1HIT电池缓冲层的关键技术发展概述

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综述２０１３．４Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４收稿日期２０１２－０９－０１基金项目国家科技支撑计划（２０１０ＢＡＫ６９Ｂ２５）作者简介白晓宇（１９９０），男，山西省人，硕士生，主要研究方向为太阳电池技术。６９０ＨＩＴ电池缓冲层的关键技术发展概述白晓宇１，２，郭群超１，李红波１，２（１．上海太阳能工程技术研究中心，上海２００２４１；２．上海空间电源研究所，上海２００２４５）摘要ＨＩＴ电池由日本Ｓａｎｙｏ公司于１９９０年提出，目前已达到２３．７％的最高效率。ＨＩＴ电池制备的关键技术在于其本征缓冲层的工艺。大量研究表明本征硅薄膜缓冲层在硅片上沉积时很容易发生外延生长。对于外延生长影响的认识存在着很大争议，有学者认为其中含有大量缺陷态，会降低电池性能，并提出了完全阻止外延生长的新结构，但也有学者认为恰恰是外延结构真正起到了钝化界面的作用。分析认为，不同甚至相互矛盾的实验结果可能与外延结构生长时缺陷态密度的控制有关，外延结构不是影响电池性能的关键，外延结构中的缺陷态密度才是影响电池性能的重要因素。关键词ＨＩＴ电池；缓冲层；外延；缺陷态密度中图分类号ＴＭ９１４．４文献标识码Ａ文章编号１００２－０８７Ｘ（２０１３）０４－０６９０－０３ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＨＩＴｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ＇ｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒＢＡＩＸｉａｏ－ｙｕ１，２，ＧＵＯＱｕｎ－ｃｈａｏ１，ＬＩＨｏｎｇ－ｂｏ１，２（１．ＳｈａｎｇｈａｉＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＰｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＨＩＴｓｏｌａｒｃｅｌｌｗａｓｉｎｖｅｎｔｅｄｂｙＳａｎｙｏｉｎ１９９０．Ｎｏｗｉｔｓｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄ２３．７％．ＴｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＨＩＴｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｓｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ．Ｎｕｍｅｒｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｐｉｔａｘｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｅａｓｙｔｏｆｏｒｍｗｈｅｎｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｄｅｐｏｓｉｔｓｏｎｗａｆｅｒｓ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｖｅｒｓｙａｂｏｕｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｉｍｐａｃｔｆｏｒｔｈｅｅｐｉｔａｘｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｏｍｅｓｃｈｏｌａｒｓｂｅｌｉｅｖｅｔｈａｔｉｔｃｏｎｔａｉｎｓａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｆｅｃｔｓｔａｔｅｓ，ａｎｄｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｅｌｌ＇ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｈｅｙｅｖｅｎｐｒｅｓｅｎｔｓｏｍｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｏｅｎｔｉｒｅｌｙｐｒｅｖｅｎｔｅｐｉｔａｘｉａｌｇｒｏｗｔｈ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｏｔｈｅｒｓｃｈｏｌａｒｓｂｅｌｉｅｖｅｔｈａｔｉｔｉｓｐｒｅｃｉｓｅｌｙｔｈｅｅｐｉｔａｘｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｈｉｃｈｐｌａｙｓａｋｅｙｒｏｌｅｔｏｐａｓｓｉｖａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ａｎａｌｙｓｅｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｄｅｖｅｎｃｏｎｆｌｉｃｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｍａｙｂｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｅｆｅｃｔｓｔａｔｅｓｏｆｔｈｅｅｐｉｔａｘｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｐｉｔａｘｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｎｏｔｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ ’ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒａｒｙ，ｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｅｆｅｃｔｓｔａｔｅｓｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＨＩＴｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ；ｅｐｉｔａｘｉａｌ；ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｅｆｅｃｔｓｔａｔｅｓ能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着不可再生资源日益减少，光伏发电逐渐受到人们的重视。多年来各国科学家一直在努力研究低成本高效薄膜太阳电池技术，１９９０年日本Ｓａｎｙｏ公司在非晶硅薄膜太阳电池的基础上提出了ａ－Ｓｉ／ｃ－Ｓｉ异质结太阳电池，并称其为ＨＩＴ（ｈｅｔｅｒｏ－ｊｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｒｉｎｓｉｃｔｈｉｎｌａｙｅｒ）电池［１］。ＨＩＴ电池既利用了薄膜电池的制造工艺优势，又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效、低成本太阳电池的发展前景。１Ｓａｎｙｏ公司的ＨＩＴ电池Ｓａｎｙｏ公司的ＨＩＴ电池典型结构如图１所示，在ｎ型单晶硅片上下两面分别沉积ｐ／ｉ非晶硅薄膜和ｎ＋／ｉ非晶硅薄膜，形成对称的ＨＩＴ电池结构。电池前表面形成ｐｎ结，后表面形成背表面场，同时还可以作为双面电池有效利用背面的反射光来提升电池效率。Ｓａｎｙｏ的最新报道称其ＨＩＴ电池采用９８μ ｍ的ｎ型单晶硅衬底实验室转换效率已达到２３．７％（１００．７ｃｍ２）［２］。Ｓａｎｙｏ公司曾在２００９年宣布采用常规厚度的硅片电池效率可达２３％。ＨＩＴ电池可以在低温（２００ ℃ ）下完成全部工艺，使得其成本降低的同时避免了高温对硅片的损伤，而且可以采用超薄硅片加工，在硅片越来越薄的发展趋势下，相对于传统晶硅电池，ＨＩＴ电池具有明显的优势。与传统晶硅电池相比它还具有优良的温度特性，同时可以获得很高的开路电压［３］。在研究ａ－ＳｉＨ／ｃ－Ｓｉ异质结电池的众多机构和企业中，只有Ｓａｎｙｏ公司的ＨＩＴ电池成功实现了产业化，没有其他的实验组可以达到Ｓａｎｙｏ公司如此高的电池效率。人们普遍认为，Ｓａｎｙｏ公司之所以能取得这样高的光电转换效率，是由于在ｐｎ结中i-a-SiHp-a-SiHn-c-Si n-a-SiHi-a-SiHTCO TCO图１ＨＩＴ电池的典型结构示意图综述２０１３．４Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４６９１插入一个本征缓冲层，优良的本征缓冲层制备工艺对硅片表面的良好钝化作用导致了界面特性的改善［４－７］。２缓冲层外延结构的影响大量的研究表明非晶硅薄膜在硅片上的生长会产生外延结构，氢稀释度越大、温度越高，外延生长越明显［８］。Ｋｏｎｄｏ等［９］研究了用ＰＥＣＶＤ在单晶硅片上制备非晶硅薄膜的工艺，结果表明在无氢稀释、生长温度大于１４０ ℃ 的情况下就可以观察到非晶硅薄膜的外延生长现象，并且电池性能随之下降。他们进一步提出外延结构会导致大量的位错、微孔洞等缺陷［１０］，导致界面处复合中心浓度上升，电池性能下降。他们得到的实验结果如图２所示。Ｗａｎｇ等［１１］利用ＨＷＣＶＤ技术制备了ＨＩＴ电池，发现在ＨＷＣＶＤ过程中同样衬底温度越高外延生长越明显。实验结果显示在３７５ ℃ 下沉积的薄膜外延生长非常严重，开路电压仅有４８７ｍＶ，而在１００ ℃ 下沉积的薄膜非晶硅相生长很好，开路电压达６２８ｍＶ，如图３所示。Ｗａｎｇ等也认为在外延结构中存在会导致一个含有非常高缺陷态的薄膜层，使得界面复合大大增加，严重限制了太阳电池的寿命。张燕［４］用Ｒａｍａｎ散射谱对ＰＥＣＶＤ沉积的本征缓冲层晶相做了详细研究，结果发现氢稀释度越高，缓冲层的Ｒａｍａｎ散射谱与单晶硅越接近，说明其外延生长越明显，但本征缓冲层的Ｒａｍａｎ峰与晶体硅越接近，硅片的少子寿命越短。这说明本征层的外延生长对硅片的钝化并无益处。王敏花等［１３］进一步认为外延结构的硅薄膜是由柱状团簇、裂纹和微空洞组成，杂质与晶粒间界相互作用可能会产生缺陷态。Ｃｅｎｔｕｒｉｏｎｉ等［１４］的研究与上面的结果有较大差异。他们分别在ｎ－ａ－Ｓｉ／ｐ－ｃ－Ｓｉ异质结中插入无外延非晶本征硅薄膜和完全的外延硅薄膜作为缓冲层，得到的结果如图４、图５所示。从图中可以看出无外延本征非晶硅薄膜的插入使得电池性能越来越差，而本征外延硅薄膜插入后电池性能明显提升。据此Ｃｅｎｔｕｒｉｏｎｉ等认为非晶硅薄膜并不是提升ＨＩＴ电池效率的关键，外延硅薄膜才能真正提高ＨＩＴ电池的效率。３ＨＩＴ电池缓冲层的新结构对上面提到的关于缓冲层对ＨＩＴ电池影响的不同结论，学者们也相应提出了对缓冲层进行各种改进的新结构，以消除其不良影响。对于外延结构有害和有益的两种结论，有两类典型的新缓冲层结构与之对应。３．１含薄ＳｉＮｘ／ＳｉＯ２层的缓冲层结构Ｙａｎ等认为外延结构对电池性能有害，为了实现完全无外延的缓冲层生长，他们提出了在异质结中插入一层ＳｉＮｘ保证非晶硅不产生外延生长的工艺［１５］。Ｙａｎ等利用ＨＷＣＶＤ将Ｈ２与ＮＨ３混合加热对ｐ型单晶硅表面进行刻蚀形成一层大约２ｎｍ厚的ＳｉＮｘ界面层，由于其禁带宽度太大，影响载流子输运，故接着用纯Ｈ２继续刻蚀将其减薄，再生长本征与掺杂非晶硅制得ＨＩＴ电池。得到的电池ｃ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＨ异质结中非晶硅层的生长良好，界面清楚，无外延结构，优化后最终得到最高效率为１３．４％的ｎ－ａ－ＳｉＨ／ｉ－ａ－ＳｉＨ／ＳｉＮｘ／ｐ－ｃ－Ｓｉ／Ａｌ结构的电池。ＰＥＴＥＲ［１６］也提出了类似的结构，通过在传统ＨＩＴ电池中插入一个薄ＳｉＯ２电介质层来达到防止非晶硅外延生长并保护硅衬底的目的，形成ｐ－ａ－ＳｉＨ／ｉ－ａ－ＳｉＨ／ＳｉＯ２／ｎ－ｃ－Ｓｉ的结构。该结构中的ＳｉＯ２薄层的厚度仅为０．８￣１．５ｎｍ，由于隧道效应电子可以很容易地穿过ＳｉＯ２层的势垒，不影响载流子输运，而且阻止了非晶硅在单晶硅表面的外延生长，同时还可以保护硅片在沉积非晶硅的过程中不受等离子体的侵蚀与破坏。上述两种电池的结构示意图如图６所示。图２ＰＥＣＶＤ制备的ＨＩＴ电池样品效率随本征层生长温度的变化0.650.600.550.500.45100 150 200 250t /300 350 400 V á/V图３ＨＷＣＶＤ制备的ＨＩＴ电池样品开路电压随本征层生长温度的变化0.600.550.500.45V á/V0.400 1 2 3 4 5 6/nm图４ＨＩＴ电池样品开路电压随本征非晶硅层厚度的变化0 1 2 3 4 5 6 70.600.590.580.570.560.55V á/Vt /min图５ＨＩＴ电池样品开路电压随本征外延硅层沉积时间的变化综述２０１３．４Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４６９２３．２完全外延的缓冲层结构Ｃｅｎｔｕｒｉｏｎｉ等［１４］反而认为外延层对电池性能是有益的，他们也提出了优化的新结构，研究了以外延硅薄膜作为缓冲层的电池效率随氢稀释度、温度等的变化，通过工艺优化最终得到了１３．５％效率的ｐ－ａ－ＳｉＨ／ｉ－ｅ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）－Ｓｉ／ｎ－ｃ－Ｓｉ／ｎ＋－ μ ｃ－Ｓｉ／Ａｌ结构的电池。张群芳等［１７－１８］也发现ＨＷＣＶＤ技术生长的外延纳米晶硅缓冲层同样可以改善异质结界面，提高太阳电池性能，通过优化制备得到了效率达１７．３６％的以外延纳米硅薄膜作为缓冲层的ＨＩＴ电池。上面两种电池的结构示意图如图７所示。４结论综上所述，在ＨＩＴ电池中，本征非晶硅薄膜的插入可以有效提升ＨＩＴ电池特性，但对于其最优结构、作用机制有各种不同甚至矛盾的看法。很多学者提出由于外延结构中存在大量缺陷态导致电池的性能下降，但Ｃｅｎｔｕｒｉｏｎｉ和张群芳却都以外延硅作为缓冲层得到了效率较高的ＨＩＴ电池。分析认为，缓冲层中的外延结构不是影响电池性能的关键，而外延结构中的缺陷态密度才是影响电池性能的重要因素。如果外延层中的缺陷密度很高，那么电池的界面处更容易形成复合中心，降低电池的电流密度和填充因子，反之，如果外延层中缺陷态很低，那么这里界面态密度低，加之外延硅薄膜的导电性优于非晶硅薄膜，电池性能反而会有所提升。因此对缓冲层硅薄膜中外延结构的研究与制备工艺的优化，尤其是其中缺陷态的控制，将可能成为实现高效率ＨＩＴ电池的一个突破方向。参考文献［１］刘艳红，刘爱民．带有本征薄层的异质结太阳能电池［Ｊ］．半导体技术，２０１０，３５（１）１－７．［２］亿芯网．三洋电机厚９８ μ 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