25-HIT太阳能电池的界面钝化研究

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HIT 太阳能电池的界面钝化研究
ʬ࿎ ౏֎๽ 谢 ‫خ‬ї 杨 ະ ʬ敬ߜ ࣪启 ̰
（中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点联合实验室 北京 100083） 摘要：硅异质结电池（HIT）具有制备温度低、稳定性好等优点，在光伏领域具有很好的前 景。非晶硅/单晶硅之间的界面态对电池性能影响较大，因而非晶硅/单晶硅界面钝化问题一 直是 HIT 电池研究热点之一。本论文从模拟与实验两方面研究了界面态密度对 HIT 电池的 影响。模拟结果表明界面态对电池开压影响较大，而对电池电流密度影响较小（如图 1 所示）， 实验采用少子寿命和表面光电压谱（SPS——surface photovoltage spectroscopy，如图 2 所示） 表征非晶硅对晶硅表面的钝化效果。 关键词：HIT 太阳能电池 界面态 钝化
ρ1 ∗ S = ρ2 ∗ S ∗ d
（2）
则 ρ1 = ρ2 ∗ d
（1）
其中 S 为选取的界面的面积，d 为界面 层厚度，这里 d 取 3×10-7cm。 通过关系式（1），我们有表 1 所示的面缺陷
态密度和体缺陷态密度的对应关系。相关的
模拟参数如表 2 所示。
表 1 面缺陷态密度和体缺陷态密度的对应关系
Ev+0.5
1.0×10-14 1.0×10-14
Ev+0.5
1.0×10-14 1.0×10-14
(a)
(d)
图 5 开路电压 Voc(a)短路电流 Jsc(b)填充因子 FF(c)
转换效率 Eff(d)随界面态密度的变化
图 5 分别是开路电压 Voc、短路电流 Jsc、
填充因子 FF 和转换效率 Eff 随界面态密度
下降。
2 实验方法
实验利用 PECVD 设备进行样品制备， 衬底选择为 p 型单晶硅、n 型单晶硅和玻璃 衬 底 。 P 型 单 晶 硅 参 数 ：（ 110 ），
180µm-220µm， 0.5-3Ω·cm；n 型单晶硅参 数：（100），405-435µm，2.0-2.7Ω·cm。
照时光子会入射到半导体表面，如果光子能 量大于表面带隙中缺陷态到导带的能级差，
的变化。从图 5（a-d）可以看出，随着界面
态密度的增加，短路电流 Jsc 受影响很小，
只是略微有点儿下降，而当界面态密度从 1010cm-2 变化到 1012cm-2 时，开路电压 Voc、
填充因子 FF 和转换效率 Eff 变化也是很小， 但是当界面态密度超过 1012cm-2 时，Voc、
(b)
面缺陷态密度（cm-2） 对应的体缺陷态密度 （cm-3）
1×1010
3.3×1016
1×1011
3.3×1017
1×1012
3.3×1018
5×1012
1.65×1019
1×1013
3.3×1019
图 3 模拟的 HIT 电池的结构图
(a)
(b)
图 4 (a)模拟的 HIT 电池中非晶硅层的缺陷态密度
4.05
4.05
4.05
电学带隙(eV)
1.6
1.6
1.12
1.12
1.12
光学带隙(eV) 有效导带态密度(cm-3) 有效价带态密度(cm-3) 电子迁移率 (cm2 V-1 s-1) 空穴迁移率(cm2 V-1 s-1) 受主掺杂浓度 (cm-3) 施主掺杂浓度 (cm-3)
电子热速度 (cm s-1) 空穴热速度(cm s-1) 层密度(g cm-3)
300µm 和 5µm。界面态采用了 3nm 厚的界
[3]
面态层来进行模拟 ，并且界面态分布采用
高斯分布模拟(如图 4(b)所示)。在将界面的
面缺陷态密度转化为体缺陷态密度时，我们
利用了关系式
ρ1 = ρ2 ∗ d
（1）
其中 ρ1 为面缺陷态密度（cm-2），ρ2 为 体缺陷态密度（cm-3）。
该关系式如下推到出：
图 1 归一化后的开路电压、短路电流、填充因子、转换效率与界面态密度的关系
图 2 样品 20120424 和 20120425 的表面光电压谱图
∗项目来源：国家高技术研究发展计划（863 计划）（NO.2011AA050504） 作者简介：李浩（1986—），男，硕士研究生，主要从事柔性衬底硅薄膜太阳能电池的界面研究。E-mail：lihao2010@semi.ac.cn 通讯作者：曾湘波 副研究员，主要从事硅基低维光伏材料及器件研究 E-mail：xbzeng@semi.ac.cn
1 模拟计算
我们模拟的 HIT 电池的结构为 TCO/a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/interface states/c-Si(p)/Al-BSF(p+)，如图 3 所示。其 中 a-Si:H(n)和 a-Si:H(i)厚度分别为 10nm 和
3nm，并且其中的缺陷态密度分布如图 4(a) 所示[2]。c-Si(p)和 c-Si(p+)的厚度分别为
1.12 2.8×1019 1.04×1019 1350 500 1×1016 0
1×107 1×107 2.328 2.2×10-31
1.12 2.8×1019 1.04×1019 1350 500 1×1016 0
1×107 1×107 2.328 2.2×10-31
1.12 2.8×1019 1.04×1019 202.4 77.15 1×1019 0
0 引言
在非晶硅/单晶硅异质结电池中间加入 一 层 很 薄 的 i-a-Si:H 层 ， 就 形 成 了 HIT （Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer） 电池结构。HIT 电池综合了晶体硅电池和非
晶硅电池的优点，是一个非常优秀的设计。
单晶硅太阳电池的制备中需要通过高温
化层。 实验中以 SiH4 和 H2 为源气体，流量比
H2:SiH4=4:1，压强为 133Pa，反应腔室温度 170℃，射频频率为 13.56MHz，射频功率为 6W。我们在衬底上生长了不同厚度的非晶
硅薄膜，薄膜的厚度是根据我们设备的沉积
[4]
速率和沉积时间计算得出的 。
图 8 表面光电压形成能带图
非晶硅层，对单晶硅的界面态起到了很好的
钝化效果，使得电池的性能得到进一步的提
高。 这里我们采用德国 Helmholtz-Zentrum
Berlin (HZB)公司的 AFORT-HET2.4.1 模拟 软件对非晶硅/单晶硅异质结电池的特性进
行模拟计算。该软件是利用泊松方程和连续
性方程进行模拟计算。研究了不同界面态密 度对 HIT 电池性能的影响。
于界面态密度较低，这种定扎效应就显得较 弱。并且在红色虚线框部分，5×1012cm-2 界 面态密度的准费米能级之差比 1×1013cm-2 界
面态密度的准费米能级之差大，说明随着界
面态密度增加，界面态的定扎效应越显著， 同时也说明当界面态密度超过 1012cm-2 时， Voc 都随着界面态密度的增加出现了明显的
的转换效率较低，并且非晶硅太阳电池还有 一个缺点就是 S-W 效应（光致衰退效应），
使得非晶硅太阳电池在实际的应用中还是 受到了限制。而非晶硅/单晶硅异质结太阳
电池综合了非晶硅和单晶硅电池的优点。既
发挥了单晶硅电池转换效率高的优点，又发
挥了非晶硅电池能耗小，成本低的优点。而 在非晶硅/单晶硅之间插入一层很薄的本征
分布图 (b)模拟的 HIT 电池的界面态的高斯分布图
表 2 HIT 电池的模拟参数表
参数
a-Si:H(Fra Baidu bibliotek)
a-Si:H(i)
Interface
c-Si(p)
AlBSF
states
膜厚 (nm)
10
3
3
3×105
5×103
介电常数
11.5
11.5
11.9
11.9
11.9
电子亲和能(eV)
3.9
3.9
（>900℃）扩散来获得
pn
[1]
结 ，需要的能
耗较高；非晶硅太阳能电池可以通过 PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)或 HWCVD ( hot-wire chemical vapor deposition ) 等技术来实现电池的制
备，使用的能耗低，可以降低成本，但电池
在制备样品之前，先对单晶硅片进行清 洗。清洗 p 型单晶硅片的流程为：用约 15% 的 KOH 溶液浸泡 30s 左右，目的是去除硅 片表面的损伤层，之后用 5%的 HF 酸漂洗， 用去离子水超声；而实验用的 n 型单晶硅片 仅用 5%的 HF 酸进行漂洗，去除表面的氧
同时小于半导体带隙宽度，会使表面缺陷态 向导带激发电子，从而使表面能带弯曲减 弱，而减小这部分能带弯曲就对应着表面光 电压 Vs（如图 8 所示）。
的电流密度(b)
(a)
(b)
图 7 不同界面态密度下准费米能级 Efn 和 Efp 的位置 图(a)和界面处的费米能级之差随界面态密度变化 关系(b)
图 7（a）是不同界面态密度下准费米能 级 Efn 和 Efp 的位置图。从图 7（a）中黑色
框标出的位置可以看出，随着界面态密度的 增加，准费米能级之差逐渐减小（如图 7（b） 所示）。从图 7（a）分析，在界面层和 p-c-Si 部分（即大于 1.1×10-6cm 部分，红色虚线框 部分），可以看出 5×1012、1×1013cm-2 出现了 一段 Efn 和 Efp 相对平行的部分，这可能是因 为界面态的钉扎效应使得 Efn 和 Efp 相对不 变，而 1×1011cm-2 界面态密度的 HIT 电池由
提高到 1.73µs。这是利用 HF 酸中的 H 来补 偿钝化硅表面的悬挂键；而在经过 HF 酸处 理的硅片上生长非晶硅薄膜后，钝化效果得 到了进一步的提高。很明显，样品 20120424p 的少子寿命比 20120508pHF1 的少子寿命 长，这是由于在样品的制备过程中，非晶硅 薄膜中的 H 进一步补偿硅片表面的悬挂键，
实验采用测量样品的少子寿命和表面
光电压谱 SPS 来表征单晶硅片表面的钝化
[5,6,7]
效果 。少子寿命测量采用型号为
WML-1
的少子寿命测量仪；表面光电压谱仪为实验
室自己搭建的设备。
[8]
有文献 提到，在通常情况下，半导体
表面会发生能带弯曲（n 型半导体向上弯，p 型半导体向下弯）。以 n 型半导体为例，光
随着界面态密度的增加，导带的带阶变化却
(c)
较小，因此在 p-c-Si 区域形成电子空穴对后，
电子进入 n 型区的数量受影响较小，短路电 流受影响较小。图 6（b）表明界面附近的电 子电流和空穴电流几乎不受界面态密度的 影响，这也说明了短路电流密度确实受界面 态密度影响较小。
(a)
(b) 图 6 模拟的 HIT 电池界面处的能带图(a)和界面附近
电子俄歇复合系数 (cm6 s-1)
空穴俄歇复合系数(cm6 s-1) 直接带间复合系数(cm3 s-1)
1.7 1×1020 1×1020 5 1 0 1×1020
1×107 1×107 2.328 0
0
0
1.7 1×1020 1×1020 5 1 0 0
1×107 1×107 2.328 0
0
0
FF、Eff 都随着界面态密度的增加出现了明
显的下降。图 1 是归一化后的开路电压、短
路电流、填充因子、转换效率与界面态密度
的关系，进一步印证了这一结果。 图 6 是模拟的界面态密度分别为 1×1011
cm-2、5×1012 cm-2、1×1013cm-2 的 HIT 电池 中 n-a-Si:H/i-a-Si:H/interface/p-c-Si 部分的界 面处的能带图（a）和界面附近的电流密度 图（b）。从图 6（a）蓝色圆圈中可以看出，
1×107 1×107 2.328 2.2×10-31
9.9×10-32
9.9×10-32
9.9×10-32
1.1×10-14
1.1×10-14
1.1×10-14
氧缺陷位置(eV)
电子俘获界面 (cm2) 空穴俘获界面(cm2)
Gaussian distribution 1.0×10-14 1.0×10-14
3 结果与讨论
通过少子寿命测试，我们研究了 HF 钝
化和非晶硅薄膜钝化单晶硅片表面的情况。 表 3 是所测样品的钝化处理情况。表 4 是测 得的 p 型样品的少子寿命。
样品号 钝化处理
20120508p0
表 3 所测样品的钝化处理情况
20120508pHF1
20120424p
20120425p
无 HF 酸处理
经过 HF 酸处理
经 HF 处理后，又 经 HF 处理后，又 生长 5nm 非晶硅钝 生长 10nm 非晶硅
化薄膜
钝化薄膜
样品号
20120508p0
表 4 测得的 p 型样品的少子寿命
20120508pHF1
20120424p
20120425p
少子寿命（µs） 1.58
1.73
2.01
1.86
从表 4 可以看出，p 型单晶硅经过 HF 酸钝化后，少子寿命有所提高，从 1.58µs