ALD沉积AlOx界面处理对氧化铝钝化性能的影响

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OPCon 电池的背面钝化已实现高水准（J₀,back<5 fA/cm²），但硼掺杂发射极的正面钝化成为效率提升瓶颈。ALD AlOx 因高负固定电荷（Qf）和低界面缺陷密度（Dit）成为主流方案，但其界面结构对表面预处理的依赖机制尚不明确。

硅表面在原子层沉积（ALD）氧化铝（AlOx）薄膜前的初始状态对钝化性能起决定性作用。本篇研究采用多种氧化预处理手段调控硅表面特性，结合 AlOx 薄膜沉积与退火，揭示了不同预处理对 ALD AlOx/Si 界面 Si-O-Al 和八面体 AlO₆结构形成的影响。结果表明，弱氧化或未氧化表面更利于形成低界面缺陷密度（~1×10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²）的 Si-O-Al 结构，而低价氧化态表面促进八面体 AlO₆结构形成，增强负固定电荷密度。ALD 前引入空气预处理可进一步降低 TOPCon 电池的复合电流密度（J₀），平均开路电压提升 3 mV，效率提高 0.07% 绝对值。

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实验设计

n 型硅片经 RCA 清洗后，分别进行空气中静置24H、水（80℃, 2h）、HCl（1%, 80℃, 2h）、氧等离子体（O*, 30min）预处理。然后ALD 沉积 AlOx 薄膜（250℃, 180 cycles），氮气氛围 450℃退火 10min。

02

数据分析

氧化程度：HF 处理（对照组）表面以 Si⁰为主，空气处理引入弱氧化（Si²⁺/Si³⁺），氧等离子体处理形成厚 SiOₓ层（Si⁴⁺为主），氧化程度排序：O* > HCl > H₂O > 空气 > HF

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少子寿命：空气预处理样品退火后 τeff 最高（2298 μs），J₀最低（19 fA/cm²）；O * 预处理因高 Dit（1.8×10¹² eV⁻¹ cm⁻²）导致 J₀高达 98 fA/cm²。

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固定电荷与缺陷密度：空气预处理样品的负 Qf 最高（2.9×10¹² cm⁻²），归因于低价氧化态 Si 促进八面体 AlO₆结构形成；O * 预处理因厚 SiOₓ层导致 Qf 极性反转空气预处

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全段工艺电池验证：引入空气预处理后，TOPCon 电池的 J₀从 36.5 fA/cm² 降至 32.4 fA/cm²，Voc 提升 3 mV，效率提高 0.07% 绝对值空气预处理样品的负 Qf 最高（2.9×10¹² cm⁻²），归因于低价氧化态 Si 促进八面体 AlO₆结构形成；O * 预处理因厚 SiOₓ层导致 Qf 极性反转空气预处

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总结分析

不同氧化预处理通过调控 ALD AlOx/Si 界面的 Si-O-Al 和 AlO₆结构影响钝化性能：弱氧化表面降低 Dit，低价氧化态促进负 Qf。空气预处理可优化界面结构，使 TOPCon 电池 J₀降低、Voc 提升，效率提高 0.07%。该研究为工业级 TOPCon 电池的表面钝化工艺优化提供了理论依据。

硅表面初始氧化状态直接影响ALD AlOx/Si界面结构，从而调控Dit和Qf；薄弱或无氧化的硅表面（如HF或Air处理）有助于形成优质Si-O-Al界面结构，降低Dit；低价氧化态Si促进AlO₆结构生成，提高负Qf；强氧化预处理（如氧等离子体）反而不利，导致厚SiOx层和差的钝化质量；