10001468_新型晶体硅表面钝化技术

新型晶体硅表面钝化技术 陈剑辉 1 葛坤鹏 1杨林林 1 李锋 2 宋登元 1,2 许颖 1 麦耀华 3 1 物理科学与技术学院，河北大学，071002，保定 2 光伏材料与技术国家重点实验室，英利集团，071002，保定 3 新能源技术研究院，暨南大学，510632，广州 摘 要：硅基光伏技术由于其高的能量转化效率和优良的可靠性成为新能源领域的主力发电技 术。当前，最高转化效率已提升至 26.7%，接近其理论极限 29.4%。但这也意味着进一步提升 效率将变得非常困难。因此，未来的技术路线将集中在两个方面：(1) 研究可以突破理论极限 的新型电池技术，例如钙钛矿/晶硅叠层电池；(2) 对当前硅太阳电池的关键技术，界面钝化和 载流子选择接触技术，进行简化和革新以降低其成本。 目前，氧化硅、非晶硅和氧化铝三种薄 膜钝化主导着当前光伏产业的高效电池技术，例如基于氧化铝钝化的 PERC 电池，基于非晶硅 钝化的 HIT 电池，以及基于氧化硅钝化的 TopCon 电池。这些钝化技术的优点是可以提供高质 量的钝化效果(少子寿命大于 2-10 ms)，不足之处在于需要高真空或者高温工艺来实现，导致技 术成本较高。在这一方面，河北大学物理学院光伏课题组研究开发了新型聚合物钝化技术，其 钝化效果堪比当前效果最佳的非晶硅薄膜钝化技术。例如可以在电阻率 1-3 Ω·cm 的硅片上实现 8 ms 的少子寿命和720 mV 的 implied Voc。在本文中，我们将详细介绍这一钝化技术的钝化效 果、物理机制及其在各类光伏技术中的应用探索。最后，对其应用前景进行展望。 关键词：聚合物，钝化，少子寿命，硅太阳电池 1. 研究背景与内容 硅基太阳电池由于其高的能量转化和优良的可靠性一直以来占据着光伏发电市场的主导地 位。目前，晶体硅太阳能电池的效率已达到了 26.7%[1]，非常接近其理论极限 29.4%[2]。这得益 于硅太阳电池层出不穷的新技术涌现。其中最为关键的是表面钝化技术，优良的表面钝化有利 于电池开压的提升。目前，表面钝化常用到的有三种材料：氧化硅、非晶硅和氧化铝(基于氧化 铝钝化的 PERC 电池，基于非晶硅钝化的 HIT 电池，以及基于氧化硅钝化的 TopCon 电池) [3-5]。 这几种钝化材料的优点是可以提供高质量的钝化效果(少子寿命大于 2~10 ms)，而其不足之处在 于需要高真空或者高温工艺来实现，导致技术成本较高。本论文发现了一种新型钝化材料—聚 苯乙烯磺酸(PSS)，开发了新型聚合物钝化技术。结果表明将聚合物材料用于硅表面钝化可以在 电阻率 1~3 Ω·cm 的硅片上实现 8 ms 的少子寿命，和720 mV 的 implied Voc，这一钝化效果 堪比当前效果最佳的非晶硅薄膜钝化技术。详细研究了这一钝化材料的钝化效果，深入分析了 PSS 材料钝化的物理机制，最后尝试性的将 PSS 钝化技术应用于商业化生产的大面积硅片上。 2. 研究结果与讨论 2.1 PSS 的钝化效果及其物理本质 图 1 给出了基于电阻率为 1~5Ω·cm 的 FZ 硅片，分别用 PSS 和 a-Si:H 进行双面钝化的少子 寿命曲线图。从图 1 中可以明显的看到整体上 PSS 的少子寿命(7.85 ms)远高于 a-Si:H 的(4.57 ms)。这表明 PSS 的钝化效果优于 a-Si:H。进一步地，通过少数载流子浓度为 1015cm-3，我们 得到了用 PSS 对硅表面进行钝化的少子寿命为 7.85 ms，而用 a-Si:H 对硅表面进行钝化的少子 寿命为 4.57 ms。这表明本实验中发现的这种聚合物材料—PSS 有着和 a-Si:H 相似甚至远高于 a- Si:H 的钝化效果。 图1 PSS钝化与a-Si:H钝化的少子寿命曲线图。 基于以上的结果，很自然地会产生一个问题—什么原因导致 PSS 有这么好的钝化效果？借 鉴于 a-Si:H 对硅表面钝化的实质—a-Si:H 中的 H 原子起到了非常关键的作用。是否 PSS 钝化也 于其自身的某个化学键有关？为了更深入地分析，图 2 分别给出了 O2 气氛中 PSS 钝化(高寿命) 和大气气氛中 PSS 钝化(低寿命)的样品的 XPS 谱，在此 XPS 谱分别用 C 1s 在 284.6 eV 的峰位 进行矫正。经过 Gauss 拟合且结合 PSS 的化学分子式( 如图 3 所示)可以发现，在 O2 气氛中，高 寿命的 PSS 钝化样品显示出多个 Si 的价态，这表明晶体硅表面的 Si 原子悬键与 PSS 中的 O 原 子发生了键合作用，形成了 SiOx 。而在大气气氛中，低寿命的 PSS 钝化样品只显示出了 Si0 的 存在，这表明了此时晶体硅表面的 Si 原子悬键并没有与 PSS 中的 O 原子发生键合作用。因此 可以断定 PSS 的优良钝化效率的本质原因在于 PSS 分子中的 O 嫁接到 Si 表面原子的悬挂键 上，抑制了载流子的复合。进一步地，这一优良的钝化效果可以用 PSS/Si 界面的电化学氧化来 解释：如图 2(b)所示，当 PSS 与 Si 表面接触时，PSS 分子上的 H 原子脱落，使剩下的 O 原子 嫁接到 Si 原子悬键上，形成了 Si-O-R(R 代表 PSS 分子中除去 -OH 的部分)。 (a) (b) 图 2(a) PSS/Si 界面 Si 2p XPS 结果，其中顶图为氧气中获得高寿命样品；底图为大气 中放置寿命值消失样品。(b)PSS/Si 钝化方式 图3 PSS的化学分子式； 2.2 PSS 钝化的应用 基于以上 PSS 优良的钝化效果，尝试性的将其应用于商业化生产线中( 所采用的衬底均为 156 cm×156 cm 的大面积硅片)。图 4 分别给出了 PSS 钝化与 SiNx 钝化的 PL 谱对比。从图 4 中可以看到 SiNx 钝化的硅片显示出大部分的暗区，这表明少数载流子的复合较为严重。而 PSS 钝化的硅片显示出较大面积的亮区，表明几乎没有少数载流子的复合存在。 图4 PSS钝化与SiNx钝化的PL谱对比: (a)为SiNx钝化，(b)为PSS钝化 5. 结论 本文发现了一种新型的硅表面钝化材料—聚苯乙烯磺酸(PSS)，并且对这一材料的钝化效果 进行了深入地研究。首先与 a-Si:H 钝化进行了对比研究，发现 PSS 钝化的少子寿命为 7.85 ms 远高于 a-Si:H 钝化的(4.57 ms)。其次，重点研究了 PSS 钝化的本质原因，经 O2 气氛中的 PSS 钝化(高寿命) 与大气气氛中的 PSS 钝化对比研究，发现 PSS 钝化的本质为 PSS 分子中的 O 嫁 接到 Si 表面原子的悬挂键上，降低了表面缺陷态。最后，将 PSS 钝化应用于商业化生产线中 的大面积硅片上，对比了 PSS 钝化与 SiNx 钝化的 PL 谱，发现 PSS 钝化的 PL 谱亮区面积大于 SiNx 钝化的，这表明 PSS 钝化技术应用于商业化生产中有无限的潜力，这也为未来进一步改善 硅太阳电池的效率开辟了一条新的道路。 参考文献 [1] Yoshikawa K, Yoshida W, Irie T, et al. Exceeding conversion efficiency of 26% by heterojunction interdigitated back contact solar cell with thin film Si technology[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2017, 173. [2] Green M A, Keith E. Solar cell efficiency tables[J]. Prostate, 2010, 1(1):25-29. [3] Dullweber T, Gatz S, Hannebauer H, et al. Towards 20% efficient large-area screen-printed rear-passivated silicon solar cells[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 2012, 20(6):630-638. [4] Rahmouni M, Datta A, Chatterjee P, et al. Carrier transport and sensitivity issues in heterojunction with intrinsic thin layer solar cells on N-type crystalline silicon: A computer simulation study[J]. Journal of Applied Physics, 2010, 107(5):932. [5] Fujiwara H, Kaneko T, Kondo M. Application of hydrogenated amorphous silicon oxide layers to c-Si heterojunction solar cells[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(13):481. 作者简介： 陈剑辉，男，博士，河北大学助理研究员。曾担任荷兰国家能源研究所(ECN)太阳能研发部研发工程师。主要研究方向为新型 聚合物薄膜钝化机制及其应用。发表论文 20 余篇。E-mail：chenjh.0403@163.com