通过高密度氢处理减少界面陷阱以提高钝化发射极后接触电池的效率

介绍

太阳能电池是世界上众多可再生能源之一，被认为是最有能力替代过渡性石化能源的。有几种基于不同材料系统的太阳能电池，例如硅 [1,2,3]、钙钛矿 [4, 5] 或 III-V 族化合物 [6, 7]。其中，硅基太阳能电池因其低成本、高稳定性和高达26%的优异效率而被普遍采用[8,9,10]。钝化发射极背接触 (PERC) 器件被认为是替代背表面场 (BSF) 太阳能电池的潜在器件之一 [11, 12]。 1983年，Martin Green教授首先在新南威尔士大学（UNSW）提出了PERC电池，其概念是将发射极和背面钝化层结合起来，以减少界面缺陷，提高电池效率。虽然PERC发射极和背面钝化层可以钝化界面缺陷，但发射极或抗反射涂层（ARC）层的薄膜质量会影响界面[13,14,15]。

根据之前的工作，除了提高薄膜质量以减少界面陷阱之外，后退火处理是另一种减少缺陷的方法 [16,17,18]。形成气体在 400°C 下在氮气 (95%) 和氢气 (5%) 中退火的后处理用于减少与氢气的界面陷阱并提高电池效率。不幸的是，这种处理需要在大约 400 °C 下进行反应，这对于太阳能电池来说太高了，例如在 200 °C 以下制造的具有本征薄层 (HIT) 的异质结。

在这项工作中，我们提出了一种合适的高密度氢 (HDH) 处理，以减少发射极钝化层和 n 型 Si 层之间的界面陷阱，而无需改变器件制造的任何附加元素。与之前的研究类似，HDH 处理用于使用氢离子钝化缺陷。根据傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 测量二次离子质谱 (SIMS)，实验结果表明 HDH 处理后 Si-H 键增强。此外，还提取了电导、短路电流密度 (Jsc)、串联电阻 (Rs) 和填充因子 (F.F.) 等电气测量值，以确认状态密度 (Dit) 的降低和电池效率的提高。最后，我们还提出了一个模型来进一步说明HDH处理对PERC太阳能电池的影响。

实验方法

PERC 太阳能电池制造

PERC 制造工艺如下图所示。 p型直拉硅用作基板，厚度约为150 μm。 KOH 溶液用于蚀刻 Si 衬底表面并形成表面的金字塔纹理形态。为了形成p-n结，使用POCl3扩散到Si衬底表面并形成n型层。然后，通过化学气相沉积 (CVD) 沉积发射极 SiN 钝化层作为抗反射涂层 (ARC)。 ARC层沉积后，使用HF溶液去除背面n型层。然后，通过原子层沉积 (ALD) 沉积厚度为 25 nm 的 Al2O3 层作为背面钝化层。然后通过 CVD 沉积 95 纳米厚的 SiN 层。背面钝化工艺完成后，采用激光烧蚀切割凹槽，为ARC层上使用的银（Ag）顶电极的丝网印刷工艺做准备，而底电极则使用铝（Al）。最后，器件在烧制过程中被加热，以确保金属和半导体之间的适当接触。 PERC器件的结构如图1所示。

PERC制造工艺流程及钝化发射极背接触（PERC）电池结构

HDH 处理

然后将 HDH 处理应用于 PERC 设备。 HDH的处理过程如图2所示。氢气作为处理源，被泵入装有PERC装置的反应室。然后，将气体压缩至 70 atm，并将反应温度设置为 200°C，保持 1 h。然后抽出气体完成HDH处理。

高密度氢气（HDH）处理工艺流程

材料表征

Bruker VERTEX 70v FTIR用于分析处理前后的Si-H键合，ION-TOF，TOF-SIMS V用于分析SiN/Si界面的氢比。

电气特性

I-V 和 G-V 特性是使用 Agilent B1500 半导体分析仪和 Cascade M150 探针台在暗箱中针对明暗条件进行测量的。在 1 kW M ⁻² 的模拟光源下提取效率参数（Jsc、Rs 和填充因子） 25 °C 时的全球 AM1.5 光谱。 QEX10太阳能电池外量子效率（EQE）用于分析300~1200 nm的效率。

结果与讨论

使用 FTIR 分析检查经过和未经 HDH 处理的发射极 SiN 钝化层。如图 3 所示，经过 HDH 处理和经过 HDH 处理的 SiN 均表现出 3350 cm ^-1 N-H 拉伸键和 2165 cm ^-1 Si-H 拉伸键 [19,20,21]。然而，处理后N-H和Si-H键的吸收峰强度比均增强，这意味着氢被注入到SiN层中。

用FTIR光谱测量发射极SiN钝化层薄膜

为了确认 HDH 处理减少了 SiN/Si 界面陷阱，使用二次离子质谱 (SIMS) 来确认氢分布 [22, 23]。在图 4 中，因为 SiN 层是使用 CVD 沉积的，所以该 SiN 层中的氢强度高于 Si。处理后，虽然整体氢强度没有明显增加，但在SiN和Si界面处强度明显增强，表明HDH处理在SiN/Si界面发生反应。

SIMS测量的发射极SiN钝化层薄膜

为了进一步确认图 5 中 HDH 处理后发射极 SiN 层和 p-Si 衬底之间的 Dit 差异，制造了 Al/SiN/p-Si/Al 金属-绝缘体-半导体 (MIS) 结构。由于 SiN 和 p-Si 界面存在大量缺陷，G-V 结果可用于提取界面陷阱密度 (Dit) [24]。电导方程为：

基于界面陷阱的电导-电压特性分析Al/SiN/p-Si/Al器件

其中 ω 是角频率，τ 是载流子寿命，Gp 是频率相关的电导。为了简化方程。 1、Dit与电导有关，处理后电导峰降低，说明HDH处理可以减少PERC界面陷阱。

接下来，在明暗条件下对 PERC 电池设备进行电气测量。器件偏置施加到铝底部电极，而顶部电极接地。电压的扫描范围为−1 至 0.75 V。图 6 显示了黑暗条件下的 I-V 特性。 HDH处理后漏电流显着降低，降低比例约为0.5个数量级。此外，在 I-V 特性的右侧，发现导通电流的驼峰在处理后减小。我们还提取了 I-V 曲线并按照二极管电流方程将其转换为理想因子：

含漏电流和理想因子的暗条件下I-V特性分析

其中我 s 是饱和电流，q 是电子电荷，V 是施加的电压，n 是理想因子，k 是玻尔兹曼常数，T 是绝对温度。等式2可以进一步简化为\( I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \);当 n 值接近1，导通电流接近扩散电流。当 n 值接近 2，这意味着导通电流接近组合电流 [25]。处理后，导通电流的斜率从1.5降低到1.42，这意味着由于缺陷数量的减少，导通电流接近处理后的扩散电流。

为了进一步检查电气特性，在 1 kW M ⁻² 的模拟光源下提取了效率参数（Jsc、Rs 和填充因子） 25 °C 时的全球 AM1.5 光谱。 HDH 处理后，平均效率从 17.3% 提高到 18.2%，如图 7a 所示。 Jsc 也从 37.6 增加到 38.2 mA，如图 7b 所示。此外，治疗后 Rs 从 0.712 降低到 0.487，如图 7c 所示。至于填充因子，它从70.5增加到73.3，如图7d所示。

a 的 PERC I-V 特性 效率，b 短路电流密度（Jsc），c 串联电阻 (Rs) 和 d 填充因子 (F.F.)

为了确认不同波长范围内的转换效率，使用外量子效率（EQE）对300~1200 nm的波长进行分析[26, 27]。如图 8 所示，HDH 处理前的量子效率在 400 和 600 纳米之间的平均 EQE 为 94%。但是，经过HDH处理后，我们可以获得更高的EQE结果。结果表明，在400~600 nm之间增加到97%，这是由于发射极SiN/Si界面陷阱的抑制所致。

外量子效率 (EQE) 测量范围为 300 至 1200 nm

最后，我们提出了一个模型来解释 HDH 对 PERC 器件的影响。 Ag/SiN/n 型 Si 结构的 PERC 发射极及其与 SiN/Si 界面陷阱结构的关系如图 9 所示。 当 pn 结中产生电子-空穴对时，受光诱导，电子移动到 Ag 顶部电极。如果在 SiN/Si 界面存在界面陷阱，它们将有助于电子与空穴复合。为了减少界面陷阱，PERC 器件采用 HDH 处理，使用高压气体将氢气注入器件并与界面反应。处理后，SiN/Si 界面处的悬空键和界面陷阱的氢键减少。因此，复合减少，从而减少漏电流并提高Jsc和电池效率。

Ag/SiN/n型Si结构和SiN/Si界面陷阱结构的PERC发射极初、后处理

结论

在这项研究中，成功​​地提出了 HDH 处理以减少界面陷阱并提高器件效率。 FTIR 光谱表明，处理后 Si-H 键增强，电导电压峰值降低。因此，界面陷阱数量的减少导致漏电流减少，理想因子值也降低。此外，处理后效率提高，Jsc、Rs和填充因子增加。最后，EQE 结果表明短波长增强，这是发射极界面陷阱减少的证据。

数据和材料的可用性

所有数据均可通过合理要求从作者处获得。

缩写

HDH：

高密度氢处理

PERC：

钝化发射极后接触电池

FTIR：

傅里叶变换红外光谱

SIMS：

二次离子质谱

Dit：

界面陷阱密度

Jsc：

电路电流密度

卢比：

串联电阻

F.F.：

填充因子

EQE：

外量子效率

BSF：

背面场

新南威尔士大学：

新南威尔士大学

ARC：

抗反射涂层

CVD：

化学气相沉积

ALD：

原子层沉积

管理信息系统：

金属-绝缘体-半导体结构