p 型TOPCon 技術(shù)及其在高效晶體硅太陽電池應(yīng)用的研究進(jìn)展

曾俞衡，林 娜，劉 偉，閆寶杰，夏慶鋒，葉繼春

(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201)

0 引言

2022 年1 月，習(xí)近平總書記指出，要把促進(jìn)新能源和清潔能源發(fā)展放在更加突出的位置，積極有序發(fā)展光能源、硅能源、氫能源、可再生能源。基于晶體硅太陽電池等應(yīng)用方向的硅能源(即光伏發(fā)電技術(shù))將成為支撐碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的主要清潔能源之一。過去10 多年，晶體硅太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率以每年0.5%～0.6%的速度提升；而從2006 年至今，光伏組件則以累計出貨量每翻1 倍其價格就減少39.5%的速度下降[1]。國際光伏技術(shù)路線圖(ITRPV)(第13 版)[1]指出：硅太陽電池仍是未來10年光伏發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會的預(yù)計，2050 年光伏發(fā)電量將占中國總用電量的40%[2]。因此，提升晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、降低其生產(chǎn)成本對增強光伏發(fā)電的競爭力，促進(jìn)中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重大意義。

據(jù)德國弗勞恩霍夫太陽能研究所(Fraunhofer-ISE)的預(yù)測，鈍化接觸技術(shù)具有將太陽電池量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率提升至25%～26%的潛力，代表量產(chǎn)晶體硅太陽電池的發(fā)展方向。隧穿氧化硅鈍化接觸(TOPCon)技術(shù)是一種典型的鈍化接觸技術(shù)，其特征是采用超薄氧化硅和重?fù)诫s多晶硅，同時實現(xiàn)優(yōu)異的表面鈍化和載流子選擇性收集，避免金屬與硅的復(fù)合損失[3]。德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)的研究表明：如果采用結(jié)合鈍化與接觸兩個關(guān)鍵性能的選擇性因子S10來評判晶體硅太陽電池技術(shù)的優(yōu)劣[4]，TOPCon 太陽電池技術(shù)在各項技術(shù)中具有最佳的選擇性因子，擁有最高理論光電轉(zhuǎn)換效率，是一種可迭代升級、具有長生命周期的技術(shù)[5]。德國ISFH 開發(fā)出了實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到26.1%的概念驗證型p型TOPCon-IBC(交叉背接觸)太陽電池[6-7]，德國Fraunhofer-ISE 開發(fā)出了量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到26.0%和25.8%的p 型和n 型雙面電極型TOPCon 太陽電池[8-10]，驗證了TOPCon 太陽電池技術(shù)在制備高效太陽電池方面的能力。

TOPCon 太陽電池生產(chǎn)線可兼容現(xiàn)有的鈍化發(fā)射極和背面接觸(PERC)太陽電池生產(chǎn)線，可通過增加氧化硅及多晶硅制造設(shè)備實現(xiàn)生產(chǎn)線的升級。截至2022 年8 月，晶科能源控股有限公司生產(chǎn)的182 mm 大尺寸n 型TOPCon 太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)25.7%[11]、行業(yè)中試線的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24.5%～24.8%[12-14]；其采用n 型TOPCon 太陽電池的光伏電站的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)已低于采用PERC 太陽電池的光伏電站的LCOE，成為產(chǎn)業(yè)擴產(chǎn)的首選技術(shù)。截至2022 年4 月，中國已建成的TOPCon太陽電池產(chǎn)能達(dá)到17.5 GW，在建和待建產(chǎn)能為51.5 GW[15]，呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢。

本文基于p 型TOPCon 技術(shù)的重要性，對p 型TOPCon 技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對制約p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能提升的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行探討。需要說明的是，本文的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)指采用了氧化硅/摻硼p 型多晶硅薄膜的TOPCon 結(jié)構(gòu)。

1 p 型TOPCon 技術(shù)的重要性

經(jīng)過多年的發(fā)展，n 型TOPCon 太陽電池的LCOE 才在近期優(yōu)于PERC 太陽電池的LCOE，這主要是因為n 型TOPCon 太陽電池在降本方面存在以下限制：

1) n 型硅片因硅料及拉晶工藝導(dǎo)致其制造成本較高。例如，根據(jù)2022 年7 月21 日的數(shù)據(jù)，尺寸為182 mm、厚度為150 μm 的n 型硅片的制造成本為8.07 元/片，高于p 型硅片的制造成本(7.47 元/片)。

2) n 型TOPCon 太陽電池的硼擴發(fā)射極裝備及工藝的成本高、選擇性發(fā)射極(SE)的效果有限，增加了n 型太陽電池的制造成本。

3) n 型TOPCon 太陽電池需要采用雙面銀電極，導(dǎo)致其成本下降空間有限，且其產(chǎn)業(yè)規(guī)模受限于銀的產(chǎn)量。

開發(fā)高效率p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)有望克服上述n 型TOPCon 太陽電池技術(shù)方面的不足，因此自2022 年以來，產(chǎn)業(yè)界開始探討基于p 型硅片的p型TOPCon 太陽電池技術(shù)。此類太陽電池的優(yōu)點包括以下4 個方面：

1) p 型TOPCon 太陽電池可以實現(xiàn)全背面載流子收集，改用高少子壽命的p 型硅片可提升TOPCon 太陽電池的填充因子FF和開路電壓Voc。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果，采用p 型TOPCon 太陽電池技術(shù)有望將太陽電池的實驗室極限光電轉(zhuǎn)換效率提升至約24.4%。p 型TOPCon技術(shù)對開發(fā)量產(chǎn)極限光電轉(zhuǎn)換效率大于26%的TOPCon-IBC 太陽電池也具有重要作用[6-7]。

p 型PERC 太陽電池、n 型TOPCon 太陽電池、p 型TOPCon 太陽電池和TOPCon-IBC 太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，預(yù)期的量產(chǎn)極限光電轉(zhuǎn)換效率如表1 所示。

表1 4 類太陽電池預(yù)期的量產(chǎn)極限光電轉(zhuǎn)換效率Table 1 Expected mass production limit photoelectric conversion efficiency of four types of solar cells

圖1 4 類太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of four types of solar cells

2) p 型TOPCon 太陽電池可維持p 型硅片及產(chǎn)業(yè)生態(tài)的低成本優(yōu)勢。德國Fraunhofer-ISE 的研究表明，采用高電阻率的p 型摻鎵硅片制備的TOPCon 太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率可以高于采用n 型硅片制備的TOPCon 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率[18]。

3) p 型TOPCon 太陽電池其中一個研究方向為使用鋁電極代替銀電極，從而可以避免銀資源對TOPCon 太陽電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模的限制。

4) p 型TOPCon 太陽電池技術(shù)特別適合應(yīng)用于缺乏升級空間的傳統(tǒng)PERC 太陽電池生產(chǎn)線的升級，可實現(xiàn)中國現(xiàn)有太陽電池產(chǎn)能的提質(zhì)增效。p 型TOPCon 太陽電池的制備步驟數(shù)量僅比p 型PERC 太陽電池的多兩個步驟，且與n 型TOPCon 太陽電池的制備步驟數(shù)量一致。3 類太陽電池的具體制備步驟如圖2 所示。

圖2 3 類太陽電池的具體制備步驟Fig.2 Specific preparation steps for three types of solar cells

當(dāng)前p 型TOPCon 太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較慢，主要原因在于p 型TOPCon 技術(shù)的鈍化性能難以提升。考慮到現(xiàn)有PERC 太陽電池采用管式等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)沉積背面氧化鋁/氮化硅鈍化層，得到的單面飽和電流密度J0,s為10～12 fA/cm2，因此只有將p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的單面飽和電流密度降到小于10 fA/cm2時其才初具應(yīng)用潛力。然而許多在n 型TOPCon 結(jié)構(gòu)上可有效降低單面飽和電流密度的技術(shù)方案應(yīng)用于p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)時，只能獲得單面飽和電流密度大于15 fA/cm2的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)。

綜上所述，開發(fā)高效率的p 型TOPCon 太陽電池對保持光伏發(fā)電的競爭力具有重大意義，是學(xué)術(shù)界的重要研究方向。

2 p 型TOPCon 技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 基于低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)的p 型TOPCon 技術(shù)研究

LPCVD 是最早被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)，該技術(shù)制備p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的方法分為兩種：1)預(yù)沉積本征非晶硅結(jié)合硼擴散的非原位摻雜法；2)沉積原位摻硼多晶硅法。

2.1.1 預(yù)沉積本征非晶硅結(jié)合硼擴散的非原位摻雜法

2014 年，德國ISFH 率先采用LPCVD 技術(shù)依次沉積氧化硅層及本征非晶硅層，然后采用二次硼擴散法進(jìn)行高溫硼擴散，在擴散溫度為1050 ℃條件下制備的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度約為10 fA/cm2[19]。但該方法存在退火溫度較高的問題，導(dǎo)致很難同時實現(xiàn)本征非晶硅層高濃度摻雜并維持適當(dāng)?shù)臄U散，并且高溫沉積過程對硅與多晶硅之間的氧化硅層會產(chǎn)生較大破壞，因此該方法并非產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用首選。

2015 年，德國ISFH 采用LPCVD 技術(shù)制備了熱氧化硅層及本征非晶硅層，然后采用離子注入硼原子，制備的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度約為5 fA/cm2。但由于離子注入的成本昂貴，導(dǎo)致該方法產(chǎn)業(yè)化推廣困難[20]。

2016 年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)采用LPCVD 技術(shù)制備熱氧化硅層及本征非晶硅層，再結(jié)合離子注入硼原子，得到p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度為19 fA/cm2、最高隱含開路電壓iVoc為704 mV[21]。

2017 年，德國Fraunhofer-ISE 采用LPCVD技術(shù)制備了熱氧化硅層及本征非晶硅層，結(jié)合離子注入硼原子，獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓為690 mV、最低單面飽和電流密度為22 fA/cm2[22]。同年，德國ISFH 采用LPCVD 技術(shù)沉積本征非晶硅層，結(jié)合離子注入，在氧化硅層分別為熱氧化硅層和臭氧水氧化硅層時獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓(對應(yīng)的最低單面飽和電流密度)分別為734 mV(3.8 fA/cm2)、729 mV(5 fA/cm2)[23]。

2020 年，江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心(CICPSE)采用量產(chǎn)型LPCVD 設(shè)備沉積本征非晶硅層，再結(jié)合硼擴散的非原位摻雜法，獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓為710 mV、最低單面飽和電流密度為10 fA/cm2[24]。

從以上研究結(jié)果可以看出：預(yù)沉積本征非晶硅結(jié)合硼擴散的非原位摻雜法制備的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的鈍化性能并不理想，獲得的最高隱含開路電壓及最低單面飽和電流密度僅為710 mV和約10 fA/cm2；而離子注入法能提升鈍化性能，獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓及對應(yīng)的最低單面飽和電流密度達(dá)到了734 mV 和3.8 fA/cm2，但該方法因成本昂貴而難以產(chǎn)業(yè)化推廣。

2.1.2 沉積原位摻硼多晶硅法

德國Fraunhofer-ISE 和荷蘭能源研究中心(ECN)均采用LPCVD 原位摻雜技術(shù)制備摻硼非晶硅結(jié)合后繼退火，可將p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓提高到730 mV 以上。

具體來說，2017 年，德國Fraunhofer-ISE 采用濕法制備氧化硅層及LPCVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層，制備得到的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓提升至737 mV，對應(yīng)的最低單面飽和電流密度為2 fA/cm2[25]。2018 年，德國Fraunhofer-ISE 改用熱氧化硅層及LPCVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層，再次獲得最高隱含開路電壓為737 mV、最低單面飽和電流密度為2 fA/cm2的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)[26]。該值是迄今為止(截至本文收稿時間)p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最高鈍化性能參數(shù)紀(jì)錄，不過仍遠(yuǎn)不及n 型TOPCon 結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最優(yōu)鈍化性能(最高隱含開路電壓為750 mV、最低單面飽和電流密度為0.5 fA/cm2)[27]。

2018 年，荷蘭ECN 采用雙層氧化硅工藝，結(jié)合LPCVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層，實現(xiàn)了p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓達(dá)到735 mV、最低單面飽和電流密度達(dá)到3 fA/cm2[28]。

2021 年，美國佐治亞理工學(xué)院(GT)采用LPCVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層，制備出最高隱含開路電壓為719 mV、最低單面飽和電流密度為6.3 fA/cm2的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)和實驗室光電轉(zhuǎn)換效率為22% 的p 型TOPCon 太陽電池[29]。由此可見，采用沉積原位摻硼多晶硅法獲得的鈍化性能比采用預(yù)沉積本征非晶硅結(jié)合硼擴散的非原位摻雜法獲得的鈍化性能有所提升，但該方法的不足之處在于研究中并未提及接觸電阻率的相關(guān)情況。

綜上可知，德國Fraunhofer-ISE 所報道的p型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓和最低單面飽和電流密度分別為737 mV 和2 fA/cm2[25-26]，是迄今為止(截至本文收稿時間)最優(yōu)的鈍化性能參數(shù)，可滿足制備高效率p 型TOPCon 太陽電池的需求。然而采用LPCVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層的方法在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上仍存在不足，原因在于該方法在薄膜均勻性、沉積速率等方面的控制難度大，且LPCVD 技術(shù)在繞鍍沉積、石英耗材等方面還存在自身固有的問題。

2.2 基于磁控濺射技術(shù)的p 型TOPCon 技術(shù)研究

2018 年，澳大利亞國立大學(xué)(ANU)采用磁控濺射(sputtering)技術(shù)制備的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度約為15 fA/cm2，并基于此開發(fā)出實驗室光電轉(zhuǎn)換效率為23%的p型TOPCon 太陽電池[30]。2022 年，德國康斯坦茨大學(xué)(Konstanz)采用磁控濺射法，獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度為11 fA/cm2[31]。德國ISFH 研究了基于磁控濺射技術(shù)的n型TOPCon 技術(shù)，但從研究結(jié)果來看，采用磁控濺射技術(shù)得到的n 型TOPCon 技術(shù)的鈍化性能不如采用LPCVD 技術(shù)或PECVD 技術(shù)得到的p 型TOPCon 技術(shù)的鈍化性能，猜測該結(jié)果與磁控濺射技術(shù)會造成較大的轟擊損傷有關(guān)。

磁控濺射技術(shù)是一條較為小眾的技術(shù)路線，驗證使用的廠家數(shù)量相對較少。雖然磁控濺射技術(shù)的準(zhǔn)直性好，量產(chǎn)具有完全無繞鍍、可簡化工藝、產(chǎn)品良率較高等優(yōu)點，但也存在轟擊較顯著、設(shè)備占用空間大、設(shè)備稼動率不高等缺點。

2.3 基于PECVD 技術(shù)的p 型TOPCon 技術(shù)研究

PECVD 技術(shù)具有可原位摻雜、沉積速率快、繞鍍輕微、不會導(dǎo)致石英部件損耗等優(yōu)點，在量產(chǎn)應(yīng)用上具有非常強的吸引力。從2018 年開始，德國梅耶博格公司(Mayer Burger)和新加坡國立太陽能研究所(SERIS)[32]、德國商先創(chuàng)(Centrotherm)公司和德國Fraunhofer-ISE[33]分別開始研發(fā)基于板式或管式PECVD 技術(shù)的p 型TOPCon 太陽電池技術(shù)。板式PECVD 技術(shù)由于成本問題，在產(chǎn)業(yè)化方面的研究進(jìn)展緩慢。管式PECVD 技術(shù)的研究在德國Fraunhofer-ISE 發(fā)表第2 篇相關(guān)論文后就鮮見進(jìn)展；直到2020 年由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(下文簡稱為“中國科學(xué)院寧波材料所”)聯(lián)合營口金辰機械股份有限公司、晶澳太陽能科技股份有限公司等開展研究后，該技術(shù)的研發(fā)速度才顯著提升[13]。2022 年7 月，管式PECVD 技術(shù)開始被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用接受，天合光能股份有限公司和通威股份有限公司成為最早采用管式PECVD 技術(shù)的公司。

對采用PECVD 技術(shù)開發(fā)p 型TOPCon 技術(shù)的研究進(jìn)展簡述如下。

2014 年，德國Fraunhofer-ISE 采用PECVD技術(shù)制備原位摻硼非晶硅，使p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓和最低單面飽和電流密度達(dá)到680 mV 和50 fA/cm2，鈍化性能顯著低于采用同一技術(shù)方案制備的n 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的鈍化性能(隱含開路電壓為720 mV、單面飽和電流密度為10 fA/cm2)[34]。這是首次有關(guān)采用PECVD技術(shù)開發(fā)p 型TOPCon 技術(shù)的研究報道，已顯示出采用PECVD 技術(shù)開發(fā)高效率p 型TOPCon 技術(shù)的難度。

2016 年，ANU 采用PECVD 技術(shù)沉積本征非晶硅，結(jié)合硼擴散制備p 型多晶硅薄膜，并引入熱氧化硅、氮化硅插入層等手段，獲得的p 型TOPCon結(jié)構(gòu)的最低單面飽和電流密度為16 fA/cm2[35]。

2018 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)采用甚高頻PECVD 設(shè)備在原位摻硼非晶硅層之間插入摻碳納米晶緩沖層以抑制界面缺陷，得到p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓為715 mV、最低單面飽和電流密度為11 fA/cm2[36]，并基于此獲得實驗室光電轉(zhuǎn)換效率為21.9%的p 型TOPCon 太陽電池。

2020 年，中國科學(xué)院寧波材料所采用PECVD技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層，發(fā)現(xiàn)氧化硅對鈍化性能有顯著影響?；谙跛嵫趸?、等離子體輔助氧化硅、熱氧化硅3 種氧化硅隧穿層分別獲得的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓(對應(yīng)的最低單面飽和電流密度)為718 mV(7.9 fA/cm2)、703 mV(18.5 fA/cm2)、722 mV(6 fA/cm2)[37]。上述研究結(jié)果表明：采用熱氧化工藝得到的鈍化性能最好，但該工藝不兼容PECVD 技術(shù)；與PECVD 技術(shù)兼容性好的等離子體輔助氧化工藝得到的鈍化性能卻不好。為此，中國科學(xué)院寧波材料所對等離子體輔助氧化工藝進(jìn)行了改良研究。2022 年初，中國科學(xué)院寧波材料所通過預(yù)沉積濕化學(xué)氧化硅結(jié)合等離子體輔助氧化的兩步氧化法抑制離子轟擊，實現(xiàn)了p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的小幅提升，得到的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓達(dá)到712 mV、最低單面飽和電流密度達(dá)到12 fA/cm2[38]；中國科學(xué)院寧波材料所還研究了在等離子體輔助氧化硅隧穿層的條件下，系統(tǒng)改變PECVD 技術(shù)沉積原位摻硼非晶硅層的制備條件，最后獲得最高隱含開路電壓僅為706 mV、最低單面飽和電流密度為17.9 fA/cm2的鈍化性能[39]。2022 年，中國科學(xué)院寧波材料所在“TOPCon 電池技術(shù)發(fā)展與設(shè)備創(chuàng)新國際論壇”上介紹了其最新研究成果[17]，將基于PECVD 技術(shù)的p 型TOPCon 技術(shù)在n 型硅片或p 型硅片上獲得的最佳鈍化性能分別提升至最高隱含開路電壓(對應(yīng)的最低單面飽和電流密度)為730 mV(約6 fA/cm2)或732 mV(約5 fA/cm2)。上述指標(biāo)已具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值，但報告中并未披露更多的技術(shù)細(xì)節(jié)。

上述研究表明，采用PECVD 技術(shù)制備高效率p 型TOPCon 技術(shù)具有相當(dāng)大的難度。經(jīng)過多年的不懈努力，最終獲得最高隱含開路電壓為732 mV、最低單面飽和電流密度約為5 fA/cm2的鈍化性能，初步具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。但需要指出的是，中國科學(xué)院寧波材料所的研究結(jié)果均是基于13.56 MHz 的射頻電源得到的，而量產(chǎn)型管式PECVD 設(shè)備采用40 kHz 電源，其離子轟擊比13.56 MHz 射頻電源的離子轟擊顯著，這使能否在量產(chǎn)型管式PECVD 設(shè)備上實現(xiàn)高效率p 型TOPCon 技術(shù)存在不確定性。因此，基于PECVD 技術(shù)的p 型TOPCon 量產(chǎn)技術(shù)仍需進(jìn)一步驗證。

2.4 基于鎵摻雜多晶硅的p 型TOPCon 技術(shù)研究

2017年，美國可再生能源國家實驗室(NREL)開發(fā)了一種獨特的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)制備方法，分別采用LPCVD 技術(shù)或PECVD 技術(shù)沉積本征非晶硅層，然后采用離子注入法或旋涂法引入鎵原子替代硼原子，在制備的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)上分別獲得最高隱含開路電壓(對應(yīng)的最低單面飽和電流密度)為731 mV(3.1 fA/cm2)或737 mV(2.4 fA/cm2)的鈍化性能[40]。

NREL 采用的摻鎵多晶硅技術(shù)可以較輕松地獲得優(yōu)異的鈍化性能。摻鎵的優(yōu)勢在于以下3 個方面：

1)鎵在氧化硅中的擴散速率比硼在其中的擴散速率高6 個量級，可以很快穿過氧化硅層且造成的破壞作用較??；

2)鎵的分凝系數(shù)小，不易在界面氧化硅層處堆積，可以減少對界面的破壞；

3)鎵在硅中的固溶度小，有利于降低其在界面的聚集效應(yīng)。

由此可見，采用摻鎵多晶硅制備p 型TOPCon結(jié)構(gòu)在提升鈍化性能方面具有優(yōu)勢。但在產(chǎn)業(yè)化實踐過程中，離子注入鎵或旋涂鎵源的成本過高，不易進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

3 分析與討論

國內(nèi)外各研究機構(gòu)公開報道的關(guān)于p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的主要研究結(jié)果總結(jié)如圖3 所示。圖中：VHF 為甚高頻；PVD 為磁控濺射。

圖3 國內(nèi)外各研究機構(gòu)公開報道的關(guān)于p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的主要研究結(jié)果Fig.3 Main research results on passivation performance of p-type TOPCon technology publicly reported by domestic and foreign research institutions

相較于n 型TOPCon 技術(shù)，p 型TOPCon 技術(shù)的鈍化性能較難提升，針對p 型TOPCon 技術(shù)的相關(guān)論文的數(shù)量顯著少于針對n 型TOPCon 技術(shù)的，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程無顯著進(jìn)展。國內(nèi)外各研究機構(gòu)公開報道的p 型TOPCon 太陽電池的電性能參數(shù)研究進(jìn)展如表2 所示。

從表2 可以看出：p 型TOPCon 太陽電池在光電轉(zhuǎn)換效率提升方面較為緩慢，與PERC 太陽電池相比，并未體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。但根據(jù)中國科學(xué)院寧波材料所的模擬研究結(jié)果顯示，基于p 型硅片的p 型TOPCon 太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到約24.43%[16]；中國科學(xué)院寧波材料所結(jié)合光伏行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步[17]，嘗試將p 型TOPCon 太陽電池柵線寬度降低至18 μm、正面鈍化性能的最低單面飽和電流密度改進(jìn)至20 fA/cm2、采用高少子壽命p 型硅片、p 型TOPCon結(jié)構(gòu)鈍化性能的最低單面飽和電流密度改進(jìn)至5 fA/cm2，得到的p 型TOPCon 太陽電池的模擬計算實驗室光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到約25.00%[17]。因此，p 型TOPCon 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有很大的提升空間。

近期德國ISFH[42-43]報道了實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)約23.7%的p 型IBC 太陽電池，由于該電池并未采用p 型TOPCon 技術(shù)，其鋁電極接觸區(qū)仍然是光電轉(zhuǎn)換效率損失的主要來源，而疊加p 型TOPCon 技術(shù)能夠提升TOPCon-IBC 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，導(dǎo)致p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能難以提升的科學(xué)問題仍不清楚。從原理上看，由于缺陷對電子的捕獲截面大于對空穴的，硼在硅中生成的復(fù)合的能級深于磷在硅中生成的，在相同摻雜濃度下，硼摻雜導(dǎo)致的復(fù)合較大、少子壽命較低。然而，上述論據(jù)不足以完全說明p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能差的原因。

從TOPCon 技術(shù)的鈍化原理上看，復(fù)合來源于3 大區(qū)域，分別為硅近表面區(qū)、硅表面區(qū)氧化硅、多晶硅區(qū)；而每一區(qū)域的缺陷并不一樣。對p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)可能存在的不同類型缺陷進(jìn)行總結(jié)，其示意圖如圖4 所示。

理論分析表明，多晶硅內(nèi)部復(fù)合顯著、少子壽命低；但當(dāng)氧化硅層完整性保持良好時，多晶硅區(qū)復(fù)合對p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)復(fù)合的影響較小，屬于次要矛盾[44-45]。硅近表面區(qū)復(fù)合通常認(rèn)為是由摻雜原子的俄歇復(fù)合所導(dǎo)致，但從計算工具ENDA2 的分析結(jié)果來看，硅近表面區(qū)的硼產(chǎn)生的復(fù)合也是有限的[31,39]；此時，硅表面區(qū)氧化硅將是復(fù)合的主要來源，猜測是與硼誘導(dǎo)氧化硅缺陷有關(guān)。不過，如果硼在硅近表面區(qū)形成高濃度的深能級復(fù)合缺陷也可能是復(fù)合的主要來源。

中國科學(xué)院寧波材料所的研究表明：硼擴散產(chǎn)生的復(fù)合是次要影響因素，硅近表面區(qū)及硅表面區(qū)的硼誘導(dǎo)缺陷是導(dǎo)致p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)復(fù)合的主要原因，且這些缺陷一旦形成，難以通過注氫的方式進(jìn)行鈍化[39]；盡管尚不清楚相關(guān)缺陷的本質(zhì)，但從報道來看，中國科學(xué)院寧波材料所確實找到一些抑制相關(guān)缺陷的方法，使p 型TOPCon 技術(shù)的鈍化性能顯著提升[17]。

Konstanz 通過對比本征非晶硅層及摻硼非晶硅層對氧化硅的不同影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)硼對氧化硅的物理穿透導(dǎo)致氧化硅的完整性被破壞，進(jìn)而使硅表面的復(fù)合速率呈指數(shù)性升高，而硼在界面處的濃度并不是導(dǎo)致復(fù)合的主要因素[31]。

從NREL 報道的研究結(jié)果來看，鎵對氧化硅的破壞作用相對輕微是摻鎵多晶硅容易獲得高質(zhì)量鈍化性能的重要原因。

上述研究結(jié)果得到相近的推論，即氧化硅附近區(qū)域的復(fù)合是導(dǎo)致p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)復(fù)合的主要原因，因此，提升氧化硅質(zhì)量、抑制界面區(qū)及硅近表面區(qū)缺陷形成是提升p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的關(guān)鍵。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了p 型TOPCon 技術(shù)的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的提升具有較大難度，其關(guān)鍵科學(xué)問題并不清楚。根據(jù)國內(nèi)外各研究結(jié)果，推測氧化硅附近區(qū)域的復(fù)合可能是影響p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的主要原因，因此提升氧化硅質(zhì)量、抑制界面區(qū)及硅近表面區(qū)缺陷的形成是提升p 型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的關(guān)鍵。基于LPCVD 技術(shù)或PECVD 技術(shù)的p 型TOPCon 技術(shù)在鈍化性能上均取得進(jìn)步，得到的p 型TOPCon 結(jié)構(gòu)的最高隱含開路電壓(對應(yīng)的最低單面飽和電流密度)分別達(dá)到737 mV(2 fA/cm2)或732 mV(約5 fA/cm2)，已初具量產(chǎn)應(yīng)用價值。結(jié)合其他技術(shù)的協(xié)同進(jìn)步，有望開發(fā)出量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率大于24.5%的p 型TOPCon 太陽電池或光電轉(zhuǎn)換效率大于26.0%的TOPCon-IBC太陽電池。相信在全行業(yè)的共同努力下，影響p型TOPCon 技術(shù)鈍化性能的關(guān)鍵科學(xué)問題將被揭示，技術(shù)指標(biāo)將得到進(jìn)一步提升，最終使該技術(shù)在產(chǎn)業(yè)上獲得應(yīng)用推廣。