n型晶体硅／p型非晶硅异质结太阳电池的研制
1前言 采用宽带隙的非晶硅作为窗口层或发射极，单晶硅或多晶硅片作衬底，形成了非晶硅／晶体硅异质结太阳电池，称为HIT（heterojunction with intrinsic thin-layer）太阳电池。它可以同时实现pn结和优异的表面钝化，并且所有工艺可在低温（《200℃）下完成，既减少了能耗，又能避免硅片在高温处理过程中可能产生的性能退化。由于这种电池既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景，成为光伏能源领域的一个研究热点。 本文通过分析测试HIT太阳电池制备过程中硅片表面的一些钝化技术对少数载流子寿命的影响，来研究钝化效果，摸索出提高电池效率的途径，并结合背电场工艺，研制出高效率的HIT太阳电池。
2实验 实验中我们选用的衬底为n型单面抛光直拉单晶硅片。首先对硅片进行严格的化学清洗。然后通过改变钝化方法和工艺条件分别进行对比实验，测试硅表面的少子寿命，测试仪是采用SEMLABWT一1000型的微波光电导衰减仪（μ一PCD）。采用射频等离子体辅助化学气相沉积（RF-PECVD）技术沉积非晶硅薄膜，在优化钝化条件的情况下，制备出完整的HIT电池样品，电池的结构为Ag／n-c-Si／i-a-Si：H／p-a-Si：H／ITO。电池的卜V特性在太阳模拟光源AMl．5光照条件（1000w／m2），25℃下测得。采用标定过的Si探测器为参考样品，通过量子效率（QE）测试仪得到太阳电池的光谱响应。
3结果与分析 3．1硅表面钝化及对电池性能的影响 （1）化学预处理及其钝化作用 图1 硅片少子寿命随HF溶液处理时间的变化曲线 图1是硅片少子寿命随不同HF溶液处理时间的变化曲线，可以看出用HF溶液处理后的硅片少子寿命均有提高，说明一定浓度的HF溶液能有效去除硅片表面的氧化层，提高载流子寿命。其中处理lmin后测得的少子寿命最高，并且HF溶液处理时间不宜过长，当Time》1min后，随着时间的增长少子寿命会有所下降，说明长时间的HF溶液腐蚀可能会破坏硅表面结构。 （2）H处理及其钝化作用 图2 硅片少子寿命随H处理时间的变化曲线 图2所示为硅片少子寿命随不同H等离子处理时间的变化曲线，可以看出对衬底进行一定时间的H处理（《25s）后少子寿命都有提高，其中最佳H处理时间为20s，此时少子寿命值相对于原始裸片增加了11．35“s，适当时间的H处理可钝化硅片表面的悬挂键，同时刻蚀掉了硅表面的氧化层，有效改善界面，然而过长时间的H等离子处理会对硅片表面造成损伤，引起表面缺陷的增加，相应的也降低了其少子寿命。 （3）本征非晶硅沉积及其钝化作用 图3为硅片少子寿命随沉积不同i-a-Si：H厚度的变化曲线，可以看出没有沉积本征非晶硅层的硅衬底少子寿命最优值为16．44”s，当沉积一定厚度的本征非晶硅后，硅片的少子寿命均有提高，说明了非晶硅薄膜作为缓冲层减小了异质结界面态密度，对硅片表面有很强的钝化效果。其中随着厚度的增加，当沉积时间为40s，厚度约为3nlTl的本征非晶硅，少子寿命最高达到24．61“s，并且得到的本征非晶硅薄膜结构比较稳定，能够在电池中应用。 （4）本征非晶硅对HIT太阳电池性能的影响 图4 HIT太阳电池V沉积i-a-Si：H层厚度的变化曲线 在沉积不同本征非晶硅层厚度的基础上，制备完整的HIT太阳电池样品，测试得到电池的开路电压（U）与沉积i-a-Si：H层厚度的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，当沉积时间为40s，制备得到的HIT太阳电池的K最高，结合前面关于本征i层对硅片表面的钝化作用，此时的少子寿命也是最高的，说明表面钝化能有效提高电池的开压。 保持HIT太阳电池其他工艺条件不变，仅改变本征非晶硅层的插入，制备一组电池样品，测试电池的QE响应和IV特性，如图5所示。 从QE曲线中可以看出本征层的插入增加了对短波段光的吸收，使得短波段光谱响应相比不加入本征层的减弱了，短路电流密度J。略有降低，但是它通过在界面处降低了异质结的表面复合速率来提高电池的填充因子FF和开路电压K，因此异质结界面处插入一定厚度的i-a-Si：H能有效提高HIT太阳电池的光电转换效率。 3．2背电场对HIT太阳电池性能的影响 背场是用来提高太阳电池效率的有效手段，背场即在电池的背面接触区引入同型重掺杂区，指的是可对光生少子产生势垒效果的区域，从而减少光生少子在背表面的复合。 图6所示为有、无背场的HIT太阳电池的QE响应和IV特性曲线。从图中可以看出背场能有效增加电池的长波段响应，加入背场的电池在背面有很低复合速率，将能增强低光子能量处的光谱响应，因此短路电流密度将增加。由于短路电流增加，背面接触的二极管复合电流减少，从而开路电压增加，能有效提高电池的转换效率。 有、无背场的HIT太阳电池的QE响应和IV特性曲线 3．3优化后的HIT太阳电池 在上述研究的基础上，对单面HIT太阳电池各沉积参数进行优化，得到了开压为596mV、短路电流密度为41．605mA／cm2、填充因子为0．676、效率为16．75％的HIT电池，其卜V特性曲线如图7所示，测试在模拟光源AMl．5，25℃下进行。 优化后的HIT太阳电池
4小结 本文通过研究不同硅表面钝化方法，分析测试HIT太阳电池制备过程中硅片表面的一些钝化技术对少数载流子寿命以及对电池性能的影响，发现适当的HF溶液预处理、20s的衬底H处理和插入约3nm的本征非晶硅层能有效提高硅片的少子寿命，通过饱和硅片表面的悬挂键，可以降低少数载流子在表面的复合，从而得到较好的表面钝化效果。研究了在硅衬底背面制作背场后电池的光照特性，发现在硅片背面引入重掺杂背场提高了电池的长波段光谱响应和开路电压。对电池的各制备工艺进行综合优化，研制出了效率为16．75％（AMl．5，25℃）的HIT太阳电池。
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