摻雜層對非晶硅異質結太陽電池特性影響的研究

黃冬松，曾 祥，李亞芬

（1.國家電投集團能源科技工程有限公司，上海200233；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌330096；3.國網江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌330029）

0 引言

隨著全球能源短缺問題日益凸顯，太陽能光伏產業得到了迅猛發展，太陽能電池的種類也衍生出很多分支。其中，非晶硅/單晶硅異質結太陽電池由于其工藝溫度低、溫度系數小、轉換效率較高等優點而受到廣泛關注。從1990年起，三洋公司（現已被松下收購）便一直通過所謂的HIT太陽電池結構體現著這種技術潛在的優勢，并于1997年實現HIT太陽電池的產業化。對于高效率異質結太陽電池，晶體硅的表面鈍化是非常重要的參數。通過減少電池的厚度而降低太陽電池成本勢必會使電池表面積與體積比值的增加，因此，為了有效地鈍化PN結，需要在晶體硅基片的正反兩面都使用較高質量的氫化非晶硅層，目的在于降低摻雜非晶硅層中高缺陷態密度對異質界面的影響[1-2]。但實驗中常發現，即使沉積的薄膜具備良好的光電特性，所制備出的器件也不一定有高的轉換效率。本工作為深入了解異質結電池工作機理，依次對p型及n型非晶硅沉積層進行摻雜分析，并分別采用p型及n型非晶硅層制作成異質結太陽電池，研究

1 實驗細節

非晶硅層通過等離子體增強化學氣相法沉積。n型和p型氫化非晶硅層分別在甲硅烷/氫氣/磷化氫和甲硅烷/氫氣/乙硼烷混合氣氛中進行沉積，沉積溫度為200℃。

異質結太陽電池在高質量的n型單晶硅圓片上制作。晶片清洗后，浸在氫氟酸溶液中去除表面的原生氧化層并鈍化表面的懸掛鍵。為了增加鈍化，在沉積p型摻雜層之前先使用一層薄的緩沖層。最后，前側用ITO薄膜和絲網印刷的柵格覆蓋，背側用ZnO:B/Al覆蓋。采用準穩態光電導法測試鈍化質量。薄膜的厚度和顯微結構通過光譜橢偏儀來估測。

2 結果分析

在等離子體增強化學氣相沉積其他工藝條件恒定的條件下，p型氫鈍化非晶硅層上摻雜濃度設置在0～7400ppm范圍內變化作為對照組進行對比。工藝中沉積溫度為200℃襯底厚度12nm。鈍化性能是在含緩沖層及p型沉積層上得出，其他的特性直接在單獨的p型層上測試。

從圖1中可清晰地看到，在一個太陽強度下，p型層開路電壓和有效壽命均會隨著混合氣體中硼含量的的增加而減少，并在有效摻入硼濃度為2000ppm左右達到穩定。正如預期的那樣，高摻雜的樣品使其內部缺陷密度增加，從而導致鈍化性能的劣化，隨著乙硼烷B2H6濃度的進一步增加而達到某一閾值，鈍化性能保持穩定。由于這個原因，無論實驗反應器中引入了多少數量的乙硼烷，在更高的摻雜條件下得到的鈍化效果是基本相同的。此外，隨著樣品中硼濃度的增加，有效吸收變得更高。這可通過橢偏儀估算出的沉積層禁帶寬度來解釋，隨著硼濃度的增加，沉積層禁帶寬度呈現逐漸減小的趨勢，更小的禁帶寬度可使更低能量的光波被吸收，從而提高了有效吸收率。

圖1 （左）不同樣品通過準穩態光電導法測量的載流子壽命和開路電壓來表示鈍化情況；（右）有效吸收率和橢偏儀的測量結果

關于n型層，就主要的等離子體增強化學氣相沉積工藝參數進行了研究，1）摻雜氣體壓力在0.5～1.5Torr；2）電極間距離；3）在氣體混合物中摻雜的磷化氫PH3濃度0～830ppm。對于所有的沉積，每一片層都確保厚度為10nm。測量結果表明，在低壓范圍，無論摻雜濃度為多少，沉積的層均得到外延結構。然而，隨著壓力的增加，尤其是當磷化氫流速增加時觀察到這些層中的結晶比例減少。當高于0.8Torr時，觀察不到晶體比例成分，此時所得沉積層基本為非晶層。圖2（左）體現了沉積層的鈍化質量隨著摻雜濃度的變化趨勢。此外，即使在整個工藝過程中摻雜濃度相同，開路電壓還會受摻雜氣壓和電極間距離的影響。當增大氣壓和電極間距離時，開路電壓最大值對應的磷化氫濃度逐漸降低。這可以解釋為摻雜氣體更好地摻入到薄膜中，而更低濃度的摻雜意味著更低的缺陷密度，因而獲得了更好的鈍化層，達到更好的鈍化效果。但另一方面，為了保持n型層的特性，需要必要濃度的摻雜使得足夠多的場效應發生，而在1.5Torr和35mm電極距離的參數下，輕摻雜條件（開路電壓最大時）似乎可使場效應和缺陷態密度兩者達到矛盾的平衡。

圖2 （左）不同的氣壓和電極間距條件下，開路電壓與磷化氫濃度的關系；（右）4個工藝參數下開路電壓最大值對應的磷化氫濃度

使用不同的非晶硅層來制作異質結太陽電池，從而評估出p型層或者n型層的優缺點。電池特性測量結果歸納在圖3中，其中最重要的參數為填充因子。如圖3（左）所示，在p型層太陽電池中，當乙硼烷濃度增加時，隨著在異質結太陽電池p型層中硼濃度的變化，器件的最大效率發生在乙硼烷的濃度為2000ppm左右。在那個點處，缺陷態密度與摻雜濃度之間得到了一個平衡。這也正應證了前文所得出的結論：當有效摻入硼濃度達到2000ppm左右時，鈍化性能保持穩定，更高的摻雜濃度達到的鈍化效果也是基本相同的，反而會因為更高的摻雜濃度而引入過多的缺陷。因此，當硼含量足夠高到可以產生一個足夠的場效應來推動導電載流子的運輸，并且足夠低到可以避免產生過多缺陷時，電池的填充因子和轉換效率數值最高。

圖3 異質結太陽電池采用（左）p型氫化非晶層摻雜及（右）n型氫化非晶層摻雜對應的填充因子及轉換效率

如圖3（右）所示，在n型層太陽電池中，摻雜所需的磷化氫的濃度遠低于p型層中乙硼烷濃度。雖然整體看來，n型層的填充因子及轉化效率均低于p型層，但卻更適合做背表面場。這是因為在異質結太陽電池的背面，為了更有效率地收集少數載流子，一般都會做了一個背表面場。從圖3可以清晰地看到，摻雜氣體磷化氫比乙硼烷能夠更有效地摻入薄膜中。因此，為了創造一個足夠高的電場在背面有效地收集少數載流子，所需的摻雜量就可以比在p型背表面場情況下小得多。此外，如圖3（右）所示，在高摻雜濃度下雖然引入了更多的缺陷態密度，鈍化效果比在低壓摻雜流所獲得的要差，但在整個器件性能表現中沒有產生較大不利影響。因此，可引入該摻雜水平來形成足夠強場效應的背面場，進而阻擋載流子移動到電池背面去。

3 結語

通過控制p型和n型摻雜層的幾個變量可以得出：隨著沉積氣壓的增大，摻雜量遞增，層的鈍化質量越差。這是由于在非晶材料中遞增的缺陷態密度造成的。此外，n型非晶硅的摻雜濃度低于p型，表明摻雜氣體磷化氫比乙硼烷可更好地摻入到薄膜中。通過研究由p型及n型非晶硅層制作成的異質結太陽電池，可以推斷出：當摻雜量足夠高到可以產生足夠的場效應來推動載流子運輸，并且足夠低到可以避免產生過多缺陷時，電池性能最佳。此外，研究還發現：n型層異質結太陽電池的性能普遍差于p型層，但卻能夠在更低的摻雜濃度下產生足夠的場效應，因此，n型非晶硅層更適合做電池背表面場，而p型非晶硅層更適合做電池正面。本工作有助于理解非晶硅/單晶硅異質結太陽電池所包含的主要機理。