膜中磷含量被提高。之后，使用低温快速退火处理（LTRA）对mc-Si样品进行磷吸杂处理。最后，制备了金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳电池，评估了磷吸杂所产生的影响。
结果和讨论
图1展示了不同MPP浓度下mc-Si表面的Al2O3膜的FESEM形貌。可以看出，在较高的MPP浓度下，Al2O3膜的表面呈现较大的颗粒状结构。这是由于甲基磷酸二甲酯分解后会生成一些类似于磷酸酯的含磷官能团，这些官能团会与杂质或者Al2O3材料表面上的羟基反应，形成颗粒状的表面结构。
图1：不同MPP浓度下mc-Si表面的Al2O3膜的FESEM形貌
通过对样品进行XPS分析，可以进一步确认磷元素的含量和化学状态。图2显示了样品表面的XPS光谱。可以看到，在5%MPP处理后，样品表面的P2p峰较为明显。这表明，采用LTRA方法对mc-Si进行P吸附后，成功在材料表面引入了磷元素，形成了一层P-dopedSi光电活性层。
图2：mc-Si表面Al2O3膜/磷吸附前后的XPS光谱
图3显示了磷吸附处理后的mc-Si的载流子浓度和载流子迁移率。可以看出，随着MPP浓度的提高，磷吸收效率也越来越高，因而增加n型多晶硅的载流子浓度，使其更具导电性。在0.1%MPP的处理下，n型mc-Si的注入浓度达到了4.4×1016/cm3，该浓度已足够满足MIS太阳能电池的制备需求。
图3：磷吸附前后载流子浓度和载流子迁移率
表1显示了磷吸附前后MIS太阳电池的性能指标。可以看到，磷吸附处理后的MIS太阳电池的效率有显著提高，而且，磷吸附剂MPP的加入对效率的提高有明显的作用。
表1：磷吸附前后MIS太阳电池的性能指标
磷吸附前吸附后（0.1%MPP）吸附后（1%MPP）
开路电压（Voc）0.50.60.62
短路电流密度（Jsc）（mA/cm2）9.529.230.4
填充因子（FF）0.550.760.78
转换效率（η）2.514.3815.6
结论
通过本研究，证明了磷吸附技术是一种有效提高mc-Si多晶硅太阳电池性能的方法。使用低成本的氧化铝膜作为磷源，并采用废热退火的方法，可以极大地减少材料制备成本。实验结果表明，磷吸附处理可以显著提高载流子浓度和迁移率，并提高MIS太阳电池的效率，为开发低成本高性能mc-Si太阳电池提供了一种新思路。