1前言
采用寬帶隙的非晶矽作為窗口層或發射極，單晶矽或多晶矽片作襯底，形成了非晶矽／晶體矽異質結太陽電池，稱為HIT（heterojunction with intrinsic thin-layer）太陽電池。它可以同時實現pn結和優異的表麵鈍化，並且所有工藝可在低溫（《200℃）下完成，既減少了能耗，又能避免矽片在高溫處理過程中可能產生的性能退化。由於這種電池既利用了薄膜製造工藝優勢同時又發揮了晶體矽和非晶矽的材料性能特點，具有實現高效低成本矽太陽電池的發展前景，成為光伏能源領域的一個研究熱點。
本文通過分析測試HIT太陽電池製備過程中矽片表麵的一些鈍化技術對少數載流子壽命的影響，來研究鈍化效果，摸索出提高電池效率的途徑，並結合背電場工藝，研製出高效率的HIT太陽電池。
2實驗
實驗中我們選用的襯底為n型單麵拋光直拉單晶矽片。首先對矽片進行嚴格的化學清洗。然後通過改變鈍化方法和工藝條件分別進行對比實驗，測試矽表麵的少子壽命，測試儀是采用SEMLABWT一1000型的微波光電導衰減儀（μ一PCD）。采用射頻等離子體輔助化學氣相沉積（RF-PECVD）技術沉積非晶矽薄膜，在優化鈍化條件的情況下，製備出完整的HIT電池樣品，電池的結構為Ag／n-c-Si／i-a-Si：H／p-a-Si：H／ITO。電池的卜V特性在太陽模擬光源AMl．5光照條件（1000w／m2），25℃下測得。采用標定過的Si探測器為參考樣品，通過量子效率（QE）測試儀得到太陽電池的光譜響應。
3結果與分析
3．1矽表麵鈍化及對電池性能的影響
（1）化學預處理及其鈍化作用
圖1 矽片少子壽命隨HF溶液處理時間的變化曲線
圖1是矽片少子壽命隨不同HF溶液處理時間的變化曲線，可以看出用HF溶液處理後的矽片少子壽命均有提高，說明一定濃度的HF溶液能有效去除矽片表麵的氧化層，提高載流子壽命。其中處理lmin後測得的少子壽命最高，並且HF溶液處理時間不宜過長，當Time》1min後，隨著時間的增長少子壽命會有所下降，說明長時間的HF溶液腐蝕可能會破壞矽表麵結構。
（2）H處理及其鈍化作用
圖2 矽片少子壽命隨H處理時間的變化曲線
圖2所示為矽片少子壽命隨不同H等離子處理時間的變化曲線，可以看出對襯底進行一定時間的H處理（《25s）後少子壽命都有提高，其中最佳H處理時間為20s，此時少子壽命值相對於原始裸片增加了11．35“s，適當時間的H處理可鈍化矽片表麵的懸掛鍵，同時刻蝕掉了矽表麵的氧化層，有效改善界麵，然而過長時間的H等離子處理會對矽片表麵造成損傷，引起表麵缺陷的增加，相應的也降低了其少子壽命。
（3）本征非晶矽沉積及其鈍化作用
圖3為矽片少子壽命隨沉積不同i-a-Si：H厚度的變化曲線，可以看出沒有沉積本征非晶矽層的矽襯底少子壽命最優值為16．44”s，當沉積一定厚度的本征非晶矽後，矽片的少子壽命均有提高，說明了非晶矽薄膜作為緩衝層減小了異質結界麵態密度，對矽片表麵有很強的鈍化效果。其中隨著厚度的增加，當沉積時間為40s，厚度約為3nlTl的本征非晶矽，少子壽命最高達到24．61“s，並且得到的本征非晶矽薄膜結構比較穩定，能夠在電池中應用。
（4）本征非晶矽對HIT太陽電池性能的影響
圖4 HIT太陽電池V沉積i-a-Si：H層厚度的變化曲線
在沉積不同本征非晶矽層厚度的基礎上，製備完整的HIT太陽電池樣品，測試得到電池的開路電壓（U）與沉積i-a-Si：H層厚度的變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，當沉積時間為40s，製備得到的HIT太陽電池的K最高，結合前麵關於本征i層對矽片表麵的鈍化作用，此時的少子壽命也是最高的，說明表麵鈍化能有效提高電池的開壓。
保持HIT太陽電池其他工藝條件不變，僅改變本征非晶矽層的插入，製備一組電池樣品，測試電池的QE響應和IV特性，如圖5所示。
從QE曲線中可以看出本征層的插入增加了對短波段光的吸收，使得短波段光譜響應相比不加入本征層的減弱了，短路電流密度J。略有降低，但是它通過在界麵處降低了異質結的表麵複合速率來提高電池的填充因子FF和開路電壓K，因此異質結界麵處插入一定厚度的i-a-Si：H能有效提高HIT太陽電池的光電轉換效率。
3．2背電場對HIT太陽電池性能的影響
背場是用來提高太陽電池效率的有效手段，背場即在電池的背麵接觸區引入同型重摻雜區，指的是可對光生少子產生勢壘效果的區域，從而減少光生少子在背表麵的複合。
圖6所示為有、無背場的HIT太陽電池的QE響應和IV特性曲線。從圖中可以看出背場能有效增加電池的長波段響應，加入背場的電池在背麵有很低複合速率，將能增強低光子能量處的光譜響應，因此短路電流密度將增加。由於短路電流增加，背麵接觸的二極管複合電流減少，從而開路電壓增加，能有效提高電池的轉換效率。
有、無背場的HIT太陽電池的QE響應和IV特性曲線
3．3優化後的HIT太陽電池
在上述研究的基礎上，對單麵HIT太陽電池各沉積參數進行優化，得到了開壓為596mV、短路電流密度為41．605mA／cm2、填充因子為0．676、效率為16．75％的HIT電池，其卜V特性曲線如圖7所示，測試在模擬光源AMl．5，25℃下進行。
優化後的HIT太陽電池
4小結
本文通過研究不同矽表麵鈍化方法，分析測試HIT太陽電池製備過程中矽片表麵的一些鈍化技術對少數載流子壽命以及對電池性能的影響，發現適當的HF溶液預處理、20s的襯底H處理和插入約3nm的本征非晶矽層能有效提高矽片的少子壽命，通過飽和矽片表麵的懸掛鍵，可以降低少數載流子在表麵的複合，從而得到較好的表麵鈍化效果。研究了在矽襯底背麵製作背場後電池的光照特性，發現在矽片背麵引入重摻雜背場提高了電池的長波段光譜響應和開路電壓。對電池的各製備工藝進行綜合優化，研製出了效率為16．75％（AMl．5，25℃）的HIT太陽電池。
原作者： 柳琴， 葉曉軍等
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