張博宇 周佳凱 任程超 蘇祥林 任慧志 趙穎 張曉丹 侯國(guó)付?

1)(南開(kāi)大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所,天津 300350)

2)(天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

3)(薄膜光電子技術(shù)教育部工程研究中心,天津 300350)

4)(天津市中歐太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研究中心,天津 300350)

本征鈍化層及p 型發(fā)射層對(duì)硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的性能具有重要的影響.本文在常規(guī)鈍化層與晶硅襯底(c-Si)之間插入一層低功率、高氫稀釋比沉積的超薄緩沖層,以此來(lái)提高鈍化效果,并拓寬鈍化層工藝窗口.此外,設(shè)計(jì)并制備了具有寬帶隙、高電導(dǎo)特性的重?fù)诫s納米晶硅/輕摻雜p 型雙層復(fù)合發(fā)射極.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙層鈍化層具有更加穩(wěn)定與優(yōu)異的鈍化效果,鈍化樣品的少子壽命達(dá)到4.197 ms,隱含開(kāi)路電壓(implied-VOC,iVOC)達(dá)到726 mV.同時(shí)雙層復(fù)合發(fā)射層中,輕摻雜的摻雜層可以減弱摻雜劑向本征鈍化層的擴(kuò)散,保證良好的鈍化效果,而重?fù)诫s的摻雜層不僅能夠提供足夠的內(nèi)建電場(chǎng),而且可以改善摻雜層與氧化銦錫薄膜的接觸特性,進(jìn)而提升電池的輸出特性.并且高氫稀釋比的前摻雜層還可以對(duì)鈍化層起到氫處理的作用,減少鈍化層表面的懸掛鍵,從而增強(qiáng)化學(xué)鈍化效果,進(jìn)而提高電池的開(kāi)路電壓.最終,基于商業(yè)化制絨的硅片,獲得了效率達(dá)到20.96%的硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池,其中開(kāi)路電壓為710 mV,短路電流密度為39.88 mA/cm2,填充因子為74.02%.

1 引 言

晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池(silicon heterojuncion solar cells,SHJ)因?yàn)榫邆涓咝业统杀镜膬?yōu)點(diǎn)而倍受?chē)?guó)際光伏市場(chǎng)的關(guān)注[1?3].2017 年,Yoshikawa 等[4]使用交叉指式背接觸技術(shù)的電池結(jié)構(gòu),使器件的最終轉(zhuǎn)換效率達(dá)到26.63%,創(chuàng)造了該結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的世界紀(jì)錄,并且通過(guò)理論分析得出晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的理論極限效率為 29.1%.由于SHJ 電池的非晶硅/晶體硅(a-Si:H/c-Si)界面質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)電池的性能參數(shù)具有關(guān)鍵的影響,SHJ 電池高的開(kāi)路電壓的實(shí)現(xiàn),依賴于氫化本征非晶硅(i-a-Si:H)組成的鈍化層,通過(guò)H 原子飽和c-Si 表面的懸掛鍵,降低光生載流子在界面處的復(fù)合和界面態(tài)密度.但由于i-a-Si:H 通常需要較薄的厚度,最佳的沉積條件為接近于產(chǎn)生外延生長(zhǎng)的條件[5?7].過(guò)厚的i-a-Si:H 也會(huì)造成寄生吸收,從而降低電池的短路電流密度[8,9].因而i-a-Si:H 薄膜可調(diào)控的窗口相對(duì)較窄,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)制備中較難控制.2015 年,Paviet-Salomon 等[10]通過(guò)較高微結(jié)構(gòu)因子的本征層鈍化,在270 μm 硅片上得到的少子壽命大于30 ms,并通過(guò)在圖形化的n 型納米晶硅(n-nc-Si:H)上生長(zhǎng)全面覆蓋的p 型納米晶硅(p-nc-Si:H),最終得到了24.42%的效率.2020 年,Ru 等[11]使用低速生長(zhǎng)的超薄本征緩沖層提高鈍化效果,在244.45 cm2面積上的電池效率達(dá)到25.11%,為整硅片大面積SHJ 異質(zhì)結(jié)電池的世界紀(jì)錄.2009 年,Wu 等[12]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)熱絲化學(xué)氣相沉積摻雜層后,由于高反應(yīng)性的氫原子擴(kuò)散,i-a-Si:H的鈍化效果得到有效改善,使用低致密度的i-a-Si:H 更有助于該現(xiàn)象的產(chǎn)生,通過(guò)沉積較低致密度的i-a-Si:H 以及后續(xù)工藝改善鈍化效果,最終在硅片(156 mm × 156 mm)上實(shí)現(xiàn)了741 mV的高開(kāi)壓以及23.0%的轉(zhuǎn)換效率.

此外,電池的p 型發(fā)射層作為構(gòu)成SHJ 電池的重要組成部分之一,必須具有足夠的導(dǎo)電性與透光性,以及滿足能帶匹配等方面的要求;更重要的是,p 型的沉積不能影響i-a-Si:H的微結(jié)構(gòu)特性,確保a-Si:H/c-Si 界面的鈍化效果不會(huì)受到影響[13?16].2018 年,Boccard 等[17]在i-a-Si:H 和p-nc-Si:H 界面處加入CO2等離子體處理,從而提高p-nc-Si:H的晶化率,經(jīng)過(guò)該處理的電池得到了21.5%的效率.同年,德國(guó)于利希研究中心的Richter 等[18]探究了不同生長(zhǎng)條件下n,p 摻雜硅氧材料的折射率與光學(xué)帶隙等特性,并且分別使用n 型納米晶硅氧(n-nc-SiOx:H)和p 型納米晶硅氧(p-nc-SiOx:H)作為前后摻雜層,獲得效率為21.4%的SHJ 電池.2020 年,中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所通過(guò)三步后摻雜法提高催化化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的p 型摻雜層的摻雜濃度,觀察到氫原子的擴(kuò)散有利于下方本征層的氫含量增加,并且提高了p 型摻雜層的摻雜濃度,增加了場(chǎng)效應(yīng)鈍化的效果,電池效率提升到22.18%[19].

本文首先研究在c-Si 與常規(guī)鈍化層之間引入超薄的i-a-Si:H 緩沖層,用于提高鈍化效果,同時(shí)擴(kuò)展鈍化的工藝窗口;然后提出一種雙層結(jié)構(gòu)的發(fā)射極,即在p-nc-Si:H 薄膜的上面再沉積一層重?fù)诫s的p 型摻雜層,用于降低摻雜層與透明導(dǎo)電玻璃(ITO)之間的接觸電阻,提高SHJ 電池的整體性能.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 雙層鈍化層的制備

超薄緩沖層的制備.實(shí)驗(yàn)采用n 型(100)晶向直拉(Cz)切割硅片為襯底,電阻率為1.5—7.0 Ω·cm,厚度為180 μm.通過(guò)等離子體化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)系統(tǒng)制備薄膜,具體參數(shù)為:氫稀釋比(H2∶SiH4)RH=140∶20,功率為1 W,襯底溫度為160 ℃,極板間距為20 mm.

常規(guī)鈍化層的制備.在緩沖層上沉積常規(guī)鈍化層,工藝參數(shù)為:氫稀釋比RH=110∶20,功率為4 W,襯底溫度為160 ℃,極板間距為20 mm.含雙層鈍化層的SHJ 電池結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.

2.2 雙層p 型發(fā)射極的制備

前摻雜層的制備.采用PECVD,硅烷∶氫氣∶三甲基硼(SiH4∶H2∶TMB)=4∶400∶1.2,沉積功率為10 W,極板間距為20 mm,沉積厚度為13 nm.

后摻雜層的制備.采用PECVD,硅烷∶氫氣∶三甲基硼(SiH4∶H2∶TMB)=4∶200∶4.8,沉積功率為10 W,極板間距為20 mm,沉積厚度為5 nm.含雙層發(fā)射極的SHJ 電池結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.

圖1 (a)含雙層鈍化層的SHJ 電池示意圖;(b)含雙層發(fā)射極的SHJ 電池示意圖Fig.1.(a) Schematic diagram of the SHJ solar cell with the double passivation layer;(b) schematic diagram of the SHJ solar cell with the double emitting layer.

2.3 性能測(cè)試與表征

不同硅薄膜生長(zhǎng)厚度由ET200 臺(tái)階儀獲得.原子力顯微鏡測(cè)試薄膜表面粗糙度.拉曼光譜儀用來(lái)測(cè)試所制備硅薄膜的結(jié)晶程度.硅薄膜電導(dǎo)率由共面光暗電導(dǎo)率測(cè)試獲得.硅薄膜載流子濃度由霍爾測(cè)試獲得.硅薄膜激活能由激活能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)獲得.樣品少數(shù)載流子壽命由WCT-120 型少數(shù)載流子壽命測(cè)試儀獲得.硅薄膜材料微結(jié)構(gòu)特性由傅里葉變換紅外光譜測(cè)試(Fourier transform infrared,FTIR)獲得.SHJ 電池外量子效率(external quantum efficiency,EQE)由QEX10 型太陽(yáng)電池量子效率測(cè)試系統(tǒng)獲得.所有電池樣品由雙光源太陽(yáng)模擬器(WXS-156S-L2,AM1.5GMM)在室溫25 ℃、功率密度為100 mW/cm2的條件下進(jìn)行測(cè)試.

3 結(jié)果與討論

3.1 雙層鈍化層對(duì)SHJ 太陽(yáng)電池的影響

對(duì)單層鈍化層改變氫稀釋比進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖2 為不同氫稀釋比的單層鈍化層在inip 結(jié)構(gòu)上的少子壽命與隱含開(kāi)路電壓(implied-VOC,iVOC)的變化情況.

圖2 不同氫稀釋比的單層鈍化層的少子壽命和iVOC的變化趨勢(shì)Fig.2.Minority carrier lifetime and variation trend of iVOC in single passivation layer with different hydrogen dilution ratio.

由圖2 可知,單層鈍化層最佳少子壽命為2.2 ms,但是當(dāng)氫稀釋比高于4 時(shí),少子壽命下降明顯,這是由于鈍化層發(fā)生外延導(dǎo)致鈍化質(zhì)量惡化,因?yàn)橥庋庸柚械臍浜渴欠蔷Ч柚械?/100—1/30,較低的氫含量導(dǎo)致無(wú)法獲得好的鈍化結(jié)果,另外,外延硅中含有較多的與團(tuán)簇氫相關(guān)的缺陷,這對(duì)電池性能造成不利影響.

由于單層鈍化層沉積過(guò)程中容易發(fā)生外延現(xiàn)象,導(dǎo)致所能調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)窗口過(guò)窄,很大程度上限制了硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能的提高[20,21],為了有效防止外延,提高鈍化層性能,拓寬實(shí)驗(yàn)窗口,在鈍化層與c-Si 之間插入一層超薄的緩沖層,研究了雙層鈍化層對(duì)鈍化效果的影響.

3.1.1 緩沖層對(duì)鈍化效果的影響

將低功率高氫稀釋比(1 W,RH=140∶20)的緩沖層與常規(guī)鈍化層做了FTIR 圖譜測(cè)試,并對(duì)圖譜進(jìn)行了分峰處理,如圖3 所示.

圖3 (a)常規(guī)鈍化層的FTIR 圖;(b)緩沖層的FTIR 圖譜Fig.3.FTIR spectra of(a) conventional passivation layers and(b) buffer passivation layers.

從圖3 可以看出,低功率高氫稀釋比的緩沖層中,二氫化物(Si—H2)鍵的占比明顯比常規(guī)鈍化層多.一般來(lái)說(shuō),具有較低微觀結(jié)構(gòu)因子(R)的高質(zhì)量i-a-Si:H 材料有利于SHJ 太陽(yáng)電池的性能,然而,在PECVD 過(guò)程中,a-Si:H/c-Si 界面的外延生長(zhǎng)不利于表面鈍化[9,22].盡管存在缺陷,但是富氫的緩沖層仍有希望通過(guò)形成突變的a-Si:H/c-Si 界面來(lái)改善鈍化,其原因?yàn)樵?PECVD 工藝中,在低沉積速率條件下,可以更有效地飽和硅懸掛鍵,并盡可能減緩界面外延生長(zhǎng).同時(shí)由于緩沖層具有很高的氫稀釋比,而且結(jié)構(gòu)疏松,所以Si—H2鍵占據(jù)了主導(dǎo)地位.盡管這與以往對(duì)鈍化層最佳效果的認(rèn)知有很大不同,但是因?yàn)榫彌_層的超薄特性,以及在后續(xù)鈍化層的沉積過(guò)程中,Si—H2鍵斷裂,從而釋放出更多的氫來(lái)飽和界面的懸掛鍵,從而達(dá)到了提高少數(shù)載流子壽命、增強(qiáng)鈍化效果的目的.

低功率高氫稀釋比的緩沖層中Si—H2鍵過(guò)多,當(dāng)緩沖層厚度增加時(shí),過(guò)多的缺陷會(huì)使得鈍化效果無(wú)法得到優(yōu)化,因此緩沖層的厚度至關(guān)重要,圖4給出了不同厚度緩沖層對(duì)少子壽命和iVOC的影響.可以看出,緩沖層厚度在0.4—1 nm 之間時(shí),少子壽命穩(wěn)定在3 ms 左右,說(shuō)明緩沖層對(duì)鈍化性能起到改善作用,當(dāng)緩沖層厚度超過(guò)1 nm 后,少子壽命與iVOC有很大的下降,這表明疏松的緩沖層已經(jīng)影響到整體鈍化層的性能,而因?yàn)榈凸β示彌_層的存在,后續(xù)沉積的鈍化層的外延性大大降低,鈍化層優(yōu)化的條件相較之前有了擴(kuò)寬.

圖4 不同厚度緩沖層的少子壽命和iVOC的變化趨勢(shì)Fig.4.Minority carrier lifetime and iVOC of samples with different thicknesses of buffer layer.

3.1.2 常規(guī)鈍化層對(duì)鈍化效果的影響

為了獲得更好的鈍化性能,在緩沖層厚度為1 nm的基礎(chǔ)上對(duì)常規(guī)鈍化層氫稀釋比進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化,氫稀釋比從RH=80∶20 增加到RH=120∶20,整體鈍化層厚度保持一致,為5 nm[23].圖5 為增加常規(guī)鈍化層氫稀釋比對(duì)少子壽命與iVOC的影響.可以看出,氫稀釋比在RH=80∶20—110∶20范圍內(nèi)均有良好的鈍化效果,因?yàn)榈凸β示彌_層的加入為i-a-Si:H 提供了保護(hù)層,同時(shí)由于緩沖層是低功率的,可以有效地飽和懸掛鍵,所以與c-Si 接觸的地方很難形成外延,并且低功率的緩沖層對(duì)c-Si 襯底的轟擊更小,對(duì)于常規(guī)鈍化層來(lái)說(shuō),雙層鈍化層能夠拓寬鈍化工藝的窗口.

圖5 不同氫稀釋比的雙層鈍化層的少子壽命與iVOC的變化趨勢(shì)Fig.5.Minority carrier lifetimes and iVOC of samples of double passivation layer for different hydrogen dilution ratio.

為了驗(yàn)證雙層鈍化層的可重復(fù)性,同時(shí)與常規(guī)鈍化層進(jìn)行對(duì)比,采用常規(guī)單層鈍化層與雙層鈍化層在inip 結(jié)構(gòu)上各做了10 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.圖6 為兩種不同鈍化層的少子壽命的箱線圖,可以明顯地看出,采用單鈍化層時(shí)的樣品鈍化壽命多數(shù)不超過(guò)2.5 ms,而采用雙鈍化層的樣品鈍化壽命多數(shù)超過(guò)3.5 ms,這說(shuō)明低功率緩沖層可以很好地抑制外延的發(fā)生,而且該低功率緩沖層對(duì)鈍化層實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性也起到重要的作用.當(dāng)常規(guī)鈍化層的氫稀釋比RH=110∶20 時(shí),鈍化效果最好,并且具有很好的可重復(fù)性.

圖6 雙層鈍化層與單層鈍化層的少子壽命箱線圖Fig.6.Minority carrier lifetimes of samples with double passivation layers or single passivation layers.

3.2 雙層發(fā)射層對(duì)SHJ 太陽(yáng)電池的影響

3.2.1 前摻雜層對(duì)SHJ 太陽(yáng)電池的影響

發(fā)射極過(guò)高的摻雜會(huì)帶來(lái)更多的缺陷,使懸掛鍵數(shù)量與自由載流子濃度增加[24?26],因此我們采用輕摻雜的p-nc-Si:H 作為發(fā)射極的前摻雜層.首先為了獲得更接近實(shí)際SHJ 電池中發(fā)射極的電學(xué)性能,在玻璃上沉積厚度5 nm的 i-a-Si:H,再沉積15 nm的p 型摻雜層,然后進(jìn)行相應(yīng)的電學(xué)測(cè)試.圖7 所示為p 型摻雜層載流子濃度、電導(dǎo)率與激活能隨摻雜量的變化.

圖7 不同摻雜量的p 型摻雜層的載流子濃度、電導(dǎo)率以及激活能Fig.7.Carrier density,conductivity and activation energy of p-type layers with different TMB flow rate.

從圖7 可以看出,當(dāng)TMB的流量從0.8 sccm(1 sccm=1 mL/min)增至1.2 sccm 時(shí),電導(dǎo)率從0.089 S/cm 上升至0.175 S/cm,激活能從0.16 eV下降至0.07 eV,載流子濃度從1.42 × 1018cm–3上升至6.75 × 1018cm–3,而當(dāng)TMB 流量繼續(xù)增加時(shí),電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯下降,激活能上升至0.11 eV,載流子濃度下降至1.24 × 1018cm–3.為進(jìn)一步驗(yàn)證,對(duì)不同摻雜量的p 型摻雜層進(jìn)行了拉曼測(cè)試,如圖8 所示.

從圖8 可以看出,TMB 摻雜流量在1.2 sccm之前,結(jié)晶率基本持平,而當(dāng)超過(guò)1.2 sccm 時(shí),薄膜結(jié)晶度下降明顯,原因是摻雜量的增加使得缺陷增加,同時(shí)硼抑制晶化作用進(jìn)一步加強(qiáng),結(jié)晶度下降從而導(dǎo)致電導(dǎo)率、載流子濃度下降以及激活能上升[27].

將上述不同摻雜量的p 型摻雜層作為SHJ 電池的發(fā)射極,并對(duì)相應(yīng)電池的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖9 所示.從圖9 可以看出,當(dāng)p 型摻雜層的摻雜流量從0.8 sccm 提升至1.2 sccm 時(shí),開(kāi)路電壓(VOC)從705 mV 提升至710 mV,說(shuō)明摻雜量的提高使得摻雜層與襯底之間的能帶彎曲增加,而填充因子(FF)從62.07%提升至64.35%,這歸因于摻雜量的提高減小了接觸電阻[28,29].而當(dāng)摻雜流量繼續(xù)上升時(shí),電池性能出現(xiàn)下降,尤其是VOC,這是因?yàn)檫^(guò)高的摻雜流量使得p 型摻雜層出現(xiàn)過(guò)多的缺陷,摻雜效率降低,導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,發(fā)射極無(wú)法在c-Si 表面產(chǎn)生足夠的能帶彎曲,同時(shí)過(guò)高的摻雜會(huì)增加懸掛鍵密度,從而降低了鈍化效果[16,30].得到的最佳條件為H2∶SiH4∶TMB=400∶4∶1.2,此時(shí)電池效率達(dá)到最高.

圖9 SHJ 電池性能參數(shù)隨p 型摻雜層的摻雜量的變化 (a) VOC;(b) FF;(c) Jsc;(d) EffFig.9.J -V parameters of SHJ solar cells with different TMB flow rates in p-type layers:(a) VOC;(b) FF;(c) Jsc;(d) Eff.

3.2.2 后摻雜層對(duì)SHJ 太陽(yáng)電池的影響

通過(guò)前面對(duì)前摻雜層的優(yōu)化,獲得了初始效率(Eff)達(dá)到17.65%的SHJ 太陽(yáng)電池,為了進(jìn)一步獲得更大的內(nèi)建電勢(shì)以實(shí)現(xiàn)有效的電子-空穴分離,且與ITO 有良好的接觸,使得FF與電池效率得到提升[13],在前述前摻雜層的基礎(chǔ)上,提出如圖1(b)所示的雙層發(fā)射極,也就是在p/ITO 之間加入一層重?fù)诫s的p 型摻雜層(p++-nc-Si:H).

為了保證p++-nc-Si:H的摻雜效率,從氫稀釋比與摻雜量?jī)煞矫鎭?lái)進(jìn)行優(yōu)化.重?fù)诫s層采用不同氫稀釋比時(shí)相應(yīng)的器件性能參數(shù)見(jiàn)表1.在最優(yōu)氫稀釋比下不同摻雜量相應(yīng)的器件性能參數(shù)如表2所列.由表1 可知,氫稀釋比的增加使得電池的效率先增后減,其中VOC基本沒(méi)有變化,JSC略有上升,而FF提升明顯,說(shuō)明氫稀釋比的增加使得摻雜效率上升,重?fù)诫s改善了ITO 與p 型摻雜層的接觸,載流子傳輸特性增強(qiáng),因此FF顯著增加,但是過(guò)高的氫稀釋比使得重?fù)诫s層生長(zhǎng)速度減慢,大量的氫氣流量會(huì)對(duì)前摻雜層造成刻蝕,這是當(dāng)氫稀釋比RH>60 以后,FF下降的原因.表2 是在最佳氫稀釋比的基礎(chǔ)上增加摻雜量,可以看出,TMB流量增加至4.8 sccm 時(shí),FF與JSC都有小幅度提升,這是因?yàn)閾诫s量的增加使得能帶進(jìn)一步彎曲,增加了少數(shù)載流子的隧穿,同時(shí)增大了內(nèi)建電場(chǎng),降低了p/ITO 之間的接觸電阻,而當(dāng)流量增加至5.6 sccm 以上時(shí),FF從71.86%下降至63.20%,說(shuō)明過(guò)高的摻雜使摻雜效率降低,過(guò)多的缺陷使得接觸電阻增加,從而導(dǎo)致FF的大幅度下降[31,32].

表1 重?fù)诫s層不同氫稀釋比的電池具體參數(shù)Table 1. J -V parameters of SHJ solar cells with different hydrogen dilution ratio in the p++-nc-Si:H layer.

表2 重?fù)诫s層不同摻雜量的電池具體參數(shù)Table 2. J -V parameters of SHJ solar cells with different TMB flow rate in the p++-nc-Si:H layer.

為了研究雙層p 型發(fā)射極有效提升電池性能的原因,制備出p-nc-Si:H 和 p-nc-Si:H/p++-nc-Si:H(重?fù)诫s)兩種發(fā)射極材料作為對(duì)比,兩種材料的厚度均控制為15 nm,測(cè)試了兩種不同材料的電導(dǎo)率以及載流子濃度,測(cè)得單層發(fā)射極的電導(dǎo)率為0.175 S/cm,載流子濃度為6.75 × 1018/cm3,略低于雙層發(fā)射極的電導(dǎo)率0.402 S/cm,載流子濃度2.91 × 1019/cm3,說(shuō)明重?fù)诫s層對(duì)材料的電學(xué)性能起到了有益的效果,同時(shí)因?yàn)槌练ep++-nc-Si:H的氫稀釋比較低,為確保整體材料的結(jié)晶度,對(duì)兩種材料的結(jié)晶度進(jìn)行了Raman 圖譜的測(cè)試,結(jié)果如圖10 所示.可以看出,雙層p 型發(fā)射極的結(jié)晶度要略高于單層p 型發(fā)射極的結(jié)晶度,說(shuō)明在p-nc-Si:H 上沉積的p++-nc-Si:H 雖然氫稀釋比較低,但是由于生長(zhǎng)在p-nc-Si:H 上,使得薄膜更易結(jié)晶.

圖10 兩種不同材料的p 型摻雜層的Raman 圖譜Fig.10.Raman spectra of single-layer emitter and doublelayer emitter.

將這兩種不同的發(fā)射極應(yīng)用在SHJ 電池,結(jié)果見(jiàn)圖11.可以看出,雙層p 型發(fā)射極的JSC和FF都要高于單層p 型發(fā)射極,填充因子從64.35%提升至71.86%,原因在于雙層的p 型發(fā)射極改善了與ITO的接觸,增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)載流子的遷移能力,并且重?fù)诫s的p 型摻雜層具有較高的摻雜濃度和較高的費(fèi)米能級(jí),改善了ITO/p的接觸特性.同時(shí)EQE 小幅度上升,且在短波段最為明顯,因?yàn)楣夥骷?duì)短波的吸收主要集中在窗口層,而對(duì)長(zhǎng)波的吸收則集中在硅片上,當(dāng)表面窗口層的摻雜濃度為梯度摻雜時(shí),通過(guò)表面的短波光越多,短波光被c-Si 硅片層吸收,導(dǎo)致光子被轉(zhuǎn)換成更多的載流子[33].光吸收的增強(qiáng)提高了載流子的利用效率,從而有利于提高電池的電流密度.

圖11 不同p 型發(fā)射極對(duì)應(yīng)的SHJ 電池 (a) J -V 特性曲線;(b) EQE 曲線Fig.11.(a) J -V curves and(b) EQE curves of SHJ solar cells with different p-type emitters.

采用本文提出的雙層鈍化層來(lái)提高鈍化性能,雙層發(fā)射極來(lái)提高接觸效果,最終獲得了最高效率為20.96%的SHJ 太陽(yáng)電池,其中VOC為710 mV,JSC為39.88 mA/cm2,FF為74.02%.

為了驗(yàn)證雙層發(fā)射極優(yōu)化器件性能的可重復(fù)性,對(duì)雙層發(fā)射極電池與單層發(fā)射極電池進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,圖12 為10 組不同發(fā)射極結(jié)構(gòu)的SHJ太陽(yáng)電池的光伏參數(shù).可以看出,雙層發(fā)射極結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池JSC平均值在39.25 mA/cm2左右,VOC平均值在708 mV 左右,FF平均值在73%左右,均高于單層結(jié)構(gòu)的SHJ 電池.

圖12 雙層發(fā)射級(jí)SHJ 電池與單層發(fā)射極SHJ 電池的J -V 參數(shù)箱線圖Fig.12.Illuminate J -V parameters of SHJ solar cells with double emitter layer and single layer emitter.

4 結(jié) 論

為改善SHJ 電池的鈍化效果和填充因子,需要優(yōu)化鈍化層與發(fā)射極的工藝,本文圍繞雙層鈍化層和雙層發(fā)射極兩方面對(duì)提升SHJ 電池性能展開(kāi)了研究.結(jié)果表明,加入緩沖層后,鈍化層少子壽命明顯提高,同時(shí)工藝窗口也有一定擴(kuò)寬.此外,輕摻雜的p-nc-Si:H 可以減弱摻雜劑向本征鈍化層的擴(kuò)散,保證良好的鈍化效果,同時(shí)重?fù)诫s的p++-nc-Si:H 可以提供足夠的內(nèi)建電場(chǎng),并改善p/ITO的接觸特性,雙層發(fā)射極獲得了更高的SHJ 電池效率.采用本文提出的雙層鈍化層和雙層發(fā)射極,在商業(yè)化制絨的硅片上獲得了效率達(dá)到20.96%的硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池.