高溫沉積多晶硅薄膜光伏電池研究進展

路 爽，張一凡

（新特硅基新材料有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

自從20世紀(jì)60年代以來，太陽能電池產(chǎn)業(yè)界一直致力于多晶硅太陽能薄膜的研究和開發(fā)工作。多晶硅薄膜材料制作的電池既擁有多晶硅電磁材料穩(wěn)定、環(huán)保、高效以及成本低廉的特點，還能夠保持薄膜電池制備時材料用量少、成本低以及加工工藝簡單等優(yōu)勢，因此，薄膜多晶硅材料制成的多晶硅電池材料被認(rèn)為是二代太陽能電池中最有潛力的科技路線。本文將介紹多晶硅薄膜太陽能電池的基本特點和制備工藝的技術(shù)要點，并綜述了當(dāng)前多晶硅薄膜太陽能電池面臨的重點以及相關(guān)的前沿研究領(lǐng)域的最新 進展。

1 多晶硅薄膜太陽電池的研究概況

按照多晶硅薄膜材料制備過程中溫度條件的不同，可以將多晶硅薄膜分為低溫多晶硅薄膜材料和高溫多晶硅薄膜材料。其中低溫路線的多晶硅材料具有可選擇的襯底材料要求低、制備過程中熱耗少等優(yōu)點；但這種工藝路線存在制備的多晶硅薄膜材料生長速率慢、晶體顆粒較小等缺陷，這些缺陷制約了其進一步發(fā)展的可能性。高溫路線制備多晶硅薄膜材料則可以有效地克服上述缺點，高溫路線制備多晶硅薄膜材料具有生長速率快、材料純度較高、硅膜晶粒較大以及薄膜質(zhì)量高等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢對多晶硅薄膜材料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要；但高溫路線生長多晶硅薄膜材料需要解決襯底材料的耐溫問題，高溫法所用的多晶硅薄膜材料襯底材料需要在熱穩(wěn)定性能、雜質(zhì)污染情況以及與多晶硅薄膜材料熱匹配性能方面進行綜合地考量。

2 高溫沉積多晶硅薄膜制備的方法

本文按照高溫沉積多晶硅薄膜所用襯底的不同，將高溫沉積多晶硅薄膜制備方法分為兩種，分別為以非硅材料為襯底的制備方法和以低品質(zhì)硅為襯底的制備方法。

2.1 以非硅材料為襯底

目前研究中的襯底非硅襯底材料很多存在雜質(zhì)含量較高，高溫過程中雜質(zhì)容易向薄膜材料轉(zhuǎn)移和擴散，從而造成多晶硅薄膜的品質(zhì)下降，降低了多晶硅薄膜活性層的電學(xué)性能。為了阻止這種擴散，很多文獻報道將襯底材料沉積一層氮化硅或者碳化硅隔離層。如Achim Eyer（2021）[1]就報道了氮化硅隔離層能夠有效阻止襯底雜質(zhì)向多晶硅薄膜的擴散，得到了純度較高、電學(xué)性能優(yōu)良的多晶硅薄膜材料。

在非晶硅襯底材料上制得的多晶硅薄膜材料還存在晶粒密度小、晶界密度大、晶界活性大且難以鈍化的問題。為了改善這種情況，近年來很多研究采用再結(jié)晶的方式增大多晶硅材料晶粒的尺寸，這是對高溫沉積多晶硅晶粒增長技術(shù)中區(qū)熔再結(jié)晶（ZMR）的一種改進[2]。其具體特點是在多晶硅高溫工藝中將非晶硅薄膜加熱到硅熔點以上后，將多晶硅原料熔化后重新結(jié)晶生長，區(qū)熔再結(jié)晶前為了防止融硅鼓泡，需要將襯底材料中加入2～4μm的蓋帽層。并在多晶硅的沉積活性層形成之前將襯底上的蓋帽層蝕刻去除，這樣制備的多晶硅電池的絕對效率能夠提高4%～6%。

這方面的研究以Fraunhofer ISE（德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所）的研究較為典型，Hofmann M（2019）[2]采用快熱化學(xué)氣相沉積的方法在SiC襯底材料上制備出一層蓋帽層，通過區(qū)域熔融的技術(shù)增厚后，最后在沉積硅活性層之前將蓋帽層去除，這種方法得到的多晶硅電池材料的光電效率可達到10.89 %。

2.2 以低品質(zhì)硅為襯底

S.Reber等[3]以顆粒狀硅帶材料（SSP）為襯底，采用高溫沉積的方法在硅襯底的表面沉積了一層2μm的SiO2隔離層，然后在1100℃的高溫下繼續(xù)在硅襯底上沉積出5～10μm厚的重摻籽晶層作為SiO2隔離層的蓋帽層，然后采用區(qū)域熔再結(jié)晶（ZMR）的技術(shù)增大多晶硅的晶粒，蝕刻蓋帽層后外延大約30μm的多晶硅活性層。區(qū)域熔再結(jié)晶（ZMR）后會出現(xiàn)（100）的擇優(yōu)方向。由于SiO2隔離層具有絕緣的作用，電池的電極只能坐在多晶硅的正面。為了解決這個問題，該研究采用化學(xué)蝕刻的方法在SiO2隔離層上開孔，從而讓多晶硅電池的電極可以布置在電池的正反兩面。據(jù)報道，該研究的多晶硅薄膜太陽能電池的效率能夠達到11.8%以上，具有良好的應(yīng)用前景。

國內(nèi)在這方面也做了很多的研究工作，如北京太陽能研究所將單晶硅襯底上覆蓋SiO2隔離層，制備的多晶硅薄膜太陽能電池光利用效率達到了 10.86%，在重摻P型單晶硅襯底上制備的多晶硅薄膜太陽能電池的光利用效率最高能夠達到13.61%[5-6]。

3 高溫沉積多晶硅薄膜電池特點和工藝

3.1 多晶硅薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)特點

在高溫路線得到的多晶硅薄膜制備多晶硅薄膜電池的工藝中，多晶硅薄膜太陽電池有兩種典型的構(gòu)型，如圖1所示。圖1（a）所示的多晶硅薄膜電池為雙面引電極電池結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)型可用于導(dǎo)電襯底，這個結(jié)構(gòu)可以將導(dǎo)電襯底直接外延到多晶硅活性層上，直接從襯底引出背電極；如果襯底和多晶硅活性層之間有SiO2隔離層，可以先在SiO2隔離層上通過化學(xué)蝕刻開窗，然后通過電極在襯底面引出電流。若采用的襯底是絕緣材料，則需采用單面引電極的多晶硅薄膜電池構(gòu)型，如圖1（b）所示，但這種構(gòu)型不能夠?qū)⒍嗑Ч璧呢撾姌O從絕緣襯底的背面引出，需要借助選擇擴散的方法在多晶硅的正表面形成雙電極。由于多數(shù)非硅材料襯底材料具有電絕緣性，一般需采用如圖1（b）所示單面引電極的多晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)。

圖1 薄膜電池的基本結(jié)構(gòu)

3.2 多晶硅薄膜太陽電池的制備工藝

目前，世界上所有的高溫法沉積多晶硅的研究中，幾乎所有制備高效率多晶體硅薄膜的實驗技術(shù)均用于薄膜電池的改進上，如制備減反膜工藝技術(shù)、背場技術(shù)及歐姆接觸技術(shù)等。這里主要討論非晶硅襯底上制備多晶硅太陽能電池的過程中阻擋層的選擇與制備，還將探討多晶硅薄膜電池制備工藝過程中的鈍化問題。

3.2.1 襯底阻擋層的優(yōu)化

薄膜電池襯底上制備一條阻擋層是為了避免多晶硅高溫沉積中襯底材料中的雜質(zhì)離子擴散到多晶硅薄膜的活性層中，進而造成多晶硅薄膜的光利用效率下降。襯底阻擋層的功能包括：①阻擋層能夠阻止襯底層的雜質(zhì)擴散；②阻擋層能夠調(diào)整多晶硅薄膜與襯底層的膨脹系數(shù)差異；③阻擋層能夠作為高溫沉積的背面光反射層；④襯底層能夠有效減少多晶硅薄膜背面載流子的復(fù)合。

多晶硅薄膜電池材料的制備過程中被當(dāng)作襯底阻擋層的材料有Si3N4以及SiO2，其中Si3N4對襯底層的擴散離子具有很強的阻隔能力，而且具有機械強度高、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是Si3N4內(nèi)部具有大量的深能級陷阱，而且Si3N4的界面性能很差，隔離層中氫離子的含量和固定電荷密度，從而導(dǎo)致制備的多晶硅薄膜電池器件的性能不穩(wěn)定。采用SiO2作為襯底阻擋層在淬火后可以獲得良好的界面性能，但對雜質(zhì)離子的遷移阻擋能力比較差。如果將Si3N4與SiO2兩者結(jié)合，制備的復(fù)合阻擋層則可以很好地結(jié)合兩者的優(yōu)點，避免兩者的缺陷。Slaoui A[6]選用SiO2/Si3N4/SiO2為多晶硅薄膜高溫沉積襯底的復(fù)合阻擋層，因為SiO2的界面性能較好，選擇SiO2作為上下兩個接觸面，Si3N4的阻隔能力很好，所以選用Si3N4作為阻擋層的中間層，采用這種工藝技術(shù)的多晶硅薄膜電池的光利用效率達到了11.94 %。

選擇高溫沉積制備多晶硅薄膜的時候SiC也具有良好的可遷移離子阻隔性能，而且與Si的熱膨脹系數(shù)匹配性能較好，還具有點到點性能，雖然采用作為阻擋層的高效率電池還未見文獻報道，但有報道稱采用石墨襯底的SiC阻隔層在電池效率上能夠超過 11%，可見如果完全使用SiC為襯底制備多晶硅薄膜太陽能電池時，電池的光電轉(zhuǎn)化率會更高[7-8]。

3.2.2 晶界缺陷的鈍化

在光伏領(lǐng)域，一般采用氫鈍化的方法抑制多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，氫原子可以與晶界缺陷邊界處的懸掛鍵結(jié)合，以消除晶界缺陷與金屬離子結(jié)合帶來的光電效率轉(zhuǎn)化性能減弱，這對提高多晶硅薄膜電池的活性和效率具有重要的意義。氫原子與晶界缺陷的結(jié)合可以有效抑制晶界缺陷與金屬離子的結(jié)合活性。在多晶硅薄膜電池領(lǐng)域，氫氣氛退火也較早地應(yīng)用于鈍化多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，雖然氫氣氛退火對提高多晶硅薄膜太陽電池的活性有良好的作用，但目前的作用機理尚且不清楚。

增強化學(xué)沉積氫鈍化是與SiNX減反射層的沉積同時完成的。在增強化學(xué)沉積SiNX減反射層時，將高溫沉積的載氣中含氫，其中部分氫會沉積在SiNX減反射層薄膜中。在多晶硅薄膜的高溫沉積過程中，這部分氫會從SiNX減反射層中進一步釋放，原子形態(tài)在多晶硅的晶界中擴散，最終與多晶硅薄膜晶界缺陷中的懸掛鍵結(jié)合，起到對晶界缺陷鈍化的功能。增強化學(xué)沉積氫鈍化的缺陷是高溫等離子體會對多晶硅薄膜的微觀表面造成一定的損傷。

微波誘導(dǎo)遠距等離子氫鈍化（MIRHP）是一種近年來才發(fā)展起來的多晶硅晶界缺陷氫鈍化方法。原理是利用微波將分子氫轉(zhuǎn)變?yōu)樵託洳U散入多晶硅薄膜的晶界缺陷中，起到鈍化多晶硅晶界缺陷的效果。由于微波產(chǎn)生等離子的位置與多晶硅薄膜放置的位置比較遠，相對于增強化學(xué)沉積氫鈍化能夠有效避免等離子體對多晶硅薄膜電池微觀表面的損傷。

4 結(jié)語

高溫沉積方法獲得的多晶硅太陽能電池具有良好的電池效率和成本優(yōu)勢，得到的多晶硅薄膜具有晶粒大、活性高、質(zhì)量好等優(yōu)點，生長制備的速率也比其他方面快，在光伏太陽能電池領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。但高溫路線生長多晶硅薄膜材料需要解決襯底材料的耐溫問題，高溫法所用的多晶硅薄膜材料襯底材料需要在熱穩(wěn)定性能、雜質(zhì)污染情況以及與多晶硅薄膜材料熱匹配性能方面進行綜合的考量。因此，相關(guān)的技術(shù)難題得到解決，高溫沉積方法制備多晶硅薄膜太陽電池的工藝路線會得到進一步的推廣，并在光伏領(lǐng)域占據(jù)一席之地。