基于异质结晶体硅太阳电池的a-SiOx:H薄膜生长和钝化机理研究

In this project, hydrogenated amorphous silicon oxygen (a-SiOx:H) thin films will be fabricated by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF-PECVD) technique. The growth and passivation mechanisms of the a-SiOx:H thin films for the crystalline silicon wafer will be investigated. First, the performance of intrinsic a-SiOx:H thin layers with a few nanometers, on front and rear-surfaces will be analyzed and evaluated by employing optical emission spectrum monitoring with colorimeter, microstructure factor measured by FTIR and optical parameters obtained by spectroscopic ellipsometry, so as to establish evaluation methods for a-SiOx:H thin films. The influence of the gradual incorporation of oxygen on the defect density and microstructure in the film as well as the bandgap matching and defects at c-Si/i-a-SiOx:H interface will be studied. These may achieve ideas to understand the optimal balance of oxygen content, interface bandgap matching and defect density. Next, p- and n-a-SiOx:H thin films with low absorption and high conductivity, which serve as the emitter and the rear-passivation layers, respectively, will be investigated to increase the optical transparency of incident light, to further reduce the recombination rate at the surface of c-Si. This research will supply theoretical issues for the growth of high-quality a-SiOx:H passivation layers and the technique ways to increase the open-circuit voltage and efficiency of hetero-junction solar cells.

本课题用射频等离子体增强化学气相沉积法（RF-PECVD）制备氢化非晶硅氧（a-SiOx:H）薄膜，研究其在晶体硅表面的生长和钝化机理。首先，结合色度计监测的等离子体发光光谱、傅立叶红外光谱评价的薄膜微结构因子和椭偏光谱仪监测的薄膜光学参数，分析和评价发射极和背钝化层缓冲层(几个纳米厚的本征a-SiOx:H薄膜)，获得薄膜微结构的有效评价机制。重点研究氧的逐渐融入对薄膜缺陷态和微结构的影响，以及对c-Si/i-a-SiOx:H界面能带匹配和界面缺陷态的影响，从而得出薄膜中的氧含量、界面能带匹配以及缺陷态之间的制约关系。然后，研究具有低吸收和高电导率的发射极p-a-SiOx:H薄膜和背钝化层n-a-SiOx:H薄膜对晶体硅表面的钝化作用，来提高光透过率和降低晶体硅表面的复合速率。本项目的研究，将为生长高质量a-SiOx:H薄膜钝化层及提高异质结晶体硅电池开路电压及转换效率提供理论基础。

本项目研究氢化非晶硅氧（a-SiOx:H）薄膜钝化层来重点理解非晶钝化层对c-Si表面的钝化机理和钝化层应具有的优良特性，进而为获得具有高开压特征的硅异质结太阳电池奠定理论基础。首先，本征i型a-SiOx:H薄膜及其与c-Si界面的研究。1）通过研究气体流量中CO2比例对薄膜的影响，得出气体与薄膜内氧含量的融入比为5:1；薄膜的光学带隙会随着氧含量和氢含量的增加而增大；少量的氧融入可以改善薄膜的致密度且氢含量不变，而薄膜内氧含量超过4%后薄膜趋向高无序度和高缺陷态。2）通过光学手段对薄型i-a-SiOx:H薄膜生长的微结构研究，确立了薄膜的结构与光学特征参数的关系，从非晶钝化层的光学参数可以有效判断对晶体硅表面的钝化。3）通过本征钝化层的后氢等离子体处理和c-Si/i-a-SiOx:H界面处的氧融入两种有效的界面优化，可以有效建立c-Si/i-a-SiOx:H突变界面并改善本征非晶钝化层的结构趋向非晶到微晶过渡区，实现对表面悬挂键的有效钝化。4）双面i型a-SiOx:H薄膜钝化晶体硅表面的τeff高达2 ms以上，表面复合速率低于5 cm/s，且Implied开路电压高达736 mV，饱和电流密度低至~10-15 A/cm2。5）异质结太阳电池的开路电压和转化效率分别有5 mV和0.8%的增加。其次，硼和磷分别掺杂的p和n型非晶硅氧薄膜的研究。1）n型薄膜中氧融入的增加，会抑制初始微晶的形成；非晶薄膜中以形成Si-O-Si键的氧含量增加不明显，而更多的氧以非晶SiO2的形式出现在薄膜中；不仅薄膜变得疏松和高缺陷态，而且过高的氧含量融入会导致薄膜中氢含量的缺失。2）作为窗口层和低结场钝化层，n型非晶硅薄膜中氧的少量融入可以增加短路电流并少许改善电池IV性能的离散性。3）p型非晶硅氧薄膜中融入氧时，高硅烷浓度的薄膜致密度变化不大，而低硅烷浓度的薄膜密度会减小很快；通过调节沉积气压可以获得高质量的硅氧窗口层，短路电流和转换效率的增益分别为0.2-0.8 mA/cm2和0.1%-0.6%. 最后，i/p界面的优化研究。1）在i/p界面引入高氢处理的缓冲层可以有效提高本征钝化层的致密度，改善载流子的输运特性；实现能带匹配且降低界面缺陷态，提高空穴载流子的收集；2）在p入光的太阳电池中，i/p界面的优化使短路电流和填充因子得到显著改善，转换效率有约3个百分点的提高。