25-HIT太阳能电池的界面钝化研究
HIT 太阳能电池的界面钝化研究 ?谢 杨 敬 启(中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点联合实验室 北京 100083) 摘要摘要: : 硅异质结电池( HIT )具有制备温度低、稳定性好等优点,在光伏领域具有很好的前景。非晶硅 /单晶硅之间的界面态对电池性能影响较大,因而非晶硅 /单晶硅界面钝化问题一直是 HIT 电池研究热点之一。本论文从模拟与实验两方面研究了界面态密度对 HIT 电池的影响。 模拟结果表明界面态对电池开压影响较大, 而对电池电流密度影响较小 (如图 1 所示) ,实验采用少子寿命和表面光电压谱 ( SPS—— surface photovoltage spectroscopy , 如图 2 所示)表征非晶硅对晶硅表面的钝化效果。关键词关键词: : HIT 太阳能电池 界面态 钝化图 1 归一化后的开路电压、短路电流、填充因子、转换效率与界面态密度的关系图 2 样品 20120424 和 20120425 的表面光电压谱图?项目来源:国家高技术研究发展计划( 863计划) ( NO.2011AA050504)作者简介:李浩( 1986—) ,男,硕士研究生,主要从事柔性衬底硅薄膜太阳能电池的界面研究。 E-mail: lihao2010@semi.ac.cn 通讯作者:曾湘波 副研究员,主要从事硅基低维光伏材料及器件研究 E-mail: xbzeng@semi.ac.cn 0 引言在非晶硅 /单晶硅异质结电池中间加入一层很薄的 i-a-Si:H 层,就形成了 HIT( Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer )电池结构。 HIT 电池综合了晶体硅电池和非晶硅电池的优点,是一个非常优秀的设计。单晶硅太阳电池的制备中需要通过高温( >900℃ )扩散来获得 pn 结 [1],需要的能耗 较 高 ; 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 可 以 通 过PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 或 HWCVD ( hot-wire chemical vapor deposition ) 等技术来实现电池的制备,使用的能耗低,可以降低成本,但电池的转换效率较低, 并且非晶硅太阳电池还有一个缺点就是 S-W 效应(光致衰退效应) ,使得非晶硅太阳电池在实际的应用中还是受到了限制。而非晶硅 /单晶硅异质结太阳电池综合了非晶硅和单晶硅电池的优点。 既发挥了单晶硅电池转换效率高的优点, 又发挥了非晶硅电池能耗小, 成本低的优点。而在非晶硅 /单晶硅之间插入一层很薄的本征非晶硅层, 对单晶硅的界面态起到了很好的钝化效果, 使得电池的性能得到进一步的提高。这里我们采用德国 Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) 公司的 AFORT-HET2.4.1 模拟软件对非晶硅 /单晶硅异质结电池的特性进行模拟计算。 该软件是利用泊松方程和连续性方程进行模拟计算。 研究了不同界面态密度对 HIT 电池性能的影响。1 模拟计算我们模拟的 HIT 电池的结构为TCO/a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/interface states/c-Si(p)/Al-BSF(p+) ,如图 3 所示。其中 a-Si:H(n) 和 a-Si:H(i) 厚度分别为 10nm 和3nm,并且其中的缺陷态密度分布如图 4(a)所示 [2]。 c-Si(p) 和 c-Si(p+) 的厚度分别为300μ m 和 5μ m。界面态采用了 3nm 厚的界面态层来进行模拟 [3],并且界面态分布采用高斯分布模拟 (如图 4(b)所示 )。在将界面的面缺陷态密度转化为体缺陷态密度时, 我们利用了关系式d?= 21 ρρ ( 1)其中 ρ 1 为面缺陷态密度 ( cm-2) , ρ 2 为体缺陷态密度( cm -3) 。该关系式如下推到出:dSS ??=? 21 ρρ ( 2)则 d?= 21 ρρ ( 1)其中 S 为选取的界面的面积, d 为界面层厚度,这里 d 取 3× 10-7cm。通过关系式 ( 1) ,我们有表 1 所示的面缺陷态密度和体缺陷态密度的对应关系。 相关的模拟参数如表 2 所示。表 1 面缺陷态密度和体缺陷态密度的对应关系面缺陷态密度( cm-2) 对应的体缺陷态密度( cm -3)1× 1010 3.3× 10161× 1011 3.3× 10171× 1012 3.3× 10185× 1012 1.65× 10191× 1013 3.3× 1019图 3 模拟的 HIT 电池的结构图(a) (b) 图 4 (a)模拟的 HIT 电池中非晶硅层的缺陷态密度分布图 (b)模拟的 HIT 电池的界面态的高斯分布图表 2 HIT 电池的模拟参数表参数 a-Si:H(n) a-Si:H(i) Interface states c-Si(p) AlBSF 膜厚 (nm) 10 3 3 3× 105 5× 103介电常数 11.5 11.5 11.9 11.9 11.9 电子亲和能 (eV) 3.9 3.9 4.05 4.05 4.05 电学带隙 (eV) 1.6 1.6 1.12 1.12 1.12 光学带隙 (eV) 1.7 1.7 1.12 1.12 1.12 有效导带态密度 (cm-3) 1× 1020 1× 1020 2.8 × 1019 2.8 × 1019 2.8 × 1019有效价带态密度 (cm-3) 1× 1020 1× 1020 1.04 × 1019 1.04 × 1019 1.04 × 1019电子迁移率 (cm2 V-1 s-1) 5 5 1350 1350 202.4 空穴迁移率 (cm2 V -1 s-1) 1 1 500 500 77.15 受主掺杂浓度 (cm-3 ) 0 0 1× 1016 1× 1016 1× 1019施主掺杂浓度 (cm-3 ) 1× 1020 0 0 0 0 电子热速度 (cm s-1) 1× 107 1× 107 1× 107 1× 107 1× 107空穴热速度 (cm s-1) 1× 107 1× 107 1× 107 1× 107 1× 107层密度 (g cm-3) 2.328 2.328 2.328 2.328 2.328 电子俄歇复合系数(cm 6 s-1) 0 0 2.2 × 10-31 2.2 × 10-31 2.2 × 10-31空穴俄歇复合系数 (cm6s-1) 0 0 9.9 × 10-32 9.9 × 10-32 9.9 × 10-32直接带间复合系数 (cm3s-1) 0 0 1.1 × 10-14 1.1 × 10-14 1.1 × 10-14氧缺陷位置 (eV) Gaussian distribution Ev+0.5 Ev+0.5 电子俘获界面 (cm2 ) 1.0 × 10-14 1.0 × 10-14 1.0 × 10-14空穴俘获界面 (cm2) 1.0 × 10-14 1.0 × 10-14 1.0 × 10-14(a) (b) (c)(d) 图 5 开路电压 Voc(a)短路电流 Jsc(b)填充因子 FF(c)转换效率 Eff(d) 随界面态密度的变化图 5分别是开路电压 Voc、 短路电流 Jsc、填充因子 FF 和转换效率 Eff 随界面态密度的变化。从图 5( a-d)可以看出,随着界面态密度的增加,短路电流 Jsc 受影响很小,只是略微有点儿下降,而当界面态密度从1010cm-2 变化到 1012cm-2 时,开路电压 Voc、填充因子 FF 和转换效率 Eff 变化也是很小,但是当界面态密度超过 1012cm-2 时, Voc、FF、 Eff 都随着界面态密度的增加出现了明显的下降。图 1 是归一化后的开路电压、短路电流、 填充因子、 转换效率与界面态密度的关系,进一步印证了这一结果。图 6 是模拟的界面态密度分别为 1× 1011cm-2、 5× 1012 cm-2、 1× 1013cm-2 的 HIT 电池中 n-a-Si:H/i-a-Si:H/interface/p-c-Si 部分的界面处的能带图( a)和界面附近的电流密度图( b) 。从图 6( a)蓝色圆圈中可以看出,随着界面态密度的增加, 导带的带阶变化却较小, 因此在 p-c-Si 区域形成电子空穴对后,电子进入 n 型区的数量受影响较小, 短路电流受影响较小。 图 6( b) 表明界面附近的电子电流和空穴电流几乎不受界面态密度的影响, 这也说明了短路电流密度确实受界面态密度影响较小。(a) (b)图 6 模拟的 HIT 电池界面处的能带图 (a)和界面附近的电流密度 (b) (a) (b) 图 7 不同界面态密度下准费米能级 Efn 和 Efp 的位置图 (a)和界面处的费米能级之差随界面态密度变化关系 (b) 图 7( a) 是不同界面态密度下准费米能级 Efn 和 Efp 的位置图。从图 7( a)中黑色框标出的位置可以看出, 随着界面态密度的增加, 准费米能级之差逐渐减小 (如图 7( b)所示) 。 从图 7( a) 分析, 在界面层和 p-c-Si部分 (即大于 1.1× 10-6cm 部分, 红色虚线框部分) , 可以看出 5× 1012、 1× 1013cm-2 出现了一段 Efn 和 Efp 相对平行的部分, 这可能是因为界面态的钉扎效应使得 Efn 和 Efp 相对不变, 而 1× 1011cm-2 界面态密度的 HIT 电池由于界面态密度较低, 这种定扎效应就显得较弱。并且在红色虚线框部分, 5× 1012cm-2 界面态密度的准费米能级之差比 1× 1013cm-2 界面态密度的准费米能级之差大, 说明随着界面态密度增加,界面态的定扎效应越显著,同时也说明当界面态密度超过 1012cm-2 时,Voc 都随着界面态密度的增加出现了明显的下降。2 实验方法实验利用 PECVD 设备进行样品制备,衬底选择为 p 型单晶硅、 n 型单晶硅和玻璃衬 底 。 P 型 单 晶 硅 参 数 : ( 110 ) ,180μ m-220μ m, 0.5-3? · cm; n 型单晶硅参数: ( 100) , 405-435μ m, 2.0-2.7? · cm。在制备样品之前, 先对单晶硅片进行清洗。 清洗 p 型单晶硅片的流程为: 用约 15%的 KOH 溶液浸泡 30s 左右,目的是去除硅片表面的损伤层,之后用 5%的 HF 酸漂洗,用去离子水超声; 而实验用的 n 型单晶硅片仅用 5%的 HF 酸进行漂洗,去除表面的氧化层。实验中以 SiH 4 和 H2 为源气体,流量比H 2:SiH 4=4:1,压强为 133Pa,反应腔室温度170℃ , 射频频率为 13.56MHz , 射频功率为6W 。我们在衬底上生长了不同厚度的非晶硅薄膜, 薄膜的厚度是根据我们设备的沉积速率和沉积时间计算得出的 [4]。实验采用测量样品的少子寿命和表面光电压谱 SPS 来表征单晶硅片表面的钝化效果 [5,6,7] 。 少子寿命测量采用型号为 WML-1的少子寿命测量仪; 表面光电压谱仪为实验室自己搭建的设备。有文献 [8]提到,在通常情况下,半导体表面会发生能带弯曲 ( n 型半导体向上弯, p型半导体向下弯) 。以 n 型半导体为例,光照时光子会入射到半导体表面, 如果光子能量大于表面带隙中缺陷态到导带的能级差,同时小于半导体带隙宽度, 会使表面缺陷态向导带激发电子,从而使表面能带弯曲减弱, 而减小这部分能带弯曲就对应着表面光电压 Vs(如图 8 所示) 。图 8 表面光电压形成能带图3 结果与讨论通过少子寿命测试,我们研究了 HF 钝化和非晶硅薄膜钝化单晶硅片表面的情况。表 3 是所测样品的钝化处理情况。 表 4 是测得的 p 型样品的少子寿命。表 3 所测样品的钝化处理情况样品号 20120508p0 20120508pHF1 20120424p 20120425p 钝化处理 无 HF 酸处理 经过 HF 酸处理 经 HF 处理后,又生长 5nm 非晶硅钝化薄膜经 HF 处理后,又生长 10nm 非晶硅钝化薄膜表 4 测得的 p 型样品的少子寿命样品号 20120508p0 20120508pHF1 20120424p 20120425p 少子寿命( μ s) 1.58 1.73 2.01 1.86 从表 4 可以看出, p 型单晶硅经过 HF 酸钝化后,少子寿命有所提高,从 1.58μ s提高到 1.73μ s。 这是利用 HF 酸中的 H 来补偿钝化硅表面的悬挂键;而在经过 HF 酸处理的硅片上生长非晶硅薄膜后, 钝化效果得到了进一步的提高。 很明显, 样品 20120424p的少子寿命比 20120508pHF1 的少子寿命长, 这是由于在样品的制备过程中,非晶硅薄膜中的 H 进一步补偿硅片表面的悬挂键,起到钝化的效果。但并不是钝化薄膜越厚越好, 如果非晶硅薄膜过后,虽然补偿了硅片表面的悬挂键, 但是非晶硅本身的缺陷态也影响了少子寿命,这就是样品 20120425p 比 20120424p少子寿命短的原因图 9 样品 20120424n 和 20120425n 的表面光电压图图 9 是样品 20120424n 和 20120425n 的表面光电压图, 这两个样品是 n 型单晶硅衬底生长的样品,其中 20120424n 表面生长5nm 非晶硅薄膜, 20120425n 表面生长 10nm非晶硅薄膜。 由于我们测得的表面光电压谱中, 波峰开始出现的地方就对应着表面带隙中缺陷态能级位置, 所以样品 20120424n 的缺陷态能级位于导带底以下 1.0eV 处, 而样品 20120425n 的缺陷态能级位于导带底以下0.95eV 处(如图 9 中箭头所示) 。由于缺陷态能级越靠近带隙中央, 电子空穴的复合几率 越 高 , 20120424n 的 钝 化 效 果 要 好 于20120425n 的钝化效果, 即 5nm 非晶硅薄膜的钝化效果好于 10nm 非晶硅薄膜。这和少子寿命的结果是一致的。4 结论我们的模拟结果表明短路电流受界面态密度的影响较小,而在界面态密度超过1012cm-2 时,随着界面态密度的增加,开路电压、填充因子和转换效率明显下降。 HF酸和氢化非晶硅薄膜都对单晶硅表面有钝化效果,并且氢化非晶硅的钝化效果更显著。 并且研究表明, 并不是氢化非晶硅薄膜越厚,钝化效果越好,因为过厚的非晶硅薄膜本身的缺陷态会影响少子寿命。 我们的研究表明,厚度为 5nm 的氢化非晶硅薄膜的钝化效果要好于 10nm 的非晶硅薄膜。参考文献[1] M. W. M. van Cleef, J. K. Rath, F. A. Rubinelli,et al, Performance of heterojunction p+ microcrystalline silicon n crystalline silicon solar cells, J. Appl. Phys. 82 (12), 15 December 1997,6089-6095 [2] L. Zhao, C.L. Zhou, H.L. Li, et al, Design optimization of bifacial HIT solar cells on p-type silicon substrates by simulation, Solar Energy Materials 31: 954 – 965