SHJ电池用单晶硅绒面织构及界面钝化工艺研究

杜 鹏，张军芳，刘建晓，李 辉，薛俊明

SHJ电池用单晶硅绒面织构及界面钝化工艺研究

杜 鹏1a，张军芳1b，刘建晓1a，李 辉1a，薛俊明2

（1. 衡水学院 a. 电子信息工程学院；b. 数学与计算机科学学院，河北 衡水 053000；2. 河北汉盛光电科技有限公司，河北 衡水 053000）

采用（100）晶向N型抛光单晶硅衬底，研究氢氧化钠与IPA混合溶液体系对单晶硅片各向异性腐蚀过程，通过优化氢氧化钠质量浓度、IPA体积含量、溶液温度和腐蚀时间等影响参量，制备出反射率10.65%的金字塔绒面结构；采用PECVD沉积技术制备非晶硅钝化层，优化硅烷沉积浓度，在6%的硅烷浓度下制备出光敏性在105非晶硅钝化层，硅片少子寿命为951 μs。利用上述优化参数，制备出开路电压（oc）为0.64 V，电池效率为16.89%的SHJ太阳能电池。

各向异性；绒面；少子寿命；钝化层

现阶段，关于异质结太阳能电池的研究已经由实验阶段进入量产阶段，高效率、高稳定性、低温度系数是各机构和公司研究的重点。晶体硅异质结电池（SHJ电池）结合了薄膜硅和晶体硅两方面的性能和工艺优势，根据诸多研究结构[1-6]对SHJ电池研究的方法和测试结果，陷光结构和钝化层工艺均为SHJ电池效率的决定性工艺之一。单晶硅绒面结构能够增加光程，提升光生载流子的数量；薄膜硅钝化层能够降低硅片表面的悬挂键数量，降低载流子在硅片表面的复合速率，从而提升SHJ电池的光学性能和电学性能。

根据上述研究思路，以（100）晶向N型抛光单晶硅为衬底材料，利用湿法化学腐蚀工艺制备单晶硅绒面结构。利用等离子体化学气相沉积（PECVD）低温沉积工艺，通过调整工艺参数，制备薄膜硅钝化层，研究相关的制备工艺参数及对SHJ电池性能的影响。

1 实验

实验分为两部分。第一部分为湿法化学腐蚀制备单晶硅绒面结构。实验材料选用（100）晶向区熔N型单晶硅片，电阻率为1～3·cm，取整片（125×125 mm2）的1/4作为实验原材料。实验步骤：1）硅片清洗。先后采用分析纯丙酮和酒精进行超声清洗，去除硅片表面有机杂质。2）去除硅片表面损伤层。采用80 ℃、质量分数10%的氢氧化钠（NaOH）溶液去除表面损伤层，恒温装置采用恒温水浴锅，反应时间120 s。3）绒面织构化。改变溶液温度（70～90 ℃）、NaOH质量分数（范围0.25%～1.5%）、异丙醇（IPA）体积分数（1%～6%）和复合型添加剂配制各制绒溶液，利用各向异性原理制备绒面结构。实验采用控制变量法，在前人实验基础数据上首先研究绒面制备温度参数，确定好温度参数后，再研究氢氧化钠含量对绒面结构的影响，实验反复进行多次，依次确定IPA参数和腐蚀时间的优化参数。4）绒面反射率测定和形貌测试。利用紫外可见光分光光度计（7-SCSPEC太阳能电池光谱性能测试系统）测试绒面反射率，利用德国卡尔蔡司SUPERTM 55VP场发射扫描电镜观察绒面形貌。

第二部分为薄膜硅材料的制备工艺探究。实验采用RF-PECVD沉积工艺，以高纯硅烷（SiH4）和氢气（H2）为反应气体，制备了一系列不同硅烷浓度的氢化本征硅薄膜。实验控制气体总流量100 mL/min，沉积压强40～100 Pa，功率密度10～30 mW/cm2衬底温度100～200℃，硅烷与氢气比例变化范围在4%～10%。本征薄膜硅衬底材料选用康宁（Corning）7095玻璃和上述第一部分实验制备的绒面单晶硅片分别研究光学特性和电学特性，薄膜沉积厚度分别在250 nm和10 nm左右。薄膜样品厚度利用反射计薄膜厚度测量系统（Anstrom Sun Technologies Inc.）测量，利用微波光电导寿命测试仪测试硅片的少子寿命。HIT电池采用Al/ITO/a-Si:H(P)/a-Si:H(I)/c-Si(N)/Al，透明导电膜（ITO）薄膜采用磁控溅射工艺制备，Al薄膜采用蒸发工艺制备，电池光态J-V曲线在室温下采用AM1.5，100 mW/cm2的光照条件测试。

2 结果与讨论

2.1 单晶硅绒面结构制备工艺

鉴于晶硅绒面结构的好坏直接影响电池对光的有效吸收，故此制备高吸收率、低反射率的绒面结构是电池制备工艺的关键技术之一。实验通过调整硅片与溶液的反应温度，物质浓度（氢氧化钠质量分数，IPA体积比）、反应时间等工艺参数测试不同条件下物质的反射率以此确定反应的工艺参数。图1为硅片表面反射率随温度参数变化曲线。随着溶液温度的升高，硅片反射率先降低后升高，溶液温度在80 ℃时具有最低的反射率，反射率为10.65%。依据反射率的高低和绒面结构的关系判断，在溶液温度为80 ℃时织构化效果明显，绒面金字塔结构最好。温度过低，参与反应的物质活性低，制备时间加长，金字塔结构不明显；温度过高，溶液中IPA挥发性强，导致物质含量降低，金字塔绒面效果不理想。

在高温下，单晶硅表面与碱溶液发生以下反应：Si+2OH-+H2O=SiO32-+H2↑。实验采用80 ℃的溶液温度，调整NaOH质量分数，绘制出硅片表面反射率与NaOH质量分数关系曲线，见图2。数据结果显示随着NaOH含量的变化，硅片表面的反射率呈现先减小后增大的变化趋势。其原因是随着NaOH含量的增加，溶液与硅片化学反应的速度加快，相同时间内，织构化效果明显，金字塔体积变大，反射率降低；当NaOH质量分数超过1%后，NaOH对以后硅片的腐蚀力度进一步加强[3]，原先生成的金字塔结构被进一步腐蚀，各项异性因子变小，表面反射率升高。

图1 硅片表面反射率与溶液温度关系曲线

图2 硅片表面反射率与NaOH含量关系曲线

采用质量分数为1%的氢氧化钠继续优化IPA工艺参数。图3为硅片表面发射率随IPA体积含量的变化曲线。实验结果显示，随着IPA含量的增加，硅片表面反射率先降低后升高。主要原因是反应初期IPA能够降低溶液界面张力，硅片表面润湿效果增加，促进了氢氧化钠与硅片表面化学反应的进行，腐蚀过强，导致反应速率增加，此时硅片表面金字塔形状不明显，硅片表面反射率较高[5]；当IPA体积含量为4%时，反应生成的Na2SiO3含量继续增加，溶液浓度增大，反应速率下降，硅片表面织构化效果最好，反射率最低；随着IPA含量的继续增加，过多的Na2SiO3阻碍反应物的移动，影响了金字塔绒面结构，导致反射率上升。

图3 硅片表面反射率与IPA体积含量关系曲线

图4为反应时间对硅片反射率的变化图线，根据上述实验数据的探讨，实验采用质量分数为1%的NaOH溶液，体积分数4%的IPA，腐蚀溶液温度恒定80 ℃，加入体积分数0.3%的缓冲剂，反应时间控制在10～20 min。随着反应时间的进行，单晶硅表面反射率先减低后增加再降低的变化规律。最初反应时间较短时（小于12.5 min），反应物质浓度较高，相对于最初原始硅片的反射率降低；当反应时间在12.5～16 min时，单晶硅片（100）晶向生长速率占据主导地位，金字塔绒面结构不明显，反射率相比前段时间升高；当腐蚀时间大于16 min时，主反应物质NaOH浓度降低，成核速率占据主导地位，金字塔绒面结构明显，反射率呈现降低，最终趋于稳定的状态[7]。

图4 硅片表面反射率与腐蚀时间关系曲线

结合上述制备工艺条件优化参数后，最终制备出反射率在10.65%，金字塔基底宽度为2～4 μm适用于SHJ太阳能电池的绒面结构，图5为金字塔绒面结构SEM图。

图5 单晶硅片SEM绒面图

2.2 非晶硅钝化层制备工艺

硅片的少子寿命是表征界面态最直接有效的参数，为了探究硅片少子寿命与SHJ电池的关系，实验采用不同硅烷浓度的本征层薄膜。表格1为制备非晶硅本征钝化层工艺参数。通过调整工艺参数，绘制出少子寿命对与硅烷浓度的关系曲线，见图6。图6显示随着硅烷浓度的提升，硅片少子寿命呈现先增加后减小的趋势，当硅烷与氢气比为6%时，此时具有最高的少子寿命（=951 μs）。当比例降低时，本征层薄膜结构由非晶硅转向纳米晶硅薄膜结构，高氢稀释比会导致硅外延层的生长，从而降低钝化性能。当硅烷与氢气比在6%时，氢稀释率降低，制备出的非晶材料的缺陷态增加，材料致密度降低，钝化性能减弱[8-9]。

表1 非晶硅钝化层制备工艺参数

图6 硅烷浓度与少子寿命的关系曲线

2.3 SHJ太阳能电池制备

实验以不同硅烷比例制备本征硅薄膜做钝化层，并采用上述材料制备出了一系列a-Si:H/c-Si SHJ太阳电池，电池结构为Al/ITO/a-Si:H(p)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/Al，本征硅薄膜钝化层的厚度均为10 nm。根据公式

当硅片的载流子复合速率（Sit）越低时，硅片的少子寿命越高，开路电压Voc越高，图7为不同硅烷比例下开路电压Voc的变化关系，当比例为6%时开路电压为0.64 V，理论和实验结果一致，这与乔治[10]等人的研究结果一致。结合上述绒面制备工艺，优化P层非晶硅工艺参数，制备出效率为16.89%的SHJ太阳能电池，J-V曲线如图8所示。

图8 SHJ太阳能电池J-V曲线

3 结论

实验通过优化工艺参数，确定了当氢氧化钠溶液温度为80 ℃、质量分数为1%，IPA体积含量为4%，腐蚀时间为16 min时，制备出反射率为10.65%、金字塔基地宽度为2～4 μm的适用于SHJ太阳能电池的绒面衬底。同时利用绒面衬底，优化非晶硅薄膜工艺参数，制备非晶硅本征钝化层，确定了当硅烷与氢气比为6%时，少子寿命为951 μs。利用此本征层工艺，制备出效率为16.89%的SHJ太阳能电池。

[1] ZHAO L, ZHOU C L, LI H L, et al. Design optimization of bifacial HIT solar cells on p-type silicon substrates by simulation[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2008,9(6):673-681.

[2] KANEVCE A, METZGER W K. The role of amorphous silicon and tunneling in heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) solar cells[J].J. Appl. Phys.2009,105(9),507.

[3] 李和委.硅的湿法化学腐蚀机理[J].半导体情报,1997,34(2):28-33.

[4] CHEN G, KASHKOUSH I. Effect of pre-cleaning on texturization of c-Si wafers in a KOH/IPA mixture[J].ECS Transactions,2010,25(15):3-10.

[5] STEFAAN D W, BENEDICTE D, ANTOINE D, et al.Very fast light-induced degradation of a-Si:H/c-Si(100) interfaces[J]. Phys. Rev. B,2011,83(23):3301.

[6] FAN Y J, HAN P D, LIANG P, et al. Differences in etching characteristics of TMAH and KOH on preparing inverted pyramids for silicon solar cells[J].Applied Surface Science,2013,264(1):761-766.

[7] DATTA A, RAHMOUNI M, NATH M, et al.Insights gained from computer modeling of heterojunction with intrinsic thin layer “HIT” solar cells[J].Sol. Energy Mater. & Sol. Cells.2010(1457):94.

[8] DAO V A, HEO J, CHOI H, KIM Y, et al. Simulation and study of the influence of the buffer intrinsic layer, back-surface field, densities of interface defects, resistivity of p-type silicon substrate and transparent conductive oxide on heterojunction with intrinsic thin-layer (HIT) soalr cell[J].Sol. Energy,2010(777):84.

[9] MA K P, ZENG X B, LEI Q S, et al. Texturization and Rounded Process of Silicon Wafers for Heterojunction with Intrinsic Thin-layer Solar Cells[J].Frontiers of Optoelectronics,2014,7(1):46-52.

[10] 乔治,解新建,薛俊明,等.nc-Si:H/c-Si硅异质结太阳电池中本征硅薄膜钝化层的优化[J].物理化学学报,2015,31(6):1207-1214.

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 鹏（1982－），男，山东泰安人，讲师；

张军芳（1982－），女，河北邢台人，讲师。

衡水市科学技术局项目（2020011003Z）；衡水学院校级课题（2020ZR08）

TN3

A

1673-2065(2022)04-0017-05

2021-06-13

（责任编校：李建明 英文校对：李玉玲）