本征氫化非晶硅薄膜厚度對其鈍化性能和HIT太陽電池電性能的影響

杜敬良，張會學，姜利凱，勾憲芳，劉海濤，王麗婷

摘 要：以異質結（HIT）太陽電池的本征氫化非晶硅薄膜為研究對象，該HIT太陽電池采用n型硅片作為晶硅襯底，其n型電子傳輸層（下文簡稱為“n面”）為入光側，p型空穴傳輸層（下文簡稱為“p面”）為背光側。首先研究了n面和p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度對膜層鈍化性能和光透過率的影響，然后進一步研究了n面和p面本征氫化非晶硅薄膜不同厚度匹配設計對HIT太陽電池電性能的影響，并選出了最優厚度匹配方案。研究結果表明：1） n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度越薄，n面非晶硅膜層的光透過率越高，但鈍化效果會變差；當厚度達到5 nm時，硅片的少子壽命趨于穩定。2）在n面本征氫化非晶硅薄膜厚度一定的情況下，隨著p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度變厚，硅片的少子壽命先快速增加，當厚度達到9 nm時，硅片的少子壽命趨于穩定；當厚度大于9 nm時，制備的HIT太陽電池的短路電流和填充因子均下降，表明其串聯電阻增大，導致光電轉換效率降低。3）當n面和p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度分別為5、9 nm時，n面的鈍化效果和光透過率匹配較好，p面的鈍化效果和電阻率匹配最優，即為最優厚度匹配方案；此方案制備得到的HIT太陽電池的光電轉換效率達到最高，為24.59%。

關鍵詞：異質結太陽電池；板式PECVD設備；本征氫化非晶硅薄膜；鈍化；少子壽命；光透過率；電性能

中圖分類號：TM914.4+1 文獻標志碼：A

0? 引言

晶體硅異質結（HIT）太陽電池因具有高光電轉換效率、低溫度系數、無光致衰減及電致衰減、制備工藝簡單、制程溫度低等諸多優勢，引起了中國光伏行業人員的極大興趣。但由于HIT太陽電池的核心技術專利歸屬于日本三洋公司，且該公司一直對核心技術嚴密封鎖，導致國內此類太陽電池技術的研究進展緩慢。2015年，三洋公司的HIT技術專利保護結束，技術壁壘消除，帶來了大力發展和推廣HIT技術的大好時機，國內掀起了研究和發展HIT技術的熱潮。

HIT太陽電池的核心技術是通過在硅片表面沉積1層高質量的本征氫化非晶硅薄膜，與硅片表面的懸掛鍵和缺陷結合，使形成的異質結界面懸掛鍵少、缺陷態密度低，從而獲得良好的鈍化效果[1]。但相比于摻雜非晶硅薄膜，本征氫化非晶硅薄膜的電導率較低，若該層薄膜較厚，會導致HIT太陽電池的光電轉換效率下降[2]。截至2017年，HIT太陽電池的實驗室最高光電轉換效率為26.7%[3]。

國內學者對本征非晶硅薄膜的研究較多。張王飛等[4]采用AFORS-HET模擬軟件對雙面HIT太陽電池的發射層、本征層、背場進行了數值模擬與優化，理論計算結果表明：優化后，雙面HIT太陽電池的光電轉換效率高達29.17%。陳仁芳等[5]研究了氫注入對硅HIT太陽電池的本征非晶硅薄膜的影響，研究結果表明：適當的氫注入可以提高本征非晶硅薄膜的氫含量，降低微結構因子，從而顯著提高異質結界面的鈍化質量。趙會娟等[6]研究了硼摻雜層厚度和硼摻雜比對HIT太陽電池開路電壓的影響，研究結果表明：HIT太陽電池的開路電壓隨著本征非晶硅層和硼摻雜層總厚度的增加而迅速增加，當厚度為25 nm時，HIT太陽電池的開路電壓趨于飽和。但以上大部分研究使用的均是實驗設備，關于優化量產HIT太陽電池的本征非晶硅薄膜的厚度，從而提高膜層鈍化性能和HIT太陽電池電性能方面的研究較少。

基于此，本文以HIT太陽電池量產生產線為基礎，分別從HIT太陽電池結構的入光側和背光側的角度，研究本征氫化非晶硅薄膜的厚度對膜層鈍化性能和光透過率的影響；并結合鈍化性能和光透過率對本征氫化非晶硅薄膜的厚度進行匹配設計，研究出一組最優厚度匹配方案，以制備出膜層鈍化性能較好、光有效吸收率較高、光電轉換效率較高的HIT太陽電池。

1? 實驗

1.1? 實驗材料

實驗選用同一批次的金剛線切割的n型單晶硅片，尺寸為166 mm×166 mm，厚度為150～155 μm，電阻率為2.5～3.5 Ω·cm，少子壽命為8000～10000 μs；采用普通載玻片作為基體來測試沉積的膜層厚度，以表征硅片上沉積的膜層厚度。

本文制備的HIT太陽電池以n型電子傳輸層（下文簡稱為“n面”）為入光側，p型空穴傳輸層（下文簡稱為“p面”）為背光側。這是因為n面的摻雜層是磷摻雜非晶硅薄膜，制備磷摻雜非晶硅薄膜不會破壞本征氫化非晶硅薄膜的鈍化性能[7]，因此在滿足鈍化性能的前提下，n面的本征氫化非晶硅薄膜可以薄一些；而p面的摻雜層是硼摻雜非晶硅薄膜，沉積硼摻雜非晶硅薄膜時硼會向本征氫化非晶硅薄膜擴散，導致本征氫化非晶硅薄膜的鈍化性能下降[8]，因此在滿足鈍化性能的前提下，p面的本征氫化非晶硅薄膜需要厚一些。在此結構下，把n面作為入光側一面，因為n面非晶硅膜層相對于p面非晶硅膜層厚度較薄，光透過其進入晶硅層（即晶硅襯底）的比例高，這樣制備得到的HIT太陽電池的光有效吸收率高、光電轉換效率高。

本文制備HIT太陽電池的具體工藝流程為：

1）使用堿式制絨機去除硅片表面損傷層和有機物等雜質，制備減反射結構。

2） 使用板式等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）設備，依次制備n面非晶硅膜層和p面非晶硅膜層，這兩種膜層的具體結構分別為：

①n面非晶硅膜層的結構為：第1層，使用硅烷（SiH4）沉積本征非晶硅薄膜（下文簡稱為“n面i1薄膜”）；第2層，使用硅烷和氫氣沉積本征氫化非晶硅薄膜（下文簡稱為“n面i2薄膜”）；第3層，使用硅烷、氫氣和2%磷烷/氫氣混合氣體沉積磷摻雜非晶硅薄膜（下文簡稱為“n面磷摻雜薄膜”）。因此，n面非晶硅膜層的厚度為n面i1薄膜厚度、n面i2薄膜厚度和n面磷摻雜薄膜厚度的總厚度。

②p面非晶硅膜層的結構為：第1層，使用硅烷沉積本征非晶硅薄膜（下文簡稱為“p面i1薄膜”）；第2層，使用硅烷和氫氣沉積本征氫化非晶硅薄膜（下文簡稱為“p面i2薄膜”）；第3層，使用硅烷、氫氣和2%硼烷/氫氣混合氣體沉積硼摻雜（低摻硼）非晶硅薄膜（下文簡稱為“p面p1硼摻雜薄膜”）；第4層，使用硅烷、氫氣和2%硼烷/氫氣混合氣體沉積硼摻雜（高摻硼）非晶硅薄膜（下文簡稱為“p面p2硼摻雜薄膜”）。因此，p面非晶硅膜層的厚度為p面i1薄膜厚度、p面i2薄膜厚度、p面p1硼摻雜薄膜厚度和p面p2硼摻雜薄膜厚度的總厚度。

3）使用物理氣相沉積（PVD）法制備n面和p面的銦錫氧化物（ITO）薄膜。

4）進行絲網印刷、低溫固化、光注入退火步驟。

本文制備的n面為入光側的HIT太陽電池的結構示意圖如圖1所示。

1.2? 實驗設計

本文在n面i1薄膜厚度、n面磷摻雜薄膜的厚度和磷摻雜系數、p面i1薄膜厚度、p面p1硼摻雜薄膜的厚度和硼摻雜系數、p面p2硼摻雜薄膜的厚度和硼摻雜系數均保持不變的前提下，通過改變n面和p面的本征氫化非晶硅薄膜的沉積時間，制備出不同厚度的本征氫化非晶硅薄膜，并分析不同厚度對膜層鈍化性能和HIT太陽電池電性能的影響。其中：n面i1薄膜的厚度為4 nm左右；n面磷摻雜薄膜的厚度為4 nm左右，磷摻雜系數為4%；p面i1薄膜的厚度為4 nm左右；p面p1硼摻雜薄膜的厚度為2 nm左右，硼摻雜系數為1%；p面p2硼摻雜薄膜的厚度為7 nm左右，硼摻雜系數為4%。

計算本征氫化非晶硅薄膜的沉積速率。以普通載玻片作為基體沉積本征氫化非晶硅薄膜，設置沉積時間t為200 s，沉積溫度為200 ℃，射頻電源功率為330 W，極板間距為21 mm，工藝腔壓力為190 Pa，硅烷流量為0.35 L/min，氫氣流量為7.5 L/min；沉積結束后，使用美國J.A.Woollam公司生產的型號為M-2000的光譜分析橢偏儀測試普通載玻片上沉積的本征氫化非晶硅薄膜的厚度d；然后計算該薄膜的沉積速率V，計算式為：

（1）

膜厚的測試結果為12.5 nm，則通過式（1）可計算得出在上述沉積條件下本征氫化非晶硅薄膜的沉積速率為0.0625 nm/s。

1.2.1? n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度實驗

本實驗以制絨后的硅片和普通載玻片為基體，通過改變n面沉積本征氫化非晶硅薄膜的時間（沉積時間分別設置為32、48、64、80、96 s），制備出厚度x分別為2、3、4、5、6 nm的5組n面本征氫化非晶硅薄膜。HIT太陽電池結構中其余的n面i1薄膜、n面磷摻雜薄膜、p面i1薄膜、p面i2薄膜、p面p1硼摻雜薄膜、p面p2硼摻雜薄膜均保持不變，其中，為確保p面的鈍化效果，p面i2薄膜的厚度設為12 nm。具體實驗方案如表1中第1組所示。本實驗中普通載玻片上只沉積n面i1薄膜、n面i2薄膜、n面磷摻雜薄膜。

實驗結束后，測試普通載玻片上n面非晶硅膜層整體的厚度和光透過率，以及硅片的少子壽命。

1.2.2? p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度實驗

本實驗以制絨后的硅片和普通載玻片為基體，通過改變p面沉積本征氫化非晶硅薄膜的時間（沉積時間分別設置為112、128、144、160、176 s），制備出厚度y分別為7、8、9、10、11 nm的5組p面本征氫化非晶硅薄膜。HIT太陽電池結構中其余的n面i1薄膜、n面i2薄膜、n面磷摻雜薄膜、p面i1薄膜、p面p1硼摻雜薄膜及p面p2硼摻雜薄膜均保持不變，其中，為確保n面的鈍化效果，n面i2薄膜的厚度設為7 nm。具體實驗方案如表1中第2組所示。本實驗中普通載玻片上只沉積p面i1薄膜、p面i2薄膜。

實驗結束后，測試普通載玻片上p面本征鈍化層（包括p面i1薄膜和p面i2薄膜）整體的厚度和光透過率，以及沉積整個p面非晶硅膜層后硅片的少子壽命。

1.2.3? n面和p面的本征氫化非晶硅薄膜的厚度匹配實驗

選擇前一個實驗中硅片少子壽命較高的方案進行n面和p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度匹配實驗，通過改變n面沉積本征氫化非晶硅薄膜的時間（沉積時間分別設置為64、80、96 s），對應得到n面的本征氫化非晶硅薄膜厚度分別為4、5、6 nm；通過改變p面沉積本征氫化非晶硅薄膜的時間（沉積時間分別設置為144、160、176 s），對應得到p面的本征氫化非晶硅薄膜厚度分別為9、10、11 nm。將n面的3種膜厚方案和p面的3種膜厚方案進行正交實驗，共得到9種厚度匹配方案，具體如表2所示。

根據表2的厚度匹配方案分別制作9組HIT太陽電池，電池結構中的n面i1薄膜、n面磷摻雜薄膜、p面i1薄膜、p面p1硼摻雜薄膜、p面p2硼摻雜薄膜均保持不變。對這9組HIT太陽電池進行電性能數據測試。

1.3? 表征

采用M-2000光譜分析橢偏儀測試非晶硅薄膜厚度；使用日本日立（HITACHI）公司生產的型號為UH4150的紫外/可見光/近紅外分光光度計測試光透過率數據；采用美國Sinton Instruments公司生產的型號為WCT-120的少子壽命測試儀檢測硅片的少子壽命；利用Halm電學性能測試儀測試HIT太陽電池的電性能數據，

包括光電轉換效率Eta、填充因子FF、開路電壓Voc、短路電流Isc、串聯電阻Rs和并聯電阻Rsh等。

2? 實驗結果與分析

2.1? n面本征氫化非晶硅薄膜厚度對膜層鈍化性能和光透過率的影響

n面非晶硅膜層的光透過率隨n面本征氫化非晶硅薄膜厚度變化的曲線如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著n面本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加，n面非晶硅膜層的光透過率逐漸降低，這是因為非晶硅的帶隙寬度在1.7 eV左右，光子能量大于1.7 eV的紫外光和可見光可能會被非晶硅膜層吸收，因此非晶硅膜層越厚，被吸收的光越多，透過非晶硅膜層的光子數量就會越少[9]。

硅片的少子壽命是表征鈍化性能的重要參數，硅片的少子壽命隨n面本征氫化非晶硅薄膜厚度變化的曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著n面本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加，硅片的少子壽命逐漸增加；當n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度達到5 nm時，硅片的少子壽命達到3684 μs，且趨于穩定。這是因為本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加使界面鈍化更加充分[10]，且在后續的退火過程中可以提供更多的氫，擴散到n面i1薄膜中，有效鈍化了非晶硅中的懸掛鍵和單晶硅表面的懸掛鍵，改善了非晶硅/硅片的界面質量[11]。

2.2? p面本征氫化非晶硅薄膜厚度對膜層鈍化性能和光透過率的影響

p面本征鈍化層的光透過率隨p面本征氫化非晶硅薄膜厚度變化的曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著p面本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加，p面本征鈍化層的光透過率逐漸下降。這是因為隨著p面本征鈍化層變厚，被其吸收的光就越多，透過p面本征鈍化層的光子數量就會越少[9]。

硅片的少子壽命隨p面本征氫化非晶硅薄膜厚度變化的曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：隨著p面本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加，硅片的少子壽命先快速增加然后趨于穩定。這是因為當p面本征鈍化層較薄時，隨著p面本征氫化非晶硅薄膜厚度的增加，鈍化效果快速增強；但當薄膜厚度達到一定程度后，鈍化效果趨于飽和[10-11]。

2.3? n面和p面本征氫化非晶硅薄膜不同厚度匹配方案制備的HIT太陽電池電性能的對比

根據表2中n面和p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度匹配方案分別制作了9組HIT太陽電池（下文簡稱為“方案1太陽電池”～“方案9太陽電池”），并對這9組HIT太陽電池進行電性能測試，測試結果如圖6所示。

從圖6可以看出：

1）短路電流的大小是HIT太陽電池的有效光吸收率的直觀體現。從圖6a可以看出：方案1太陽電池的短路電流最高，達到10.5786 A；方案9太陽電池的短路電流最低，為10.5080 A。分析原因在于當n面的本征氫化非晶硅薄膜的厚度較薄時，非晶硅膜層的光透過率高，HIT太陽電池的有效光吸收率高，其短路電流就高[9]。但短路電流還受到p面本征氫化非晶硅薄膜厚度的影響，由于本征氫化非晶硅薄膜的電阻率較高，在n面本征氫化非晶硅薄膜厚度相同的方案中，當p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度為9 nm時，HIT太陽電池的短路電流均較高，但當p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度大于9 nm時，載流子的輸運難度增加，導致HIT太陽電池的串聯電阻增大，短路電流降低[10]。

2）開路電壓的大小受HIT太陽電池形成的內建電場強度和復合速率的影響，在p面硼摻雜薄膜、n面磷摻雜薄膜的摻雜濃度和厚度不變的情況下，HIT太陽電池開路電壓的大小取決于本征鈍化層（即指本征非晶硅薄膜和本征氫化非晶硅薄膜）的鈍化效果。在一定厚度范圍內，n面作為電子傳輸層，n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度越厚，鈍化效果越好；p面作為空穴傳輸層，p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度越厚，鈍化效果越好[10-11]。從圖6b可以看出：n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度低于5 nm時，方案1～方案3太陽電池的開路電壓均較低，表明n面本征鈍化層沒有對硅片表面全覆蓋，仍存在較大的缺陷復合；只有n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度大于等于5 nm才能達到晶硅襯底表面全覆蓋，鈍化效果基本達到飽和。另外，p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度達到9 nm時已基本達到鈍化要求，增加其厚度可進一步提高鈍化效果，但提高的幅度不大。

3）填充因子的大小受HIT太陽電池材料的接觸性能的影響較大，異質結界面處的復合對其也會產生一定影響。填充因子受p面本征鈍化層厚度的影響極大，無論n面本征鈍化層的厚度是薄還是厚，p面本征鈍化層厚度的增加都會導致HIT太陽電池填充因子急劇下降，這是由于p面本征鈍化層的電阻率較高，其厚度增加會導致HIT太陽電池串聯電阻增大[10]，因此p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度不能高于9 nm。對比方案1、方案4和方案7可以看出：當n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度為4 nm時，硅片表面鈍化不足，仍然存在較高的缺陷復合，導致方案1太陽電池的填充因子低；而隨著n面本征氫化非晶硅薄膜厚度逐漸增加，當其厚度為6 nm時，載流子的輸運難度大，導致方案7太陽電池的串聯電阻增大，與方案4相比，其填充因子也隨之降低[10-11]；因此n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度選擇5 nm最合適，此時得到的HIT太陽電池填充因子最大。

4）光電轉換效率的大小受HIT太陽電池的短路電流、開路電壓、填充因子的綜合影響。從圖6d可以看出：方案4太陽電池的光電轉換效率最高，達到24.59%。這是因為n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度為5 nm時的鈍化效果較好，且非晶硅膜層的光透過率處于中間水平，保證了HIT太陽電池的短路電流較高；p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度為9 nm時的鈍化效果較好，缺陷復合較低，且電阻率最低，載流子的輸運難度最低[10]，因此HIT太陽電池的光電轉換效率最高。

3? 結論

本文研究了不同厚度的n面和p面本征氫化非晶硅薄膜對光透過率和鈍化性能的影響，并進一步研究了n面和p面本征氫化非晶硅薄膜不同厚度匹配設計對HIT太陽電池電性能的影響，選出了最優厚度匹配方案，得到以下結論：

1） n面本征氫化非晶硅薄膜的厚度越薄，光透過率越高，但鈍化效果會變差；當厚度達到5 nm時，硅片的少子壽命趨于穩定。

2）在n面本征氫化非晶硅薄膜厚度一定的情況下，隨著p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度變厚，硅片的少子壽命先快速增加，當厚度達到9 nm時，硅片的少子壽命趨于穩定；當厚度大于9 nm時，制備的HIT太陽電池的短路電流和填充因子均下降，表明其串聯電阻增大，導致光電轉換效率降低。

3）當n面和p面本征氫化非晶硅薄膜的厚度分別為5、9 nm時，n面的鈍化效果和光透過率匹配較好，p面的鈍化性能和電阻率匹配最優，因此該厚度匹配方案為最優厚度匹配方案。最優厚度匹配方案制備得到的HIT太陽電池的短路電流為10.5667 A，開路電壓為0.7512 V，填充因子為84.92%，光電轉換效率為24.59%，達到最高值。

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EFFECT OF INTRINSIC HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON FILM THICKNESS ON ITS PASSIVATION PERFORMANCE AND ELECTRICAL PERFORMANCE OF HIT SOLAR CELLS

Du Jingliang1，Zhang Huixue2，Jiang Likai2，Gou Xianfang2，Liu Haitao1，Wang Liting1

（1. CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd.，Zhenjiang 212132，China；2. CECEP Solar Energy Co.，Ltd.，Beijing 100082，China）

Abstract：This paper focuses on the intrinsic hydrogenated amorphous silicon film of HIT solar cells. The HIT solar cells used n-type silicon wafers as crystalline silicon substrates，with the n-type electron transport layer （hereinafter referred to as"n-plane"） as the sunlight input side and the p-type hole transport layer （hereinafter referred to as"p-plane"） as the backlight side. This paper first studied the influence of the thickness of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon films on the passivation performance and transmittance of the film layer. Then，further research is conducted on the influence of different thickness matching designs of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon films on the electrical performance of HIT solar cells，and the optimal thickness matching scheme is selected. The research results show that：1） The thinner the thickness of n-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film，the higher the transmittance of n-plane amorphous silicon film layer，but the passivation effect will deteriorate；When the thickness reaches 5 nm，the minority carrier lifetime of the silicon wafer tends to stabilize. 2） When the thickness of n-plane instrinsic hydrogenated amorphous silicon film is constant，as the thickness of the p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film thickens，the minority carrier lifetime of the silicon wafer first increases rapidly. When the thickness reaches 9 nm，the minority carrier lifetime of the silicon wafer tends to stabilize.? when the thickness is greater than 9 nm，the short-circuit current and filling factor of prepared HIT solar cells decrease，indicating an increase in series resistance，leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency. 3） When the thickness of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film is 5 nm and 9 nm，respectively，the passivation effect and transmittance of n-plane match well，and the passivation performance and resistivity of p-plane match best，which is the optimal thickness matching scheme. The HIT solar cell prepared by this scheme has the highest photoelectric conversion efficiency，which is 24.59%.

Keywords：HIT solar cells；plate PECVD equipment；intrinsic hydrogenated amorphous silicon film；passivation；minority carrier lifetime；transmittance；electrical performance