SHJ電池用單晶硅絨面織構(gòu)及界面鈍化工藝研究

杜 鵬，張軍芳，劉建曉，李 輝，薛俊明

SHJ電池用單晶硅絨面織構(gòu)及界面鈍化工藝研究

杜 鵬1a，張軍芳1b，劉建曉1a，李 輝1a，薛俊明2

（1. 衡水學(xué)院 a. 電子信息工程學(xué)院；b. 數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000；2. 河北漢盛光電科技有限公司，河北 衡水 053000）

采用（100）晶向N型拋光單晶硅襯底，研究氫氧化鈉與IPA混合溶液體系對單晶硅片各向異性腐蝕過程，通過優(yōu)化氫氧化鈉質(zhì)量濃度、IPA體積含量、溶液溫度和腐蝕時間等影響參量，制備出反射率10.65%的金字塔絨面結(jié)構(gòu)；采用PECVD沉積技術(shù)制備非晶硅鈍化層，優(yōu)化硅烷沉積濃度，在6%的硅烷濃度下制備出光敏性在105非晶硅鈍化層，硅片少子壽命為951 μs。利用上述優(yōu)化參數(shù)，制備出開路電壓（oc）為0.64 V，電池效率為16.89%的SHJ太陽能電池。

各向異性；絨面；少子壽命；鈍化層

現(xiàn)階段，關(guān)于異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究已經(jīng)由實驗階段進(jìn)入量產(chǎn)階段，高效率、高穩(wěn)定性、低溫度系數(shù)是各機(jī)構(gòu)和公司研究的重點。晶體硅異質(zhì)結(jié)電池（SHJ電池）結(jié)合了薄膜硅和晶體硅兩方面的性能和工藝優(yōu)勢，根據(jù)諸多研究結(jié)構(gòu)[1-6]對SHJ電池研究的方法和測試結(jié)果，陷光結(jié)構(gòu)和鈍化層工藝均為SHJ電池效率的決定性工藝之一。單晶硅絨面結(jié)構(gòu)能夠增加光程，提升光生載流子的數(shù)量；薄膜硅鈍化層能夠降低硅片表面的懸掛鍵數(shù)量，降低載流子在硅片表面的復(fù)合速率，從而提升SHJ電池的光學(xué)性能和電學(xué)性能。

根據(jù)上述研究思路，以（100）晶向N型拋光單晶硅為襯底材料，利用濕法化學(xué)腐蝕工藝制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)。利用等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）低溫沉積工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)，制備薄膜硅鈍化層，研究相關(guān)的制備工藝參數(shù)及對SHJ電池性能的影響。

1 實驗

實驗分為兩部分。第一部分為濕法化學(xué)腐蝕制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)。實驗材料選用（100）晶向區(qū)熔N型單晶硅片，電阻率為1～3·cm，取整片（125×125 mm2）的1/4作為實驗原材料。實驗步驟：1）硅片清洗。先后采用分析純丙酮和酒精進(jìn)行超聲清洗，去除硅片表面有機(jī)雜質(zhì)。2）去除硅片表面損傷層。采用80 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉（NaOH）溶液去除表面損傷層，恒溫裝置采用恒溫水浴鍋，反應(yīng)時間120 s。3）絨面織構(gòu)化。改變?nèi)芤簻囟龋?0～90 ℃）、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)（范圍0.25%～1.5%）、異丙醇（IPA）體積分?jǐn)?shù)（1%～6%）和復(fù)合型添加劑配制各制絨溶液，利用各向異性原理制備絨面結(jié)構(gòu)。實驗采用控制變量法，在前人實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上首先研究絨面制備溫度參數(shù)，確定好溫度參數(shù)后，再研究氫氧化鈉含量對絨面結(jié)構(gòu)的影響，實驗反復(fù)進(jìn)行多次，依次確定IPA參數(shù)和腐蝕時間的優(yōu)化參數(shù)。4）絨面反射率測定和形貌測試。利用紫外可見光分光光度計（7-SCSPEC太陽能電池光譜性能測試系統(tǒng)）測試絨面反射率，利用德國卡爾蔡司SUPERTM 55VP場發(fā)射掃描電鏡觀察絨面形貌。

第二部分為薄膜硅材料的制備工藝探究。實驗采用RF-PECVD沉積工藝，以高純硅烷（SiH4）和氫氣（H2）為反應(yīng)氣體，制備了一系列不同硅烷濃度的氫化本征硅薄膜。實驗控制氣體總流量100 mL/min，沉積壓強(qiáng)40～100 Pa，功率密度10～30 mW/cm2襯底溫度100～200℃，硅烷與氫氣比例變化范圍在4%～10%。本征薄膜硅襯底材料選用康寧（Corning）7095玻璃和上述第一部分實驗制備的絨面單晶硅片分別研究光學(xué)特性和電學(xué)特性，薄膜沉積厚度分別在250 nm和10 nm左右。薄膜樣品厚度利用反射計薄膜厚度測量系統(tǒng)（Anstrom Sun Technologies Inc.）測量，利用微波光電導(dǎo)壽命測試儀測試硅片的少子壽命。HIT電池采用Al/ITO/a-Si:H(P)/a-Si:H(I)/c-Si(N)/Al，透明導(dǎo)電膜（ITO）薄膜采用磁控濺射工藝制備，Al薄膜采用蒸發(fā)工藝制備，電池光態(tài)J-V曲線在室溫下采用AM1.5，100 mW/cm2的光照條件測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 單晶硅絨面結(jié)構(gòu)制備工藝

鑒于晶硅絨面結(jié)構(gòu)的好壞直接影響電池對光的有效吸收，故此制備高吸收率、低反射率的絨面結(jié)構(gòu)是電池制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。實驗通過調(diào)整硅片與溶液的反應(yīng)溫度，物質(zhì)濃度（氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，IPA體積比）、反應(yīng)時間等工藝參數(shù)測試不同條件下物質(zhì)的反射率以此確定反應(yīng)的工藝參數(shù)。圖1為硅片表面反射率隨溫度參數(shù)變化曲線。隨著溶液溫度的升高，硅片反射率先降低后升高，溶液溫度在80 ℃時具有最低的反射率，反射率為10.65%。依據(jù)反射率的高低和絨面結(jié)構(gòu)的關(guān)系判斷，在溶液溫度為80 ℃時織構(gòu)化效果明顯，絨面金字塔結(jié)構(gòu)最好。溫度過低，參與反應(yīng)的物質(zhì)活性低，制備時間加長，金字塔結(jié)構(gòu)不明顯；溫度過高，溶液中IPA揮發(fā)性強(qiáng)，導(dǎo)致物質(zhì)含量降低，金字塔絨面效果不理想。

在高溫下，單晶硅表面與堿溶液發(fā)生以下反應(yīng)：Si+2OH-+H2O=SiO32-+H2↑。實驗采用80 ℃的溶液溫度，調(diào)整NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，繪制出硅片表面反射率與NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線，見圖2。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示隨著NaOH含量的變化，硅片表面的反射率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。其原因是隨著NaOH含量的增加，溶液與硅片化學(xué)反應(yīng)的速度加快，相同時間內(nèi)，織構(gòu)化效果明顯，金字塔體積變大，反射率降低；當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%后，NaOH對以后硅片的腐蝕力度進(jìn)一步加強(qiáng)[3]，原先生成的金字塔結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步腐蝕，各項異性因子變小，表面反射率升高。

圖1 硅片表面反射率與溶液溫度關(guān)系曲線

圖2 硅片表面反射率與NaOH含量關(guān)系曲線

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氫氧化鈉繼續(xù)優(yōu)化IPA工藝參數(shù)。圖3為硅片表面發(fā)射率隨IPA體積含量的變化曲線。實驗結(jié)果顯示，隨著IPA含量的增加，硅片表面反射率先降低后升高。主要原因是反應(yīng)初期IPA能夠降低溶液界面張力，硅片表面潤濕效果增加，促進(jìn)了氫氧化鈉與硅片表面化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，腐蝕過強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速率增加，此時硅片表面金字塔形狀不明顯，硅片表面反射率較高[5]；當(dāng)IPA體積含量為4%時，反應(yīng)生成的Na2SiO3含量繼續(xù)增加，溶液濃度增大，反應(yīng)速率下降，硅片表面織構(gòu)化效果最好，反射率最低；隨著IPA含量的繼續(xù)增加，過多的Na2SiO3阻礙反應(yīng)物的移動，影響了金字塔絨面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致反射率上升。

圖3 硅片表面反射率與IPA體積含量關(guān)系曲線

圖4為反應(yīng)時間對硅片反射率的變化圖線，根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)的探討，實驗采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液，體積分?jǐn)?shù)4%的IPA，腐蝕溶液溫度恒定80 ℃，加入體積分?jǐn)?shù)0.3%的緩沖劑，反應(yīng)時間控制在10～20 min。隨著反應(yīng)時間的進(jìn)行，單晶硅表面反射率先減低后增加再降低的變化規(guī)律。最初反應(yīng)時間較短時（小于12.5 min），反應(yīng)物質(zhì)濃度較高，相對于最初原始硅片的反射率降低；當(dāng)反應(yīng)時間在12.5～16 min時，單晶硅片（100）晶向生長速率占據(jù)主導(dǎo)地位，金字塔絨面結(jié)構(gòu)不明顯，反射率相比前段時間升高；當(dāng)腐蝕時間大于16 min時，主反應(yīng)物質(zhì)NaOH濃度降低，成核速率占據(jù)主導(dǎo)地位，金字塔絨面結(jié)構(gòu)明顯，反射率呈現(xiàn)降低，最終趨于穩(wěn)定的狀態(tài)[7]。

圖4 硅片表面反射率與腐蝕時間關(guān)系曲線

結(jié)合上述制備工藝條件優(yōu)化參數(shù)后，最終制備出反射率在10.65%，金字塔基底寬度為2～4 μm適用于SHJ太陽能電池的絨面結(jié)構(gòu)，圖5為金字塔絨面結(jié)構(gòu)SEM圖。

圖5 單晶硅片SEM絨面圖

2.2 非晶硅鈍化層制備工藝

硅片的少子壽命是表征界面態(tài)最直接有效的參數(shù)，為了探究硅片少子壽命與SHJ電池的關(guān)系，實驗采用不同硅烷濃度的本征層薄膜。表格1為制備非晶硅本征鈍化層工藝參數(shù)。通過調(diào)整工藝參數(shù)，繪制出少子壽命對與硅烷濃度的關(guān)系曲線，見圖6。圖6顯示隨著硅烷濃度的提升，硅片少子壽命呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)硅烷與氫氣比為6%時，此時具有最高的少子壽命（=951 μs）。當(dāng)比例降低時，本征層薄膜結(jié)構(gòu)由非晶硅轉(zhuǎn)向納米晶硅薄膜結(jié)構(gòu)，高氫稀釋比會導(dǎo)致硅外延層的生長，從而降低鈍化性能。當(dāng)硅烷與氫氣比在6%時，氫稀釋率降低，制備出的非晶材料的缺陷態(tài)增加，材料致密度降低，鈍化性能減弱[8-9]。

表1 非晶硅鈍化層制備工藝參數(shù)

圖6 硅烷濃度與少子壽命的關(guān)系曲線

2.3 SHJ太陽能電池制備

實驗以不同硅烷比例制備本征硅薄膜做鈍化層，并采用上述材料制備出了一系列a-Si:H/c-Si SHJ太陽電池，電池結(jié)構(gòu)為Al/ITO/a-Si:H(p)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/Al，本征硅薄膜鈍化層的厚度均為10 nm。根據(jù)公式

當(dāng)硅片的載流子復(fù)合速率（Sit）越低時，硅片的少子壽命越高，開路電壓Voc越高，圖7為不同硅烷比例下開路電壓Voc的變化關(guān)系，當(dāng)比例為6%時開路電壓為0.64 V，理論和實驗結(jié)果一致，這與喬治[10]等人的研究結(jié)果一致。結(jié)合上述絨面制備工藝，優(yōu)化P層非晶硅工藝參數(shù)，制備出效率為16.89%的SHJ太陽能電池，J-V曲線如圖8所示。

圖8 SHJ太陽能電池J-V曲線

3 結(jié)論

實驗通過優(yōu)化工藝參數(shù)，確定了當(dāng)氫氧化鈉溶液溫度為80 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，IPA體積含量為4%，腐蝕時間為16 min時，制備出反射率為10.65%、金字塔基地寬度為2～4 μm的適用于SHJ太陽能電池的絨面襯底。同時利用絨面襯底，優(yōu)化非晶硅薄膜工藝參數(shù)，制備非晶硅本征鈍化層，確定了當(dāng)硅烷與氫氣比為6%時，少子壽命為951 μs。利用此本征層工藝，制備出效率為16.89%的SHJ太陽能電池。

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Study on Single Crystal Silicon Wool Texture and Interface Passivation Process for SHJ Solar Cell

DU Peng1a, ZANG Junfang1b, LIU Jianxiao1a, LI Hui1a, XUE Junming2

(1. a. College of Electronics & Information Engineering; b. College of Mathematics and Computer Science, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China; 2. Hengshui Hisun PV Technology Co., Ltd., Hengshui, Hebei 053000, China)

The (100) crystal-to-N-type polished single crystal silicon substrate is used to study the anisotropic etching process of single crystal silicon wafer by sodium hydroxide and IPA mixed solution system. By optimizing the affecting parameters such as the mass concentration of sodium hydroxide, the volume content of IPA, the solution temperature and the corrosion time, a pyramidal suede structure with a reflectivity of 10.65% is prepared. By adopting the PECVD deposition technique to prepare the amorphous silicon passivation layer, optimize the silane deposition concentration, and the amorphous silicon passivation layer with photosensitivity of 105is prepared at 6% silane concentration. The silicon wafer minority carrier lifetime is 951μs. Using the above optimized parameters, a SHJ solar cell with open circuit voltage (Voc) of 0.64 V and cell efficiency of 16.89% is prepared.

anisotropy; suede; minority carrier lifetime; passivation layer

10.3969/j.issn.1673-2065.2022.04.004

杜 鵬（1982－），男，山東泰安人，講師；

張軍芳（1982－），女，河北邢臺人，講師。

衡水市科學(xué)技術(shù)局項目（2020011003Z）；衡水學(xué)院校級課題（2020ZR08）

TN3

A

1673-2065(2022)04-0017-05

2021-06-13

（責(zé)任編校：李建明 英文校對：李玉玲）