本征氢化非晶硅薄膜厚度对其钝化性能和HIT太阳电池电性能的影响

杜敬良，张会学，姜利凯，勾宪芳，刘海涛，王丽婷

摘 要：以异质结（HIT）太阳电池的本征氢化非晶硅薄膜为研究对象，该HIT太阳电池采用n型硅片作为晶硅衬底，其n型电子传输层（下文简称为“n面”）为入光侧，p型空穴传输层（下文简称为“p面”）为背光侧。首先研究了n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度对膜层钝化性能和光透过率的影响，然后进一步研究了n面和p面本征氢化非晶硅薄膜不同厚度匹配设计对HIT太阳电池电性能的影响，并选出了最优厚度匹配方案。研究结果表明：1） n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度越薄，n面非晶硅膜层的光透过率越高，但钝化效果会变差；当厚度达到5 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定。2）在n面本征氢化非晶硅薄膜厚度一定的情况下，随着p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度变厚，硅片的少子寿命先快速增加，当厚度达到9 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定；当厚度大于9 nm时，制备的HIT太阳电池的短路电流和填充因子均下降，表明其串联电阻增大，导致光电转换效率降低。3）当n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度分别为5、9 nm时，n面的钝化效果和光透过率匹配较好，p面的钝化效果和电阻率匹配最优，即为最优厚度匹配方案；此方案制备得到的HIT太阳电池的光电转换效率达到最高，为24.59%。

关键词：异质结太阳电池；板式PECVD设备；本征氢化非晶硅薄膜；钝化；少子寿命；光透过率；电性能

中图分类号：TM914.4+1 文献标志码：A

0  引言

晶体硅异质结（HIT）太阳电池因具有高光电转换效率、低温度系数、无光致衰减及电致衰减、制备工艺简单、制程温度低等诸多优势，引起了中国光伏行业人员的极大兴趣。但由于HIT太阳电池的核心技术专利归属于日本三洋公司，且该公司一直对核心技术严密封锁，导致国内此类太阳电池技术的研究进展缓慢。2015年，三洋公司的HIT技术专利保护结束，技术壁垒消除，带来了大力发展和推广HIT技术的大好时机，国内掀起了研究和发展HIT技术的热潮。

HIT太阳电池的核心技术是通过在硅片表面沉积1层高质量的本征氢化非晶硅薄膜，与硅片表面的悬挂键和缺陷结合，使形成的异质结界面悬挂键少、缺陷态密度低，从而获得良好的钝化效果[1]。但相比于掺杂非晶硅薄膜，本征氢化非晶硅薄膜的电导率较低，若该层薄膜较厚，会导致HIT太阳电池的光电转换效率下降[2]。截至2017年，HIT太阳电池的实验室最高光电转换效率为26.7%[3]。

国内学者对本征非晶硅薄膜的研究较多。张王飞等[4]采用AFORS-HET模拟软件对双面HIT太阳电池的发射层、本征层、背场进行了数值模拟与优化，理论计算结果表明：优化后，双面HIT太阳电池的光电转换效率高达29.17%。陈仁芳等[5]研究了氢注入对硅HIT太阳电池的本征非晶硅薄膜的影响，研究结果表明：适当的氢注入可以提高本征非晶硅薄膜的氢含量，降低微结构因子，从而显著提高异质结界面的钝化质量。赵会娟等[6]研究了硼掺杂层厚度和硼掺杂比对HIT太阳电池开路电压的影响，研究结果表明：HIT太阳电池的开路电压随着本征非晶硅层和硼掺杂层总厚度的增加而迅速增加，当厚度为25 nm时，HIT太阳电池的开路电压趋于饱和。但以上大部分研究使用的均是实验设备，关于优化量产HIT太阳电池的本征非晶硅薄膜的厚度，从而提高膜层钝化性能和HIT太阳电池电性能方面的研究较少。

基于此，本文以HIT太阳电池量产生产线为基础，分别从HIT太阳电池结构的入光侧和背光侧的角度，研究本征氢化非晶硅薄膜的厚度对膜层钝化性能和光透过率的影响；并结合钝化性能和光透过率对本征氢化非晶硅薄膜的厚度进行匹配设计，研究出一组最优厚度匹配方案，以制备出膜层钝化性能较好、光有效吸收率较高、光电转换效率较高的HIT太阳电池。

1  实验

1.1  实验材料

实验选用同一批次的金刚线切割的n型单晶硅片，尺寸为166 mm×166 mm，厚度为150～155 μm，电阻率为2.5～3.5 Ω·cm，少子寿命为8000～10000 μs；采用普通载玻片作为基体来测试沉积的膜层厚度，以表征硅片上沉积的膜层厚度。

本文制备的HIT太阳电池以n型电子传输层（下文简称为“n面”）为入光侧，p型空穴传输层（下文简称为“p面”）为背光侧。这是因为n面的掺杂层是磷掺杂非晶硅薄膜，制备磷掺杂非晶硅薄膜不会破坏本征氢化非晶硅薄膜的钝化性能[7]，因此在满足钝化性能的前提下，n面的本征氢化非晶硅薄膜可以薄一些；而p面的掺杂层是硼掺杂非晶硅薄膜，沉积硼掺杂非晶硅薄膜时硼会向本征氢化非晶硅薄膜扩散，导致本征氢化非晶硅薄膜的钝化性能下降[8]，因此在满足钝化性能的前提下，p面的本征氢化非晶硅薄膜需要厚一些。在此结构下，把n面作为入光侧一面，因为n面非晶硅膜层相对于p面非晶硅膜层厚度较薄，光透过其进入晶硅层（即晶硅衬底）的比例高，这样制备得到的HIT太阳电池的光有效吸收率高、光电转换效率高。

本文制备HIT太阳电池的具体工艺流程为：

1）使用碱式制绒机去除硅片表面损伤层和有机物等杂质，制备减反射结构。

2） 使用板式等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备，依次制备n面非晶硅膜层和p面非晶硅膜层，这两种膜层的具体结构分别为：

①n面非晶硅膜层的结构为：第1层，使用硅烷（SiH4）沉积本征非晶硅薄膜（下文简称为“n面i1薄膜”）；第2层，使用硅烷和氢气沉积本征氢化非晶硅薄膜（下文简称为“n面i2薄膜”）；第3层，使用硅烷、氢气和2%磷烷/氢气混合气体沉积磷掺杂非晶硅薄膜（下文简称为“n面磷掺杂薄膜”）。因此，n面非晶硅膜层的厚度为n面i1薄膜厚度、n面i2薄膜厚度和n面磷掺杂薄膜厚度的总厚度。

②p面非晶硅膜层的结构为：第1层，使用硅烷沉积本征非晶硅薄膜（下文简称为“p面i1薄膜”）；第2层，使用硅烷和氢气沉积本征氢化非晶硅薄膜（下文简称为“p面i2薄膜”）；第3层，使用硅烷、氢气和2%硼烷/氢气混合气体沉积硼掺杂（低掺硼）非晶硅薄膜（下文简称为“p面p1硼掺杂薄膜”）；第4层，使用硅烷、氢气和2%硼烷/氢气混合气体沉积硼掺杂（高掺硼）非晶硅薄膜（下文簡称为“p面p2硼掺杂薄膜”）。因此，p面非晶硅膜层的厚度为p面i1薄膜厚度、p面i2薄膜厚度、p面p1硼掺杂薄膜厚度和p面p2硼掺杂薄膜厚度的总厚度。

3）使用物理气相沉积（PVD）法制备n面和p面的铟锡氧化物（ITO）薄膜。

4）进行丝网印刷、低温固化、光注入退火步骤。

本文制备的n面为入光侧的HIT太阳电池的结构示意图如图1所示。

1.2  实验设计

本文在n面i1薄膜厚度、n面磷掺杂薄膜的厚度和磷掺杂系数、p面i1薄膜厚度、p面p1硼掺杂薄膜的厚度和硼掺杂系数、p面p2硼掺杂薄膜的厚度和硼掺杂系数均保持不变的前提下，通过改变n面和p面的本征氢化非晶硅薄膜的沉积时间，制备出不同厚度的本征氢化非晶硅薄膜，并分析不同厚度对膜层钝化性能和HIT太阳电池电性能的影响。其中：n面i1薄膜的厚度为4 nm左右；n面磷掺杂薄膜的厚度为4 nm左右，磷掺杂系数为4%；p面i1薄膜的厚度为4 nm左右；p面p1硼掺杂薄膜的厚度为2 nm左右，硼掺杂系数为1%；p面p2硼掺杂薄膜的厚度为7 nm左右，硼掺杂系数为4%。

計算本征氢化非晶硅薄膜的沉积速率。以普通载玻片作为基体沉积本征氢化非晶硅薄膜，设置沉积时间t为200 s，沉积温度为200 ℃，射频电源功率为330 W，极板间距为21 mm，工艺腔压力为190 Pa，硅烷流量为0.35 L/min，氢气流量为7.5 L/min；沉积结束后，使用美国J.A.Woollam公司生产的型号为M-2000的光谱分析椭偏仪测试普通载玻片上沉积的本征氢化非晶硅薄膜的厚度d；然后计算该薄膜的沉积速率V，计算式为：

（1）

膜厚的测试结果为12.5 nm，则通过式（1）可计算得出在上述沉积条件下本征氢化非晶硅薄膜的沉积速率为0.0625 nm/s。

1.2.1  n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度实验

本实验以制绒后的硅片和普通载玻片为基体，通过改变n面沉积本征氢化非晶硅薄膜的时间（沉积时间分别设置为32、48、64、80、96 s），制备出厚度x分别为2、3、4、5、6 nm的5组n面本征氢化非晶硅薄膜。HIT太阳电池结构中其余的n面i1薄膜、n面磷掺杂薄膜、p面i1薄膜、p面i2薄膜、p面p1硼掺杂薄膜、p面p2硼掺杂薄膜均保持不变，其中，为确保p面的钝化效果，p面i2薄膜的厚度设为12 nm。具体实验方案如表1中第1组所示。本实验中普通载玻片上只沉积n面i1薄膜、n面i2薄膜、n面磷掺杂薄膜。

实验结束后，测试普通载玻片上n面非晶硅膜层整体的厚度和光透过率，以及硅片的少子寿命。

1.2.2  p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度实验

本实验以制绒后的硅片和普通载玻片为基体，通过改变p面沉积本征氢化非晶硅薄膜的时间（沉积时间分别设置为112、128、144、160、176 s），制备出厚度y分别为7、8、9、10、11 nm的5组p面本征氢化非晶硅薄膜。HIT太阳电池结构中其余的n面i1薄膜、n面i2薄膜、n面磷掺杂薄膜、p面i1薄膜、p面p1硼掺杂薄膜及p面p2硼掺杂薄膜均保持不变，其中，为确保n面的钝化效果，n面i2薄膜的厚度设为7 nm。具体实验方案如表1中第2组所示。本实验中普通载玻片上只沉积p面i1薄膜、p面i2薄膜。

实验结束后，测试普通载玻片上p面本征钝化层（包括p面i1薄膜和p面i2薄膜）整体的厚度和光透过率，以及沉积整个p面非晶硅膜层后硅片的少子寿命。

1.2.3  n面和p面的本征氢化非晶硅薄膜的厚度匹配实验

选择前一个实验中硅片少子寿命较高的方案进行n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度匹配实验，通过改变n面沉积本征氢化非晶硅薄膜的时间（沉积时间分别设置为64、80、96 s），对应得到n面的本征氢化非晶硅薄膜厚度分别为4、5、6 nm；通过改变p面沉积本征氢化非晶硅薄膜的时间（沉积时间分别设置为144、160、176 s），对应得到p面的本征氢化非晶硅薄膜厚度分别为9、10、11 nm。将n面的3种膜厚方案和p面的3种膜厚方案进行正交实验，共得到9种厚度匹配方案，具体如表2所示。

根据表2的厚度匹配方案分别制作9组HIT太阳电池，电池结构中的n面i1薄膜、n面磷掺杂薄膜、p面i1薄膜、p面p1硼掺杂薄膜、p面p2硼掺杂薄膜均保持不变。对这9组HIT太阳电池进行电性能数据测试。

1.3  表征

采用M-2000光谱分析椭偏仪测试非晶硅薄膜厚度；使用日本日立（HITACHI）公司生产的型号为UH4150的紫外/可见光/近红外分光光度计测试光透过率数据；采用美国Sinton Instruments公司生产的型号为WCT-120的少子寿命测试仪检测硅片的少子寿命；利用Halm电学性能测试仪测试HIT太阳电池的电性能数据，

包括光电转换效率Eta、填充因子FF、开路电压Voc、短路电流Isc、串联电阻Rs和并联电阻Rsh等。

2  实验结果与分析

2.1  n面本征氢化非晶硅薄膜厚度对膜层钝化性能和光透过率的影响

n面非晶硅膜层的光透过率随n面本征氢化非晶硅薄膜厚度变化的曲线如图2所示。

从图2可以看出：随着n面本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加，n面非晶硅膜层的光透过率逐渐降低，这是因为非晶硅的带隙宽度在1.7 eV左右，光子能量大于1.7 eV的紫外光和可见光可能会被非晶硅膜层吸收，因此非晶硅膜层越厚，被吸收的光越多，透过非晶硅膜层的光子数量就会越少[9]。

硅片的少子寿命是表征钝化性能的重要参数，硅片的少子寿命随n面本征氢化非晶硅薄膜厚度变化的曲线如图3所示。

从图3可以看出：随着n面本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加，硅片的少子寿命逐渐增加；当n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度达到5 nm时，硅片的少子寿命达到3684 μs，且趋于稳定。这是因为本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加使界面钝化更加充分[10]，且在后续的退火过程中可以提供更多的氢，扩散到n面i1薄膜中，有效钝化了非晶硅中的悬挂键和单晶硅表面的悬挂键，改善了非晶硅/硅片的界面质量[11]。

2.2  p面本征氢化非晶硅薄膜厚度对膜层钝化性能和光透过率的影响

p面本征钝化层的光透过率随p面本征氢化非晶硅薄膜厚度变化的曲线如图4所示。

从图4可以看出：随着p面本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加，p面本征钝化层的光透过率逐渐下降。这是因为随着p面本征钝化层变厚，被其吸收的光就越多，透过p面本征钝化层的光子数量就会越少[9]。

硅片的少子寿命随p面本征氢化非晶硅薄膜厚度变化的曲线如图5所示。

从图5可以看出：随着p面本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加，硅片的少子寿命先快速增加然后趋于稳定。这是因为当p面本征钝化层较薄时，随着p面本征氢化非晶硅薄膜厚度的增加，钝化效果快速增强；但当薄膜厚度达到一定程度后，钝化效果趋于饱和[10-11]。

2.3  n面和p面本征氢化非晶硅薄膜不同厚度匹配方案制备的HIT太阳电池电性能的对比

根据表2中n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度匹配方案分别制作了9组HIT太阳电池（下文简称为“方案1太阳电池”～“方案9太阳电池”），并对这9组HIT太阳电池进行电性能测试，测试结果如图6所示。

从图6可以看出：

1）短路电流的大小是HIT太阳电池的有效光吸收率的直观体现。从图6a可以看出：方案1太阳电池的短路电流最高，达到10.5786 A；方案9太阳电池的短路电流最低，为10.5080 A。分析原因在于当n面的本征氢化非晶硅薄膜的厚度较薄时，非晶硅膜层的光透过率高，HIT太阳电池的有效光吸收率高，其短路电流就高[9]。但短路电流还受到p面本征氢化非晶硅薄膜厚度的影响，由于本征氢化非晶硅薄膜的电阻率较高，在n面本征氢化非晶硅薄膜厚度相同的方案中，当p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度为9 nm时，HIT太阳电池的短路电流均较高，但当p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度大于9 nm时，载流子的输运难度增加，导致HIT太阳电池的串联电阻增大，短路电流降低[10]。

2）开路电压的大小受HIT太阳电池形成的内建电场强度和复合速率的影响，在p面硼掺杂薄膜、n面磷掺杂薄膜的掺杂浓度和厚度不变的情况下，HIT太阳电池开路电压的大小取决于本征钝化层（即指本征非晶硅薄膜和本征氢化非晶硅薄膜）的钝化效果。在一定厚度范围内，n面作为电子传输层，n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度越厚，钝化效果越好；p面作为空穴传输层，p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度越厚，钝化效果越好[10-11]。从图6b可以看出：n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度低于5 nm时，方案1～方案3太阳电池的开路电压均较低，表明n面本征钝化层没有对硅片表面全覆盖，仍存在较大的缺陷复合；只有n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度大于等于5 nm才能达到晶硅衬底表面全覆盖，钝化效果基本达到饱和。另外，p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度达到9 nm时已基本达到钝化要求，增加其厚度可进一步提高钝化效果，但提高的幅度不大。

3）填充因子的大小受HIT太阳电池材料的接触性能的影响较大，异质结界面处的复合对其也会产生一定影响。填充因子受p面本征钝化层厚度的影响极大，无论n面本征钝化层的厚度是薄还是厚，p面本征钝化层厚度的增加都会导致HIT太阳电池填充因子急剧下降，这是由于p面本征鈍化层的电阻率较高，其厚度增加会导致HIT太阳电池串联电阻增大[10]，因此p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度不能高于9 nm。对比方案1、方案4和方案7可以看出：当n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度为4 nm时，硅片表面钝化不足，仍然存在较高的缺陷复合，导致方案1太阳电池的填充因子低；而随着n面本征氢化非晶硅薄膜厚度逐渐增加，当其厚度为6 nm时，载流子的输运难度大，导致方案7太阳电池的串联电阻增大，与方案4相比，其填充因子也随之降低[10-11]；因此n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度选择5 nm最合适，此时得到的HIT太阳电池填充因子最大。

4）光电转换效率的大小受HIT太阳电池的短路电流、开路电压、填充因子的综合影响。从图6d可以看出：方案4太阳电池的光电转换效率最高，达到24.59%。这是因为n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度为5 nm时的钝化效果较好，且非晶硅膜层的光透过率处于中间水平，保证了HIT太阳电池的短路电流较高；p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度为9 nm时的钝化效果较好，缺陷复合较低，且电阻率最低，载流子的输运难度最低[10]，因此HIT太阳电池的光电转换效率最高。

3  结论

本文研究了不同厚度的n面和p面本征氢化非晶硅薄膜对光透过率和钝化性能的影响，并进一步研究了n面和p面本征氢化非晶硅薄膜不同厚度匹配设计对HIT太阳电池电性能的影响，选出了最优厚度匹配方案，得到以下结论：

1） n面本征氢化非晶硅薄膜的厚度越薄，光透过率越高，但钝化效果会变差；当厚度达到5 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定。

2）在n面本征氢化非晶硅薄膜厚度一定的情况下，随着p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度变厚，硅片的少子寿命先快速增加，当厚度达到9 nm时，硅片的少子寿命趋于稳定；当厚度大于9 nm时，制备的HIT太阳电池的短路电流和填充因子均下降，表明其串联电阻增大，导致光电转换效率降低。

3）当n面和p面本征氢化非晶硅薄膜的厚度分别为5、9 nm时，n面的钝化效果和光透过率匹配较好，p面的钝化性能和电阻率匹配最优，因此该厚度匹配方案为最优厚度匹配方案。最优厚度匹配方案制备得到的HIT太阳电池的短路电流为10.5667 A，开路电压为0.7512 V，填充因子为84.92%，光电转换效率为24.59%，达到最高值。

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EFFECT OF INTRINSIC HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON FILM THICKNESS ON ITS PASSIVATION PERFORMANCE AND ELECTRICAL PERFORMANCE OF HIT SOLAR CELLS

Du Jingliang1，Zhang Huixue2，Jiang Likai2，Gou Xianfang2，Liu Haitao1，Wang Liting1

（1. CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd.，Zhenjiang 212132，China；2. CECEP Solar Energy Co.，Ltd.，Beijing 100082，China）

Abstract：This paper focuses on the intrinsic hydrogenated amorphous silicon film of HIT solar cells. The HIT solar cells used n-type silicon wafers as crystalline silicon substrates，with the n-type electron transport layer （hereinafter referred to as"n-plane"） as the sunlight input side and the p-type hole transport layer （hereinafter referred to as"p-plane"） as the backlight side. This paper first studied the influence of the thickness of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon films on the passivation performance and transmittance of the film layer. Then，further research is conducted on the influence of different thickness matching designs of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon films on the electrical performance of HIT solar cells，and the optimal thickness matching scheme is selected. The research results show that：1） The thinner the thickness of n-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film，the higher the transmittance of n-plane amorphous silicon film layer，but the passivation effect will deteriorate；When the thickness reaches 5 nm，the minority carrier lifetime of the silicon wafer tends to stabilize. 2） When the thickness of n-plane instrinsic hydrogenated amorphous silicon film is constant，as the thickness of the p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film thickens，the minority carrier lifetime of the silicon wafer first increases rapidly. When the thickness reaches 9 nm，the minority carrier lifetime of the silicon wafer tends to stabilize.  when the thickness is greater than 9 nm，the short-circuit current and filling factor of prepared HIT solar cells decrease，indicating an increase in series resistance，leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency. 3） When the thickness of n-plane and p-plane intrinsic hydrogenated amorphous silicon film is 5 nm and 9 nm，respectively，the passivation effect and transmittance of n-plane match well，and the passivation performance and resistivity of p-plane match best，which is the optimal thickness matching scheme. The HIT solar cell prepared by this scheme has the highest photoelectric conversion efficiency，which is 24.59%.

Keywords：HIT solar cells；plate PECVD equipment；intrinsic hydrogenated amorphous silicon film；passivation；minority carrier lifetime；transmittance；electrical performance