非晶硅异质结太阳电池的研制

n 型晶体硅 型晶体硅 p 型非晶硅异质结太阳电池的研制型非晶硅异质结太阳电池的研制 摘要 摘要 研究了不同的硅片表面钝化方法 分析了硅片表面的少数载流子寿命以 及对晶体硅 非晶硅异质结 HIT 太阳电池性能的影响 发现适当的 HF 溶液处 理 氢等离子体处理和表面覆盖约 3nm 的本征非晶硅层能有效提高硅片的少子 寿命 从而提高 HIT 太阳电池的开路电压 同时发现 在硅片背面引入重掺杂 背场提高了 HIT 太阳电池的长波段光谱响应和开路电压 对制备工艺综合优化 后 得到了光电转换效率为 16 75 Voc 一 0 596V Jsc 41 605mA cm2 FF 0 676 AMl 5 25 的 HIT 太阳电池 关键词 关键词 晶体硅 非晶硅 异质结 太阳电池 表面钝化 1 1 前言前言 采用宽带隙的非晶硅作为窗口层或发射极 单晶硅或多晶硅片作衬底 形 成了非晶硅 晶体硅异质结太阳电池 称为 HIT heterojunction with intrinsic thin layer 太阳电池 它可以同时实现 pn 结和优异的表面钝化 并且所有工艺可在低温 1min 后 随着时间的增长少子寿命会有所 下降 说明长时间的 HF 溶液腐蚀可能会破坏硅表面结构 2 H 处理及其钝化作用 图 2 所示为硅片少子寿命随不同 H 等离子处理时间的变化曲线 可以看出 对衬底进行一定时间的 H 处理 25s 后少子寿命都有提高 其中最佳 H 处理时 间为 20s 此时少子寿命值相对于原始裸片增加了 11 35 s 适当时间的 H 处 理可钝化硅片表面的悬挂键 同时刻蚀掉了硅表面的氧化层 有效改善界面 然而过长时间的 H 等离子处理会对硅片表面造成损伤 引起表面缺陷的增加 相应的也降低了其少子寿命 3 本征非晶硅沉积及其钝化作用 图 3 为硅片少子寿命随沉积不同 i a Si H 厚度的变化曲线 可以看出没 有沉积本征非晶硅层的硅衬底少子寿命最优值为 16 44 s 当沉积一定厚度的 本征非晶硅后 硅片的少子寿命均有提高 说明了非晶硅薄膜作为缓冲层减小 了异质结界面态密度 对硅片表面有很强的钝化效果 其中随着厚度的增加 当沉积时间为 40s 厚度约为 3nlTl 的本征非晶硅 少子寿命最高达到 24 61 s 并且得到的本征非晶硅薄膜结构比较稳定 能够在电池中应用 4 本征非晶硅对 HIT 太阳电池性能的影响 在沉积不同本征非晶硅层厚度的基础上 制备完整的 HIT 太阳电池样品 测试得到电池的开路电压 U 与沉积 i a Si H 层厚度的变化曲线如图 4 所示 从图中可以看出 当沉积时间为 40s 制备得到的 HIT 太阳电池的 K 最高 结 合前面关于本征 i 层对硅片表面的钝化作用 此时的少子寿命也是最高的 说 明表面钝化能有效提高电池的开压 保持 HIT 太阳电池其他工艺条件不变 仅改变本征非晶硅层的插入 制备 一组电池样品 测试电池的 QE 响应和卜 V 特性 如图 5 所示 从 QE 曲线中可以看出本征层的插入增加了对短波段光的吸收 使得短波段 光谱响应相比不加入本征层的减弱了 短路电流密度 J 略有降低 但是它通 过在界面处降低了异质结的表面复合速率来提高电池的填充因子 FF 和开路电压 K 因此异质结界面处插入一定厚度的 i a Si H 能有效提高 HIT 太阳电池的光 电转换效率 3 2 背电场对 HIT 太阳电池性能的影响 背场是用来提高太阳电池效率的有效手段 背场即在电池的背面接触区引 入同型重掺杂区 指的是可对光生少子产生势垒效果的区域 从而减少光生少 子在背表面的复合 图 6 所示为有 无背场的 HIT 太阳电池的 QE 响应和卜 V 特性曲线 从图中 可以看出背场能有效增加电池的长波段响应 加入背场的电池在背面有很低复 合速率 将能增强低光子能量处的光谱响应 因此短路电流密度将增加 由于 短路电流增加 背面接触的二极管复合电流减少 从而开路电压增加 能有效 提高电池的转换效率 3 3 优化后的 HIT 太阳电池 在上述研究的基础上 对单面 HIT 太阳电池各沉积参数进行优化 得到了 开压为 596mV 短路电流密度为 41 605mA cm2 填充因子为 0 676 效率为 16 75 的 HIT 电池 其卜 V 特性曲线如图 7 所示 测试在模拟光源 AMl 5 25 下进行 4 4 小结小结 本文通过研究不同硅表面钝化方法 分析测试 HIT 太阳电池制备过程中硅 片表面的一些钝化技术对少数载流子寿命以及对电池性能的影响 发现适当的 HF 溶液预处理 20s 的衬底 H 处理和插入约 3nm 的本征非晶硅层能有效提高硅 片的少子寿命 通过饱和硅片表面的悬挂键 可以降低少数载流子在表面的复 合 从而得到较好的表面钝化效果 研