47-非晶硅晶体硅异质结太阳电池钝化技术的初步研究

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池钝化技术的初步研究 1王菁王菁， ， 王烁王烁， ， 张晓丹张晓丹， ， 赵颖(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，光电信息技术科学教育部重点实验室，光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室，天津 300071) 摘要摘要： ： 本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积（ VHF-PECVD ）技术制备本征非晶硅薄膜。研究了非晶硅 /晶体硅异质结 （ HIT ） 太阳电池中硅片表面钝化方法， 分析了少数载流子寿命随本征层氢稀释率、辉光功率、以及 H 等离子体处理时间的变化趋势，并从材料微结构的角度分析了钝化材料如何影响钝化效果。 太阳电池中本征非晶硅层应厚度适中， 保证电池同时具有高开路电压和填充因子。关键词关键词： ： 非晶硅；异质结太阳电池；少子寿命；表面钝化1 基金项目 :国家重点基础研究发展计划 (Nos. 2011CBA00706, 2011CBA00707)、国家自然科学基金 (60976051)和教育部新世纪人才项目 (NCET-08-0295)资助的课题? E-mail: xdzhang@nankai.edu.cn 1 引言非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池是在单晶硅、 多晶硅片衬底上沉积宽带隙的非晶硅作为窗口层或发射极，形成电池 [1]。其优点是：结构简单，能同时实现表面钝化及 pn 结的形成； 所有工艺均可在较低温度 （ 200℃） 下完成， 降低能耗； 并且， 相对于传统晶体硅电池，在高温下有较高的输出，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。 Sanyo 的 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin Layer ） 电池转化效率已超过 23%[2]， 这来源于在 pn 结中插入的本征非晶硅层对硅片表面的良好钝化。因此，研究硅片钝化技术是获得高效 HIT 电池的基础和关键之一。少子寿命能直接反映硅片的钝化效果 [3]，通过少子寿命测试及相应材料结构的分析，探索提高硅片表面钝化效果的规律。2 实验实验中采用 VHF-PECVD 系统，在硅片上沉积非晶硅薄膜材料。 本征非晶硅材料所用的反应源气体为 SiH 4和 H 2， B2H6 和 PH3 分别作为沉积 P 层和 n 层的掺杂气体。 所用硅片有 p 型 CZ 片， 晶向为 （ 100） ，双面抛光，电阻率 0.3～ 0.7 ? · cm；以及 n 型 CZ 片，晶向为 （ 100） ， 未抛光。 实验中硅片采用湿法化学清洗，最后采用 1%的 HF 溶液去除表面氧化层。测量少子寿命的样品是在硅片上双面沉积本征非晶硅薄膜， 采用 SEMILAB 公司少子寿命测试仪进行测量。 样品的表面形貌采用日本精工 SPA-400 型原子力显微镜进行分析。电池样品的结构为 Al front grid / In 2O3:Sn (ITO) / p a-Si:H / i a-Si:H / n c-Si /Al back metallization，太阳电池的 J-V 特性在 25℃、AMl.5 、 100 mW/cm2 条件下测量。3 结果与讨论3.1 本征层氢稀释率对少子寿命的影响在 PECVD 沉积 a-Si:H 材料过程中， 以不同比例的氢气稀释硅烷可以显著影响薄膜材料的电学特性以及微结构特性， 大量氢稀释甚至可以促进氢化纳米硅（ nc-Si:H）和氢化微晶硅（ μ c-Si:H）的形成。实验中固定其他条件不变，仅改变本征层氢稀释率 R（ R=H2/SiH 4）制备了一系列材料，观察其少子寿命变化。0 2 4 6 8 101015202530τ(μs)R(H 2/SiH4)图 1 少子寿命随本征层氢稀释率变化曲线 （所用硅片： p型抛光片）如图 1 所示， 在本实验范围内， 氢稀释率对少子寿命的影响可以分成两个区域， 在 R>2.5 时， 少子寿命几乎不随氢稀释率变化，维持在较低水平； R<2.5时， 随氢稀释率的降低， 少子寿命有一定程度的提高。实验中， 对 n 型未抛光硅片的钝化更加困难， 但少子寿命显示出相同的变化规律。为进一步认识这一规律， 对上述材料进行了 AFM 测试， 结果如图 2 所示。从图中可以看出， R=10 条件下，在硅片表面生长的非晶硅薄膜中存在大量微晶粒， R=2.5 时薄膜中也有少数微晶粒出现， 说明存在部分外延硅情况， 文献表明 [4]，外延硅的生长会严重恶化硅片的钝化效果，高氢稀释率下的低少子寿命主要与外延硅的生长有关；R<2.5 时，薄膜表面没有明显的微晶粒出现，是较致密的非晶硅薄膜材料，因此少子寿命有了提升。(a) R=10 (b) R=2.5(c) R=2 (d) R=0.5 图 2 沉积在硅片上的不同氢稀释率条件下本征非晶硅薄膜AFM 图我们知道， 薄膜电池中， 器件质量级的本征非晶硅材料是在接近非晶 /微晶过渡区非晶一侧制备的，实现的方法有采用高的氢稀释率或是等离子体处于硅烷高耗尽状态 [5]。有文献指出 [6]，适合于硅片表面钝化的非晶硅材料也应在靠近过渡区生长。 从上述实验结果可以看出， 在硅片衬底上生长非晶硅时， 在很低的氢稀释率（ R=2.5）条件下，也容易出现一定程度的晶化， 也就是容易发生外延生长。 因此， 在调节氢稀释率使材料向过渡区靠近非晶生长的过程中要格外小心以避免可能的外延生长对材料质量的影响。3.2 本征层辉光功率对少子寿命的影响如图 3 所示， 在本实验范围内少子寿命随辉光功率的增大逐渐降低。 功率的增大一方面带来沉积速率的提高， 使得反应前驱物来不及迁移到生长表面的最优位置， 则生成的非晶硅薄膜中有较多的悬挂键等缺陷； 另一方面高功率也使得离子轰击作用增强， 容易对硅片表面及薄膜表面造成损伤， 从而在薄膜中形成微空洞和缺陷态，造成薄膜性质恶化。5 10 15 20 25 30510152025τ(μs)Power (W)图 3 少子寿命随本征层辉光功率变化曲线同时还进行了 AFM 测试，结果如图 4 所示，辉光功率为 30W 时（图 4(a)）薄膜中有大量晶粒及微空洞存在，极不均匀；功率为 8W 时（图 4(b)）虽也有少量微晶粒存在，但薄膜较致密，钝化效果较好。(a)30W (b)8W图 4 不同辉光功率本征非晶硅薄膜 AFM 图3.3 H 等离子体处理对少子寿命的影响图 5 所示为少子寿命随 H 等离子体处理时间的变化规律， 可以看出在沉积非晶硅薄膜前对硅片进行短时间的 H 处理（ 30s 以下）能够提高少子寿命，但H 处理时间继续增长，少子寿命则下降。适当的 H处理可以钝化硅片表面悬挂键， 同时刻蚀掉硅片表面氧化层，降低界面缺陷态密度； H 处理时间过长时，H 等离子体对硅片的损伤作用显现出来， 界面态密度增大，载流子复合增强，从而导致少子寿命下降。0 5 10 15 20 25 30 35 4051015202530τ(μs)Time (s)图 5 少子寿命随 H 处理时间变化曲线H 处理硅片对其上生长的非晶硅薄膜表面形貌的影响如图 6 所示。可以看到， H 处理硅片 20s 后，在其上以不同辉光功率沉积的非晶硅薄膜材料， 相比处理前（如图 4(a)和 (b)） 都更均匀， 微晶粒、微空洞减少，缺陷态密度降低。适当的 H 处理有助于改善非晶硅材料的微结构， 形成均匀、 致密的薄膜， 从而获得更好的钝化效果。(a)30W， H 处理 20s (b)8W， H 处理 20s 图 6 不同 H 处理时间条件下不同辉光功率本征非晶硅薄膜AFM 图3.4 本征非晶硅材料应用于 HIT 电池将不同厚度的本征非晶硅材料应用于电池， 电池结构为 Al front grid / In2O3:Sn (ITO) / p a-Si:H / i a-Si:H / n c-Si /Al back metallization ， 发现当本征非晶硅层较厚时， 钝化效果较好， Voc 达到 0.561V， 但串联电阻的增大导致 FF 降低；减薄非晶硅层则钝化效果变差， FF 提高。因此在选择本征非晶硅厚度时应同时兼顾钝化效果以及电池的 FF[7]。 同时还发现， 短时间的 H 处理可以有效改善界面特性， 提高电池 FF；H 处理时间过长则会对硅片表面造成损伤， 造成局部漏电，使得电池并联电阻减小， FF 降低，实验中 H处理 30s 时效果最好。 图 7 所示为有、 无 H 处理电池的 J-V 曲线。0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60510152025303540Jsc=34.57mA/cm 2Voc=0.534VFF=0.619Eff=11.44%Jsc=35.61mA/cm 2Voc=0.524VFF=0.688Eff=12.85%with H treatment without H treatmentJ(mA/cm2)V (v)图 7 有、无 H 处理电池的 J-V 曲线4 结论本文研究了非晶硅 /晶体硅异质结太阳电池中硅片表面的钝化方法， 通过少子寿命测试分析了不同非晶硅薄膜以及 H 处理对硅片表面的钝化效果，同时通过 AFM 测试对硅片表面生长的非晶硅薄膜表面形貌进行了分析， 以期从薄膜微结构的角度研究钝化材料如何影响钝化效果。 本征非晶硅的沉积不宜使用过高的氢稀释率以及过高的功率， 这会导致不利于钝化效果的外延生长，严重恶化钝化质量；短时间的 H处理能够钝化硅片表面， 去除表面氧化层； 将本征非晶硅钝化材料应用于电池中时， 材料厚度应适中， 以保证同时获得好的钝化效果及高的 FF。致谢致谢： ：感谢中国科学院电工研究所在少子寿命测试方面给予的帮助。参考文献[1] Makoto Tanaka, Mikio Taguchi, Takao Matsuyama et al. Development of New a-Si/c-Si Heterojunction Solar Cells: ACJ-HIT (Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer). Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31(1992). [2] Takahiro Mishiman, Mikio Taguchi, Hitoshi Sakata et al. Development status of high-ef?ciency HIT solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 18 – 21. [3] M.R. Page, E. Iwaniczko, Y . Xu, L. Roybal et al. Photoconductive Decay Lifetime And SUNS-VOC Diagnostics of Efficient Heterojunction Solar Cells.33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2008). [4] U. K. Das, M. Z. Burrows, M. Lu et al. Surface passivation and heterojunction cells on Si (100) and (111) wafers using dc and rf plasma deposited Si:H thin ?lms. APPLIED PHYSICS LETTERS 92, 063504(2008). [5] A. Descoeudres, L. Barraud et al. 21% EFFICIENCY SILICON HETEROJUNCTION SOLAR CELLS PRODUCED WITH VERY HIGH FREQUENCY PECVD. 21st International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-21), Fukuoka, Japan, November (2011). [6] A. Descoeudres, L. Barraudd, Stefaan De Wolf et al. Improved amorphous/crystalline silicon interface passivation by hydrogen plasma treatment. Appl. Phys. Lett. 99, 123506 (2011). [7] Sara Olibet, Evelyne Vallat-Sauvain, Luc Fesquet et al. Properties of interfaces in amorphous/crystalline silicon heterojunctions. Phys. Status Solidi A 207, No. 3, 651 – 656 (2010).