高效非晶硅/晶体硅异质结太阳电池超薄钝化层的界面钝化研究

The a-Si/c-Si heterojunction solar cells has attracted wide attention due to its high conversion efficiency and low cost. In this solar cells, the interface passivation between a-Si and c-Si is the key point. However, the passivation mechanism is not clear yet until now. Here, we try to investgate the influnce of c-Si surface to the deposition of passivation layer and then get the passivation mechanism by using VHF-PECVD and surface charge spectroscopy technologies developed by our group. Then the relations between process factors and passivation effect will also studied and one gradual changing passivation layer from SiO to a-Si is planed to improve the property of solar cells. Finally we plan to get the best solar cells with high open voltage (larger than 740mV), larger area (larger than 100cm2) and high effence (higher than 23%). This project will give a clear answer to the passivation mechanism and technology supporting for the high-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cells.

非晶硅/单晶硅异质结太阳电池具有高的转换效率和相对低的制造成本，引起了高度重视和广泛关注。该类电池中晶体硅非晶硅界面缺陷态的钝化是制备高性能电池的关键。然而，由于钝化层的超薄特性（5nm以下），其大面积均匀制备及有效特性表征存在巨大困难，因此到目前为止对其界面钝化机理尚无统一认识，钝化层的质量及钝化效果也有待于进一步提高。本项目拟研究晶体硅表面状态对钝化层沉积的分子动力学影响，结合自主研发出的适合于超薄膜的频率反馈式自调非晶硅VHF-PECVD沉积技术及超薄膜表面荷电能谱测量技术，研究其界面钝化机理。在此基础上分析各工艺参数对钝化层效果的影响，制备氧化硅非晶硅成分递变超薄膜钝化层，最终期望制备出开路电压大于740mV，转换效率超过23%的大面积（≥100cm2）硅基异质结太阳电池。该项目的实施不仅有望攻克一直以来困恼研究者的关键机理问题，而且将对会该类电池效率进一步的提升提供核心技术支持。

非晶硅/晶硅异质结太阳电池具有结构对称、低温工艺、高开路电压、高转换效率以及低温度系数等优势，近年来引起了全世界范围内的广泛关注和研究。澄清非晶硅/晶体硅的界面钝化机理，结合工艺优化实现超高效界面钝化是获得高性能非晶硅/晶硅异质结电池的重要途径。本项目通过建立硅异质结电池理论模型，结合软件模拟揭示了非晶硅/晶硅界面缺陷态密度以及能带结构对太阳电池性能参数的影响规律，并探索了晶体硅表面形貌对非晶硅动力学生长的作用机制；通过界面缺陷态密度数值分析，提出氢及硅原子对界面悬挂键的饱和钝化机制，发展了两步法沉积低损伤、超薄非晶硅钝化层新材料的工艺路线，钝化处理后的硅片少数载流子寿命突破5000μs；通过创新背结结构设计及薄膜沉积条件优化，进一步提升非晶/晶硅界面处钝化能力，电池开路电压突破740mV、填充因子超过80%，达到世界领先水平；通过窗口层薄膜的掺杂改性，重点改善薄膜的光电特性，改善电池光谱响应和载流子输运特性，电池的积分短路电流密度达到40.65mA·cm-2的一流水平。综上所述，通过对非晶硅/晶硅异质结电池界面特性的研究，澄清了非晶硅/晶体硅界面处悬挂键的钝化机制，形成了氢原子对悬挂键的饱和钝化理论，发展了两步法沉积超薄本征非晶硅技术、硅氧合金技术、低损伤/无外延非晶硅薄膜技术、TCO的过渡金属掺杂改性技术，制备出新型含缓冲层结构的低损伤氢化非晶硅薄膜材料、n-a-SiOx合金材料、高光电特性的TCO材料。结合栅线电极图形化设计及相关功能膜层工艺参数改进，全面积（244.5cm2）非晶硅/晶硅异质结太阳能电池的光电转换效率达到25.11%（当前世界纪录）。通过对非晶硅/晶硅异质结太阳电池的工艺制备流程总结并进行产业化推广，合作单位实现了120MW异质结太阳电池生产线投产，实现了超高效SHJ电池从研发到量产的成果转化，有效提升了我国在光伏领域的自主创新能力及影响力。