光電性能可調(diào)的TiN薄膜及在TOPCon太陽電池的應(yīng)用

摘 要：采用直流磁控濺射制備了光電性能可調(diào)的氮化鈦（TiN）薄膜，TiN薄膜的透過率隨沉積壓強(qiáng)和氮?dú)鉂舛壬叨撸浑妼?dǎo)率隨濺射功率升高而升高、隨沉積壓強(qiáng)和氮?dú)鉂舛壬叨档?。TiN的可見光平均透過率為0%～60%，氮?dú)鉂舛群统练e壓強(qiáng)較低時(shí)制備的TiN薄膜具有優(yōu)異的電導(dǎo)率（4000 S/cm）。將高電導(dǎo)率的TiN薄膜應(yīng)用于隧穿氧化鈍化接觸太陽電池（TOPCon），改善了多晶硅層（Poly-Si）與銀電極界面接觸，提高了填充因子，為實(shí)現(xiàn)高效TOPCon太陽電池提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：太陽電池；磁控濺射；電導(dǎo)率；氮化鈦；TOPCon

中圖分類號：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隧穿氧化鈍化接觸太陽電池（tunnel oxide passivated contact，TOPCon）是最具發(fā)展前景的晶硅太陽電池之一。2013年，德國Fraunhofer研究所提出基于氧化硅層和多晶硅層鈍化的TOPCon太陽電池［1］。TOPCon太陽電池采用了獨(dú)特的SiO2/Poly-Si鈍化結(jié)構(gòu)，具有高達(dá)28.7%的理論極限效率，開路電壓（[VOC]）極高。2016年，德國Hamelin太陽能研究所報(bào)道了TOPCon贗開路電壓（[iVOC]）可達(dá)到748 mV［2］，TOPCon太陽電池的實(shí)驗(yàn)室效率也被證明可達(dá)到26.1%［3-4］。

為提升TOPCon太陽電池性能，目前大量的研究是關(guān)于優(yōu)化氧化硅層和多晶硅層結(jié)構(gòu)［5-7］，以獲得優(yōu)異的鈍化效果，提高[VOC]，少有關(guān)于優(yōu)化金屬電極與多晶硅層接觸的報(bào)道，由于TOPCon電池直接在背面積沉積金屬電極如鋁［8］和銀［9］，無需激光開槽［10］，通過后續(xù)的燒結(jié)實(shí)現(xiàn)金屬和半導(dǎo)體的歐姆接觸，這引出了Poly-Si層和金屬電極的接觸電阻問題［11］，且金屬與硅片的接觸也會影響電池的鈍化效果。為了進(jìn)一步提升TOPCon太陽電池性能，新型高導(dǎo)電性、低功函數(shù)的電子選擇性接觸層的應(yīng)用將尤為重要。

氮化鈦（TiN）材料具有非常廣泛的應(yīng)用，TiN為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，是由離子鍵、金屬鍵和共價(jià)鍵混合結(jié)合而成的， 同時(shí)具有金屬晶體和共價(jià)晶體的特性［12-14］，TiN具有高載流子濃度，這使得TiN具有高的電導(dǎo)率，TiN薄膜通常采用磁控濺射法制備［15］，該方法鍍膜具有均勻、附著性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，TiN在晶硅太陽電池領(lǐng)域成功應(yīng)用并提升了電池性能，楊新波等［16］通過反應(yīng)磁控濺射制備了1600 S/cm的TiN薄膜，并首次將TiN同時(shí)作為電子選擇性傳輸層和金屬化材料應(yīng)用于晶硅太陽電池，不僅能提高電池對電子的提取能力，而且n-Si/TiN接觸具有低接觸電阻。于靜等［17］采用射頻磁控濺射TiN靶材的方法制備TiN，證明TiN與n-Si接觸電阻率低的原因在于能帶匹配合理。TiN也能作為無摻雜太陽電池的電子選擇性傳輸層［18］。

本文通過直流磁控濺射制備光電性能可調(diào)的TiN薄膜，并研究TiN薄膜沉積工藝對TiN薄膜光電性能的影響，然后將高電導(dǎo)率TiN薄膜應(yīng)用于TOPCon太陽電池，通過優(yōu)化TiN濺射功率和薄膜厚度，改善Poly-Si和Ag接觸，降低接觸電阻，從而提高TOPCon太陽電池的填充因子（[FF]）和轉(zhuǎn)換效率（[Eff]），并分析影響電池性能因素。

1 實(shí)驗(yàn)過程

TiN薄膜通過直流磁控濺射制備，以高純Ti（99.99%）作為靶材，通入工作氣體高純Ar（99.99%）和反應(yīng)氣體高純N2（99.99%）。薄膜沉積的基底為玻璃基片（尺寸2 cm×2 cm×0.2 cm）。玻璃基片先后通過玻璃清洗劑、無水乙醇、丙酮、去離子水超聲清洗。面積為2 cm×2 cm的TOPCon電池Poly-Si層表面經(jīng)濃度為3%的HF溶液清洗后通過直流磁控濺射沉積TiN，然后沉積背面Ag電極。濺射鍍膜過程中，腔體本底真空度為5×10-4 Pa，工作壓強(qiáng)為0.4～1.0 Pa，濺射功率為100～300 W。通過四探針方阻儀測試薄膜方阻并結(jié)合臺階儀測試薄膜厚度計(jì)算薄膜電導(dǎo)率，透過率和反射率用紫外可見光分光光度計(jì)（UV3600 Plus）測試，太陽電池的光電特性（電流-電壓）采用太陽電池測試系統(tǒng)（WaveLabs Sinus 220）在AM1.5和25 ℃測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 沉積壓強(qiáng)和氮?dú)鉂舛葘iN薄膜光學(xué)性能的影響

圖1為不同沉積壓強(qiáng)下制備TiN薄膜的透過率和反射率，實(shí)驗(yàn)中通入的氮?dú)饬髁空嫉獨(dú)寤旌蠚饪偭髁康?0%，濺射功率為200 W。當(dāng)沉積壓強(qiáng)從0.5增至4.0 Pa，TiN薄膜在可見光波段的透過率從低于10%提高到60%以上。而反射率隨沉積壓強(qiáng)增加呈降低趨勢。

在高沉積壓強(qiáng)下制備的TiN薄膜具有較高透過率，一定程度上有利于增強(qiáng)電池對光的吸收，但此時(shí)薄膜電導(dǎo)率會降低，反過來又制約了電性能的提高。圖2顯示了0.5 Pa沉積壓強(qiáng)下，不同氮?dú)饬髁繉iN薄膜透過率和反射率的影響。氮?dú)饬髁繌?增至30 sccm，TiN薄膜在550 nm波長下的透過率從3%增至30%，而反射率則呈先降低后增加的趨勢，氮?dú)饬髁繛? sccm時(shí)反射率最低。這是因?yàn)樵诘偷獨(dú)饬髁肯轮苽涞腡iN薄膜中還含有未反應(yīng)的金屬Ti，因此相比其他條件下制備的薄膜的透過率更低，反射率更高，隨著氮?dú)鉂舛仍黾?，薄膜中N/Ti逐漸增加。

2.2 TiN電學(xué)性能影響因素

TiN薄膜光學(xué)性能可通過沉積壓強(qiáng)和氮?dú)鉂舛日{(diào)控，相應(yīng)的TiN薄膜電學(xué)性能也會發(fā)生變化。圖3為不同氮?dú)鉂舛葘iN薄膜電學(xué)性能影響，氮?dú)鉂舛扔玫獨(dú)庠诘獨(dú)寤旌蠚獾牧髁勘缺硎?。在低氮?dú)鉂舛认轮苽涞腡iN薄膜電導(dǎo)率更高，因?yàn)門iN本身具有高電導(dǎo)率，當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛仍黾訒r(shí)，TiN薄膜電導(dǎo)率呈降低趨勢，是由于薄膜中氮單質(zhì)增加，以填隙的方式進(jìn)入TiN晶格邊界，薄膜缺陷增多，電阻增大，同時(shí)由于氣體中含有少量氧氣，這會對TiN薄膜光電性能產(chǎn)生較大影響。沉積壓強(qiáng)為0.50 Pa時(shí)，氮?dú)鉂舛葟?%增至10%，與純Ti薄膜相比，TiN薄膜電導(dǎo)率下降了兩個(gè)數(shù)量級；當(dāng)沉積壓強(qiáng)為0.40 Pa、氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，TiN薄膜的電導(dǎo)率約為4000 S/cm。在不同沉積壓強(qiáng)下，氮?dú)鉂舛仍?0%～40%之間時(shí)，TiN薄膜電導(dǎo)率無明顯變化趨勢，可能是TiN薄膜晶體結(jié)構(gòu)和各組分達(dá)到穩(wěn)定。

圖4為不同濺射功率對TiN薄膜電學(xué)性能的影響。在100 W濺射功率下TiN薄膜電導(dǎo)率為3000 S/cm，當(dāng)濺射功率超過150 W，電導(dǎo)率顯著升高，達(dá)到4000 S/cm及以上。這是由于在高濺射功率下濺射出的Ti原子能量更高，與氮?dú)獬浞址磻?yīng)并結(jié)晶，薄膜中缺陷也更少。

通過對沉積壓強(qiáng)的分析可知，TiN薄膜的電導(dǎo)率受沉積壓強(qiáng)的影響十分劇烈。如圖5所示，在氮?dú)鉂舛葹?0%、沉積功率為200 W，沉積壓強(qiáng)從0.4 Pa增至1.0 Pa時(shí)，TiN薄膜的電導(dǎo)率從（3400±50）S/cm顯著降低至僅10 S/cm。這可能是由于沉積壓強(qiáng)的增加，需通入的氣體更多，而氣體中含有的少量氧可能導(dǎo)致少量氮氧化鈦的生成，從而影響薄膜的電導(dǎo)率。

2.3 TiN薄膜在TOPCon太陽電池中的應(yīng)用

通過TiN薄膜沉積實(shí)驗(yàn)得到了高電導(dǎo)率TiN薄膜沉積工藝，在0.4 Pa沉積壓強(qiáng)、10%氮?dú)鉂舛群透哂?00 W濺射功率下可制備出高電導(dǎo)率TiN薄膜。下面對TiN薄膜在TOPCon太陽電池中的應(yīng)用進(jìn)行研究，圖6為應(yīng)用了TiN的TOPCon太陽電池結(jié)構(gòu)。

圖7為不同濺射功率制備的TiN薄膜應(yīng)用于TOPCon太陽電池及對電池性能的影響。由圖7可知，隨著TiN薄膜沉積功率的增加，TOPCon太陽電池的[VOC]隨之降低，特別是當(dāng)沉積功率超過200 W時(shí)，[VOC]的損失超過了1%。這是由于隨著沉積功率的增加，濺射鍍膜沉積原子動能大，對沉積基底轟擊較多，從而影響了電池的鈍化效果。在300 W的高濺射功率下沉積TiN的TOPCon電池的[VOC]比標(biāo)準(zhǔn)電池低了約8 mV。和對比樣品相比，沉積50 nm TiN薄膜后，電池的短路電流密度（Jsc）顯著降低約10%，這主要是由于TiN薄膜具有較高的載流子濃度，在長波段光吸收的緣故。TiN沉積功率對太陽電池FF的影響較小，基本處于同一水平線，這可能與TiN薄膜已具有較好的導(dǎo)電性有關(guān)。

為了避免高功率濺射的影響，后續(xù)在100 W下沉積TiN薄膜。圖8為不同厚度的TiN薄膜應(yīng)用于TOPCon太陽電池對電池性能的影響，不同TiN厚度下TOPCon電池的[VOC]無明顯變化。[JSC]降低的原因是TiN對長波段光的吸收，與對比樣品相比，當(dāng)TiN厚度為20 nm時(shí)，電池的[JSC]相對降低了6.4%。標(biāo)樣TOPCon太陽電池具有高達(dá)80%的FF，在這基礎(chǔ)上繼續(xù)提升愈加困難，因此在加入不同厚度的TiN后，電池的FF有較小的提升。TiN厚度從0增至5 nm，F(xiàn)F最高提升1%，這得益于Poly-Si/TiN比Poly-Si/Ag具有更低的接觸電阻。但當(dāng)TiN超過5 nm時(shí)，F(xiàn)F降低，因此TiN不宜過厚。綜合考慮TiN的光學(xué)性能和電學(xué)性能對電池的影響，TiN厚度應(yīng)當(dāng)在約1 nm，此時(shí)電池效率提升約0.1%。

為進(jìn)一步探究TiN厚度影響TOPCon太陽電池電流密度的原因，對電池進(jìn)行外量子效率測試。圖9為不同TiN厚度下TOPCon電池的外量子效率圖，在700～950 nm波段，采用TiN的電池比對比電池的外量子效率高，是因?yàn)門iN是一種電子選擇性傳輸材料，提高了對電子的提取，使得外量子效率增加。而在高于900 nm波段，隨TiN厚度增加，電池外量子效率降低，這是TiN對長波段光吸收的緣故，導(dǎo)致電池對長波段光吸收利用降低，這種現(xiàn)象與楊新波團(tuán)隊(duì)將TiN應(yīng)用于高效n型晶硅太陽電池上的結(jié)果相符［16］。通過外量子效率圖計(jì)算積分短路電流密度，10 nm TiN的電池比無TiN的對照電池短路電流密度降低了0.845 mA/cm2。

為進(jìn)一步分析TiN在TOPCon電池界面的狀態(tài)，通過TEM測試了界面的微觀結(jié)構(gòu)及元素分布，結(jié)果如圖10所示。約10 nm的TiN均勻分布在Poly-Si和Ag電極之間，具有明顯分層結(jié)構(gòu)，Ti元素和N元素的EDS圖（圖10b和圖10d）證實(shí)了本文中沉積的物質(zhì)確為TiN薄膜，且與Poly-Si和Ag具有較清晰的界面，這也為TiN薄膜在太陽電池的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)TiN薄膜可改善TOPCon太陽電池的背面接觸，但由于TiN薄膜中長波段的光吸收，其厚度對電池的短路電流具有顯著影響，實(shí)驗(yàn)中需平衡接觸電阻和短路電流以獲得最優(yōu)的結(jié)果。通過一系列的優(yōu)化，已能制備出24.42%的高效TOPCon太陽電池（電池的J-V曲線及性能參數(shù)如圖11所示），有望在未來進(jìn)一步提升TOPCon太陽電池的光電性能，從而實(shí)現(xiàn)其高效、低成本的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

本文研究TiN薄膜的光電性能可調(diào)性，并將其應(yīng)用于TOPCon太陽電池，研究TiN對TOPCon電池性能影響。實(shí)驗(yàn)表明，提高沉積壓強(qiáng)和氮?dú)鉂舛染娠@著增加TiN薄膜的透過率。沉積壓強(qiáng)為3.0 Pa以上時(shí)，TiN薄膜在可見光波段透過率可超過60%，而高電導(dǎo)率的TiN薄膜則可在0.4 Pa低沉積壓強(qiáng)和10%低氮?dú)鉂舛认轮苽?，TiN薄膜電導(dǎo)率可超過4000 S/cm。得益于TiN薄膜的高電導(dǎo)率，在TiN厚度為5 nm時(shí)TOPCon太陽電池的FF可提高1%，但由于TiN對長波段吸收的緣故，TiN厚度不宜太厚。后期擬通過對TiN薄膜沉積條件的優(yōu)化，獲得高電導(dǎo)、低吸收的薄膜，實(shí)現(xiàn)TOPCon太陽電池的高效、低成本應(yīng)用。

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TiN THIN FILM WITH ADJUSTABLE PHOTOELECTRIC

PERFORMANCE AND ITS APPLICATION IN TOPCon SOLAR CELL

Bai Yu，He Jialong，Li Junjun，Su Rong，Chen Tao，Yu Jian

（School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract：Titanium nitride （TiN） thin films with adjustable photoelectric properties were fabricated by DC magnetron sputtering. The results show that the transmittance of TiN thin film improves with the increase of deposition pressure and nitrogen concentration. The conductivity of the TiN films can be enhanced with the increasing sputtering power， and decreases when deposition pressure and nitrogen concentration increased. The average transmittance at wisible wavelength of TiN is 0%-60%. The TiN film prepared at low nitrogen concentration and deposition pressure shows excellent conductivity （4000 S/cm）. The application of high-conductivity TiN films in Tunnel Oxide Passivated Contact（TOPCon） solar cells， which improved the contact between the polycrystalline silicon（Poly-Si） layer and the silver electrode， thus increased the fill factor， providing an effective way to realize efficient TOPCon solar cells.

Keywords：solar cells； magnetron sputtering； conductivity； tatinium nitride； TOPCon

收稿日期：2022-05-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61904154）；四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFG0229）；成都市技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目（2022-YF05-00384-SN）

通信作者：俞 ?。?986—），男，博士、副研究員，主要從事光伏新能源及交叉學(xué)科方面的研究。jianyu@swpu.edu.cn