掺杂层对非晶硅异质结太阳电池特性影响的研究

黄冬松，曾 祥，李亚芬

（1.国家电投集团能源科技工程有限公司，上海200233；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌330096；3.国网江西省电力有限公司检修分公司，江西南昌330029）

0 引言

随着全球能源短缺问题日益凸显，太阳能光伏产业得到了迅猛发展，太阳能电池的种类也衍生出很多分支。其中，非晶硅/单晶硅异质结太阳电池由于其工艺温度低、温度系数小、转换效率较高等优点而受到广泛关注。从1990年起，三洋公司（现已被松下收购）便一直通过所谓的HIT太阳电池结构体现着这种技术潜在的优势，并于1997年实现HIT太阳电池的产业化。对于高效率异质结太阳电池，晶体硅的表面钝化是非常重要的参数。通过减少电池的厚度而降低太阳电池成本势必会使电池表面积与体积比值的增加，因此，为了有效地钝化PN结，需要在晶体硅基片的正反两面都使用较高质量的氢化非晶硅层，目的在于降低掺杂非晶硅层中高缺陷态密度对异质界面的影响[1-2]。但实验中常发现，即使沉积的薄膜具备良好的光电特性，所制备出的器件也不一定有高的转换效率。本工作为深入了解异质结电池工作机理，依次对p型及n型非晶硅沉积层进行掺杂分析，并分别采用p型及n型非晶硅层制作成异质结太阳电池，研究

1 实验细节

非晶硅层通过等离子体增强化学气相法沉积。n型和p型氢化非晶硅层分别在甲硅烷/氢气/磷化氢和甲硅烷/氢气/乙硼烷混合气氛中进行沉积，沉积温度为200℃。

异质结太阳电池在高质量的n型单晶硅圆片上制作。晶片清洗后，浸在氢氟酸溶液中去除表面的原生氧化层并钝化表面的悬挂键。为了增加钝化，在沉积p型掺杂层之前先使用一层薄的缓冲层。最后，前侧用ITO薄膜和丝网印刷的栅格覆盖，背侧用ZnO:B/Al覆盖。采用准稳态光电导法测试钝化质量。薄膜的厚度和显微结构通过光谱椭偏仪来估测。

2 结果分析

在等离子体增强化学气相沉积其他工艺条件恒定的条件下，p型氢钝化非晶硅层上掺杂浓度设置在0～7400ppm范围内变化作为对照组进行对比。工艺中沉积温度为200℃衬底厚度12nm。钝化性能是在含缓冲层及p型沉积层上得出，其他的特性直接在单独的p型层上测试。

从图1中可清晰地看到，在一个太阳强度下，p型层开路电压和有效寿命均会随着混合气体中硼含量的的增加而减少，并在有效掺入硼浓度为2000ppm左右达到稳定。正如预期的那样，高掺杂的样品使其内部缺陷密度增加，从而导致钝化性能的劣化，随着乙硼烷B2H6浓度的进一步增加而达到某一阈值，钝化性能保持稳定。由于这个原因，无论实验反应器中引入了多少数量的乙硼烷，在更高的掺杂条件下得到的钝化效果是基本相同的。此外，随着样品中硼浓度的增加，有效吸收变得更高。这可通过椭偏仪估算出的沉积层禁带宽度来解释，随着硼浓度的增加，沉积层禁带宽度呈现逐渐减小的趋势，更小的禁带宽度可使更低能量的光波被吸收，从而提高了有效吸收率。

图1 （左）不同样品通过准稳态光电导法测量的载流子寿命和开路电压来表示钝化情况；（右）有效吸收率和椭偏仪的测量结果

关于n型层，就主要的等离子体增强化学气相沉积工艺参数进行了研究，1）掺杂气体压力在0.5～1.5Torr；2）电极间距离；3）在气体混合物中掺杂的磷化氢PH3浓度0～830ppm。对于所有的沉积，每一片层都确保厚度为10nm。测量结果表明，在低压范围，无论掺杂浓度为多少，沉积的层均得到外延结构。然而，随着压力的增加，尤其是当磷化氢流速增加时观察到这些层中的结晶比例减少。当高于0.8Torr时，观察不到晶体比例成分，此时所得沉积层基本为非晶层。图2（左）体现了沉积层的钝化质量随着掺杂浓度的变化趋势。此外，即使在整个工艺过程中掺杂浓度相同，开路电压还会受掺杂气压和电极间距离的影响。当增大气压和电极间距离时，开路电压最大值对应的磷化氢浓度逐渐降低。这可以解释为掺杂气体更好地掺入到薄膜中，而更低浓度的掺杂意味着更低的缺陷密度，因而获得了更好的钝化层，达到更好的钝化效果。但另一方面，为了保持n型层的特性，需要必要浓度的掺杂使得足够多的场效应发生，而在1.5Torr和35mm电极距离的参数下，轻掺杂条件（开路电压最大时）似乎可使场效应和缺陷态密度两者达到矛盾的平衡。

图2 （左）不同的气压和电极间距条件下，开路电压与磷化氢浓度的关系；（右）4个工艺参数下开路电压最大值对应的磷化氢浓度

使用不同的非晶硅层来制作异质结太阳电池，从而评估出p型层或者n型层的优缺点。电池特性测量结果归纳在图3中，其中最重要的参数为填充因子。如图3（左）所示，在p型层太阳电池中，当乙硼烷浓度增加时，随着在异质结太阳电池p型层中硼浓度的变化，器件的最大效率发生在乙硼烷的浓度为2000ppm左右。在那个点处，缺陷态密度与掺杂浓度之间得到了一个平衡。这也正应证了前文所得出的结论：当有效掺入硼浓度达到2000ppm左右时，钝化性能保持稳定，更高的掺杂浓度达到的钝化效果也是基本相同的，反而会因为更高的掺杂浓度而引入过多的缺陷。因此，当硼含量足够高到可以产生一个足够的场效应来推动导电载流子的运输，并且足够低到可以避免产生过多缺陷时，电池的填充因子和转换效率数值最高。

图3 异质结太阳电池采用（左）p型氢化非晶层掺杂及（右）n型氢化非晶层掺杂对应的填充因子及转换效率

如图3（右）所示，在n型层太阳电池中，掺杂所需的磷化氢的浓度远低于p型层中乙硼烷浓度。虽然整体看来，n型层的填充因子及转化效率均低于p型层，但却更适合做背表面场。这是因为在异质结太阳电池的背面，为了更有效率地收集少数载流子，一般都会做了一个背表面场。从图3可以清晰地看到，掺杂气体磷化氢比乙硼烷能够更有效地掺入薄膜中。因此，为了创造一个足够高的电场在背面有效地收集少数载流子，所需的掺杂量就可以比在p型背表面场情况下小得多。此外，如图3（右）所示，在高掺杂浓度下虽然引入了更多的缺陷态密度，钝化效果比在低压掺杂流所获得的要差，但在整个器件性能表现中没有产生较大不利影响。因此，可引入该掺杂水平来形成足够强场效应的背面场，进而阻挡载流子移动到电池背面去。

3 结语

通过控制p型和n型掺杂层的几个变量可以得出：随着沉积气压的增大，掺杂量递增，层的钝化质量越差。这是由于在非晶材料中递增的缺陷态密度造成的。此外，n型非晶硅的掺杂浓度低于p型，表明掺杂气体磷化氢比乙硼烷可更好地掺入到薄膜中。通过研究由p型及n型非晶硅层制作成的异质结太阳电池，可以推断出：当掺杂量足够高到可以产生足够的场效应来推动载流子运输，并且足够低到可以避免产生过多缺陷时，电池性能最佳。此外，研究还发现：n型层异质结太阳电池的性能普遍差于p型层，但却能够在更低的掺杂浓度下产生足够的场效应，因此，n型非晶硅层更适合做电池背表面场，而p型非晶硅层更适合做电池正面。本工作有助于理解非晶硅/单晶硅异质结太阳电池所包含的主要机理。