空氣對(duì)HAC太陽(yáng)電池晶體硅/本征非晶硅界面污染情況分析

楊爍，陳坤，張衡，王貴林，黃海賓，袁吉仁

(1.南昌大學(xué)光伏研究院，江西 南昌 330031；2.浙江愛(ài)旭太陽(yáng)能科技有限公司，浙江 義烏 322009；3.樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000；4.南昌大學(xué)理學(xué)院，江西 南昌 330031)

硅基異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽(yáng)電池中最具代表性的是非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(HAC)太陽(yáng)電池，這是一種單晶硅和非晶硅結(jié)合的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。這類(lèi)電池具有效率高、制造成本低等特點(diǎn)[1]。最初由日本三洋公司開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。日本三洋公司開(kāi)發(fā)的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為24.7%。由日本松下公司制備的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為25.57%[2]。在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(HAC)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)中，體硅的兩面需要分別沉積本征非晶硅/p型非晶硅(簡(jiǎn)稱(chēng)IP)和本征非晶硅/n型非晶硅(簡(jiǎn)稱(chēng)IN)薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以使異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池獲得非常低的表面復(fù)合速率。而這4層薄膜一般采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，或用熱絲化學(xué)氣相沉積法(HWCVD)進(jìn)行制備。在已知文獻(xiàn)內(nèi)，現(xiàn)有的設(shè)備在鍍這4層薄膜的過(guò)程中至少要將硅片暴露1次到大氣中，即在硅片的一個(gè)表面沉積IN層(或者IP層)后，將硅片翻面再進(jìn)入到腔體中在另外一面沉積IP層(或者IN層)。在這一過(guò)程易造成硅片表面和鍍膜表面的污染，引入界面態(tài)缺陷，這些污染包括氣態(tài)有機(jī)分子的吸附[3]、自然氧化層的形成[4-5]以及環(huán)境中和人身上的灰塵、顆粒的物理吸附。其中氧的存在是導(dǎo)致太陽(yáng)電池光致衰減現(xiàn)象(LID)的重要原因，這對(duì)太陽(yáng)電池的效率影響嚴(yán)重[6]。而這些原因?qū)AC太陽(yáng)電池的性能影響程度，以及 4層薄膜在全程高真空環(huán)境中沉積而不暴露大氣，對(duì)所得太陽(yáng)電池的性能提升程度，還未見(jiàn)報(bào)道。本文設(shè)計(jì)了一種新的沉積4層膜的實(shí)驗(yàn)方案，即在全程高真空條件下完成這4層膜的沉積，并與IN-IP破真空鍍膜進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本文設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)多腔體的熱絲CVD設(shè)備，在全程高真空環(huán)境中完成硅片兩個(gè)表面IN、IP 4層非晶硅薄膜的連續(xù)沉積；還可實(shí)現(xiàn)在某個(gè)環(huán)節(jié)破真空將硅片暴露到空氣中。通過(guò)對(duì)比兩種鍍膜方式所得樣品的表面鈍化效果，并結(jié)合wxAMPS軟件定量分析了這兩種太陽(yáng)電池樣品的性能差異。

本實(shí)驗(yàn)使用由南昌大學(xué)光伏研究院與帕薩電子裝備有限公司聯(lián)合研發(fā)制造的DGPS.HWCVD-01型設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)IN-IP的連續(xù)鍍膜。實(shí)驗(yàn)中，薄膜沉積所用氣源包括SiH4、B2H6、PH3、H2。

非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(HAC)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，襯底采用N型單晶Si(100)雙面制絨片(電阻率4～7 Ω·cm、厚度150 μm、表面尺寸156 mm×156 mm)。膜層沉積前襯底經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗，以去除氧化物和金屬離子，然后在HF溶液中去除自然氧化層[7]。具體清洗工藝如下：硅片在V(DI):V(H2O2):V(NH3·H2O)=10:2:2的SC1溶液中70 ℃清洗10 min，清除硅片表面有機(jī)物；在V(DI):V(H2O2):V(HCl)=10:2:2的SC2溶液中70 ℃清洗10 min，去除硅片表面金屬離子；最后在φ(HF)為5%溶液中清洗2 min，去除硅片表面自然氧化層。硅片清洗完畢后放入60 ℃氮?dú)飧稍锵渲泻娓桑S后放入氮?dú)夤裰袀溆谩?/p>

圖1 HAC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

為了分析兩種鍍膜方式的差別，本文進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得樣品分別記為Sample-A和Sample-B。Sample-A在全程高真空環(huán)境中完成IN-IP連續(xù)鍍膜，該膜片未接觸空氣。Sample-B在完成IN面膜層沉積后，先出腔在實(shí)驗(yàn)室(萬(wàn)級(jí)潔凈)環(huán)境下暴露40 min，以模擬企業(yè)中翻面停留的過(guò)程，然后進(jìn)入設(shè)備腔體完成IP面膜層沉積。在膜層沉積過(guò)程中，IN膜層沉積之間、IP膜層沉積之間(即本征層與摻雜層)是不破真空的。兩種鍍膜方式的差異在于鍍完IN層之后，鍍IP層之前，中間是否破真空(接觸空氣)，以此作為對(duì)比。其他過(guò)程兩組實(shí)驗(yàn)均保持一致。完成膜層沉積后，樣品在8 suns、200 ℃條件下光熱處理。對(duì)處理前后的樣品用美國(guó)Sinton公司W(wǎng)CT-120設(shè)備測(cè)試其Lifetime、J0、iVOC以分析所得薄膜的鈍化性能，并將測(cè)試所得鈍化效果的數(shù)據(jù)代入到wxAMPS軟件中，以模擬其對(duì)樣品電池器件性能的影響。

2 結(jié)果與討論

文中所使用的工藝參數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了初步優(yōu)化。圖2、圖3和圖4分別為全程真空環(huán)境和IN鍍膜后暴露空氣兩種情況所得樣品的Lifetime、J0、iVOC測(cè)試結(jié)果。

圖3 全程真空環(huán)境和IN鍍膜后暴露空氣兩種樣品J0

圖4 全程真空環(huán)境和IN鍍膜后暴露空氣兩種樣品iVOC

少數(shù)載流子壽命反映了太陽(yáng)電池表面和基體對(duì)光生載流子的復(fù)合程度，即反映了光生載流子的利用程度[8]。測(cè)試所得有效少子壽命見(jiàn)圖2所示，注入濃度取1×1015cm-3，全程真空環(huán)境樣品退火后少子壽命達(dá)1 844 μs，IN鍍膜后暴露空氣樣品退火后少子壽命為138 μs；由此可見(jiàn)，相對(duì)于IN鍍膜后暴露空氣，全程真空環(huán)境下完成鍍膜可獲得更高的有效少子壽命。

少數(shù)載流子濃度/(1014 cm-3)

由圖3可知，兩種樣品J0相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，全程真空環(huán)境樣品J0為5.12×10-15，IN鍍膜后暴露空氣樣品J0為9.06×10-14。膜層沉積過(guò)程中，IN鍍膜后暴露空氣，體硅表面會(huì)形成自然氧化層。從文獻(xiàn)[7]可推測(cè)，自然氧化層中存在大量弱Si—Si、Si—O鍵以及高密度的Si懸掛鍵，這可能會(huì)導(dǎo)致a-Si:H(i)/c-Si界面態(tài)密度升高[9]。界面態(tài)密度Dit與反向飽和電流密度J0公式如下：

式中：Pe為p層表面的空穴濃度；q為元電荷；σ為有效載流子的俘獲截面；Vth為載流子的熱速率；ni為本征載流子濃度。由上式可知，J0隨著界面態(tài)密度的升高而升高。由此推測(cè)，完成IN面膜層沉積后，硅片暴露大氣時(shí)引入的自然氧化層使界面態(tài)密度升高，從而導(dǎo)致J0的上升。根據(jù)文獻(xiàn)[5，10]，Si表面自然氧化層影響低溫生長(zhǎng)高質(zhì)量外延Si薄膜，并且影響薄膜厚度的控制及電學(xué)性能。因此，全程真空環(huán)境相對(duì)于IN鍍膜后暴露空氣，引入的缺陷更少，樣品性能更佳。

iVOC是另一個(gè)表征鈍化效果的重要參數(shù)，根據(jù)圖4發(fā)現(xiàn)全程真空環(huán)境樣品退火后iVOC達(dá)0.731 V，IN鍍膜后暴露空氣樣品退火后iVOC為0.654 V?？梢?jiàn)，全程真空環(huán)境樣品鈍化性能優(yōu)于IN鍍膜后暴露空氣樣品。文獻(xiàn)[11]指出高的a-Si:H(i)/c-Si界面粗糙度，會(huì)造成界面態(tài)密度的升高，因此硅片表面復(fù)合速率增加，從而導(dǎo)致VOC的下降。IN鍍膜后暴露空氣，硅片表面會(huì)吸附以分子形式存在的有機(jī)污染物，由此推測(cè)，有機(jī)污染物的存在，可能導(dǎo)致a-Si:H(i)/c-Si界面粗糙度上升，從而界面態(tài)密度上升，因此造成樣品鈍化性能的下降。由兩種樣品測(cè)試結(jié)果分析可知，IN鍍膜后暴露空氣在硅片表面行形成的自然氧化層，及附著在硅片表面的有機(jī)沾污會(huì)對(duì)樣品Lifetime、J0、iVOC等電學(xué)性能造成不利影響。

為進(jìn)一步分析IN鍍膜后暴露空氣引入的缺陷對(duì)樣品電池器件性能的影響，根據(jù)測(cè)試所得兩種樣品的J0、Lifetime等結(jié)果用wxAMPS[12-13]軟件對(duì)樣品J-V曲線進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖5)。模擬條件為AM1.5 G、100 mW·cm2、300 K，模擬中所用到的材料本身主要的參數(shù)如表1所示。

表1 模擬所用主要材料參數(shù)

開(kāi)路電壓/V

由圖5可知，IN鍍膜后暴露空氣在a-Si:H(i)/c-Si界面引入的缺陷VOC(0.727 V降至0.646 V)和FF(84.96%降至82.97%)受到很大影響，進(jìn)而電池效率有明顯降低(23.15%降至20.24%)，與文獻(xiàn)[14]有類(lèi)似研究發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)論

在HWCVD設(shè)備上以全程真空環(huán)境和IN鍍膜后暴露空氣兩種方式分別生長(zhǎng)IN-IP非晶硅膜層，并對(duì)樣品鈍化性能測(cè)試、電池潛在效率模擬。在全程真空環(huán)境條件下，沉積所得樣品iVOC為0.731 V、模擬效率達(dá)23.15%；IN鍍膜后暴露空氣條件下，沉積所得樣品iVOC為0.654、模擬效率20.24%。因此，IN-IP非晶硅膜在全程高真空環(huán)境中完成沉積對(duì)成品電池的性能有較大提升。