高温沉积多晶硅薄膜光伏电池研究进展

路 爽，张一凡

（新特硅基新材料有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

自从20世纪60年代以来，太阳能电池产业界一直致力于多晶硅太阳能薄膜的研究和开发工作。多晶硅薄膜材料制作的电池既拥有多晶硅电磁材料稳定、环保、高效以及成本低廉的特点，还能够保持薄膜电池制备时材料用量少、成本低以及加工工艺简单等优势，因此，薄膜多晶硅材料制成的多晶硅电池材料被认为是二代太阳能电池中最有潜力的科技路线。本文将介绍多晶硅薄膜太阳能电池的基本特点和制备工艺的技术要点，并综述了当前多晶硅薄膜太阳能电池面临的重点以及相关的前沿研究领域的最新 进展。

1 多晶硅薄膜太阳电池的研究概况

按照多晶硅薄膜材料制备过程中温度条件的不同，可以将多晶硅薄膜分为低温多晶硅薄膜材料和高温多晶硅薄膜材料。其中低温路线的多晶硅材料具有可选择的衬底材料要求低、制备过程中热耗少等优点；但这种工艺路线存在制备的多晶硅薄膜材料生长速率慢、晶体颗粒较小等缺陷，这些缺陷制约了其进一步发展的可能性。高温路线制备多晶硅薄膜材料则可以有效地克服上述缺点，高温路线制备多晶硅薄膜材料具有生长速率快、材料纯度较高、硅膜晶粒较大以及薄膜质量高等优势，这些优势对多晶硅薄膜材料电池的产业化发展至关重要；但高温路线生长多晶硅薄膜材料需要解决衬底材料的耐温问题，高温法所用的多晶硅薄膜材料衬底材料需要在热稳定性能、杂质污染情况以及与多晶硅薄膜材料热匹配性能方面进行综合地考量。

2 高温沉积多晶硅薄膜制备的方法

本文按照高温沉积多晶硅薄膜所用衬底的不同，将高温沉积多晶硅薄膜制备方法分为两种，分别为以非硅材料为衬底的制备方法和以低品质硅为衬底的制备方法。

2.1 以非硅材料为衬底

目前研究中的衬底非硅衬底材料很多存在杂质含量较高，高温过程中杂质容易向薄膜材料转移和扩散，从而造成多晶硅薄膜的品质下降，降低了多晶硅薄膜活性层的电学性能。为了阻止这种扩散，很多文献报道将衬底材料沉积一层氮化硅或者碳化硅隔离层。如Achim Eyer（2021）[1]就报道了氮化硅隔离层能够有效阻止衬底杂质向多晶硅薄膜的扩散，得到了纯度较高、电学性能优良的多晶硅薄膜材料。

在非晶硅衬底材料上制得的多晶硅薄膜材料还存在晶粒密度小、晶界密度大、晶界活性大且难以钝化的问题。为了改善这种情况，近年来很多研究采用再结晶的方式增大多晶硅材料晶粒的尺寸，这是对高温沉积多晶硅晶粒增长技术中区熔再结晶（ZMR）的一种改进[2]。其具体特点是在多晶硅高温工艺中将非晶硅薄膜加热到硅熔点以上后，将多晶硅原料熔化后重新结晶生长，区熔再结晶前为了防止融硅鼓泡，需要将衬底材料中加入2～4μm的盖帽层。并在多晶硅的沉积活性层形成之前将衬底上的盖帽层蚀刻去除，这样制备的多晶硅电池的绝对效率能够提高4%～6%。

这方面的研究以Fraunhofer ISE（德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所）的研究较为典型，Hofmann M（2019）[2]采用快热化学气相沉积的方法在SiC衬底材料上制备出一层盖帽层，通过区域熔融的技术增厚后，最后在沉积硅活性层之前将盖帽层去除，这种方法得到的多晶硅电池材料的光电效率可达到10.89 %。

2.2 以低品质硅为衬底

S.Reber等[3]以颗粒状硅带材料（SSP）为衬底，采用高温沉积的方法在硅衬底的表面沉积了一层2μm的SiO2隔离层，然后在1100℃的高温下继续在硅衬底上沉积出5～10μm厚的重掺籽晶层作为SiO2隔离层的盖帽层，然后采用区域熔再结晶（ZMR）的技术增大多晶硅的晶粒，蚀刻盖帽层后外延大约30μm的多晶硅活性层。区域熔再结晶（ZMR）后会出现（100）的择优方向。由于SiO2隔离层具有绝缘的作用，电池的电极只能坐在多晶硅的正面。为了解决这个问题，该研究采用化学蚀刻的方法在SiO2隔离层上开孔，从而让多晶硅电池的电极可以布置在电池的正反两面。据报道，该研究的多晶硅薄膜太阳能电池的效率能够达到11.8%以上，具有良好的应用前景。

国内在这方面也做了很多的研究工作，如北京太阳能研究所将单晶硅衬底上覆盖SiO2隔离层，制备的多晶硅薄膜太阳能电池光利用效率达到了 10.86%，在重掺P型单晶硅衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光利用效率最高能够达到13.61%[5-6]。

3 高温沉积多晶硅薄膜电池特点和工艺

3.1 多晶硅薄膜太阳电池的结构特点

在高温路线得到的多晶硅薄膜制备多晶硅薄膜电池的工艺中，多晶硅薄膜太阳电池有两种典型的构型，如图1所示。图1（a）所示的多晶硅薄膜电池为双面引电极电池结构，这种构型可用于导电衬底，这个结构可以将导电衬底直接外延到多晶硅活性层上，直接从衬底引出背电极；如果衬底和多晶硅活性层之间有SiO2隔离层，可以先在SiO2隔离层上通过化学蚀刻开窗，然后通过电极在衬底面引出电流。若采用的衬底是绝缘材料，则需采用单面引电极的多晶硅薄膜电池构型，如图1（b）所示，但这种构型不能够将多晶硅的负电极从绝缘衬底的背面引出，需要借助选择扩散的方法在多晶硅的正表面形成双电极。由于多数非硅材料衬底材料具有电绝缘性，一般需采用如图1（b）所示单面引电极的多晶硅薄膜电池结构。

图1 薄膜电池的基本结构

3.2 多晶硅薄膜太阳电池的制备工艺

目前，世界上所有的高温法沉积多晶硅的研究中，几乎所有制备高效率多晶体硅薄膜的实验技术均用于薄膜电池的改进上，如制备减反膜工艺技术、背场技术及欧姆接触技术等。这里主要讨论非晶硅衬底上制备多晶硅太阳能电池的过程中阻挡层的选择与制备，还将探讨多晶硅薄膜电池制备工艺过程中的钝化问题。

3.2.1 衬底阻挡层的优化

薄膜电池衬底上制备一条阻挡层是为了避免多晶硅高温沉积中衬底材料中的杂质离子扩散到多晶硅薄膜的活性层中，进而造成多晶硅薄膜的光利用效率下降。衬底阻挡层的功能包括：①阻挡层能够阻止衬底层的杂质扩散；②阻挡层能够调整多晶硅薄膜与衬底层的膨胀系数差异；③阻挡层能够作为高温沉积的背面光反射层；④衬底层能够有效减少多晶硅薄膜背面载流子的复合。

多晶硅薄膜电池材料的制备过程中被当作衬底阻挡层的材料有Si3N4以及SiO2，其中Si3N4对衬底层的扩散离子具有很强的阻隔能力，而且具有机械强度高、高温稳定性好等优点。但是Si3N4内部具有大量的深能级陷阱，而且Si3N4的界面性能很差，隔离层中氢离子的含量和固定电荷密度，从而导致制备的多晶硅薄膜电池器件的性能不稳定。采用SiO2作为衬底阻挡层在淬火后可以获得良好的界面性能，但对杂质离子的迁移阻挡能力比较差。如果将Si3N4与SiO2两者结合，制备的复合阻挡层则可以很好地结合两者的优点，避免两者的缺陷。Slaoui A[6]选用SiO2/Si3N4/SiO2为多晶硅薄膜高温沉积衬底的复合阻挡层，因为SiO2的界面性能较好，选择SiO2作为上下两个接触面，Si3N4的阻隔能力很好，所以选用Si3N4作为阻挡层的中间层，采用这种工艺技术的多晶硅薄膜电池的光利用效率达到了11.94 %。

选择高温沉积制备多晶硅薄膜的时候SiC也具有良好的可迁移离子阻隔性能，而且与Si的热膨胀系数匹配性能较好，还具有点到点性能，虽然采用作为阻挡层的高效率电池还未见文献报道，但有报道称采用石墨衬底的SiC阻隔层在电池效率上能够超过 11%，可见如果完全使用SiC为衬底制备多晶硅薄膜太阳能电池时，电池的光电转化率会更高[7-8]。

3.2.2 晶界缺陷的钝化

在光伏领域，一般采用氢钝化的方法抑制多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，氢原子可以与晶界缺陷边界处的悬挂键结合，以消除晶界缺陷与金属离子结合带来的光电效率转化性能减弱，这对提高多晶硅薄膜电池的活性和效率具有重要的意义。氢原子与晶界缺陷的结合可以有效抑制晶界缺陷与金属离子的结合活性。在多晶硅薄膜电池领域，氢气氛退火也较早地应用于钝化多晶硅薄膜材料中的晶界缺陷，虽然氢气氛退火对提高多晶硅薄膜太阳电池的活性有良好的作用，但目前的作用机理尚且不清楚。

增强化学沉积氢钝化是与SiNX减反射层的沉积同时完成的。在增强化学沉积SiNX减反射层时，将高温沉积的载气中含氢，其中部分氢会沉积在SiNX减反射层薄膜中。在多晶硅薄膜的高温沉积过程中，这部分氢会从SiNX减反射层中进一步释放，原子形态在多晶硅的晶界中扩散，最终与多晶硅薄膜晶界缺陷中的悬挂键结合，起到对晶界缺陷钝化的功能。增强化学沉积氢钝化的缺陷是高温等离子体会对多晶硅薄膜的微观表面造成一定的损伤。

微波诱导远距等离子氢钝化（MIRHP）是一种近年来才发展起来的多晶硅晶界缺陷氢钝化方法。原理是利用微波将分子氢转变为原子氢并扩散入多晶硅薄膜的晶界缺陷中，起到钝化多晶硅晶界缺陷的效果。由于微波产生等离子的位置与多晶硅薄膜放置的位置比较远，相对于增强化学沉积氢钝化能够有效避免等离子体对多晶硅薄膜电池微观表面的损伤。

4 结语

高温沉积方法获得的多晶硅太阳能电池具有良好的电池效率和成本优势，得到的多晶硅薄膜具有晶粒大、活性高、质量好等优点，生长制备的速率也比其他方面快，在光伏太阳能电池领域具有良好的发展前景。但高温路线生长多晶硅薄膜材料需要解决衬底材料的耐温问题，高温法所用的多晶硅薄膜材料衬底材料需要在热稳定性能、杂质污染情况以及与多晶硅薄膜材料热匹配性能方面进行综合的考量。因此，相关的技术难题得到解决，高温沉积方法制备多晶硅薄膜太阳电池的工艺路线会得到进一步的推广，并在光伏领域占据一席之地。