引言：

高效率、低成本是太陽能電池研究最重要的兩個方向。對于晶體硅太陽能電池來說，隨著晶體硅制造技術的提升，基體硅片的體載流子壽命不斷提高，已經不再是制約電池效率提升的關鍵因素。而電池表面的鈍化對轉換效率的影響越來越明顯。太陽能電池的生產過程中，基體硅片的成本占整個生產成本的比例最高，為降低生產成本，盡快實現光伏電價“平價上網”，提高市場競爭力，硅片薄化是必然的趨勢，隨之產生的問題就是電池表面復合嚴重。這就為太陽能電池表面鈍化技術提出了挑戰，為了在硅片薄化的過程中仍然保持電池的高轉化效率，對晶體硅太陽電池表面鈍化技術的研究是必不可少的。因此，無論是提高太陽能電池的轉換效率，還是降低太陽能電池的生產成本，對于晶體硅太陽能電池表面鈍化技術的研究都必不可少。

1.硅片表面特性

表面復合是指在硅片表面發生的復合過程，硅片中的少數載流子壽命在很大程度上受到硅片表面狀態的影響，因為硅片表面有以下3個特點：(1)從硅晶體內延伸到表面的晶格結構在表面中斷，表面原子出現懸掛鍵，排列到邊緣的硅原子的電子不能組成共價鍵，因此出現了成為表面態的表面能級，表面態中靠近禁帶中心的能級是有效的表面復合中心;(2)硅片在切片過程中表面留下的切割損傷，造成很多缺陷和晶格畸變，增加了更多的復合中心;(3)硅片表面吸附的帶正、負電荷的外來雜質，也會成為復合中心(見圖1)。

2.表面鈍化介質薄膜研究

2.1SiNx薄膜鈍化研究

SiNx薄膜的制備方法有多種，從工藝效果和工業化生產來考慮，目前應用于太陽能電池生產的制備方法主要是等離子增強化學氣相沉積(PECVD)法，PECVD方法的過程是在較低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上產生輝光放電，利用輝光放電(或另加發熱體)使樣品升溫到預定的溫度，然后通入適量的工藝氣體，這些氣體經一系列化學反應和等離子體反應，最終在樣品表面形成固態薄膜。反應氣體主要為硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)，最終反應方程式如下：

SiNx薄膜對電池表面鈍化原理：PECVD法在沉積SiNx薄膜時，會在薄膜中形成大量固定正電荷和游離的氫原子。大量的固定正電荷在電池表面處形成一個內建電場，使表面處于反型狀態，降低載流子在表面相遇和復合的幾率，從而降低表面復合速度。而大量的游離氫原子則可以擴散到Si-SiNx界面處，與界面處的硅懸掛鍵結合，降低表面的界面態密度以達到降低表面復合速率的效果，對電池表面進行鈍化。

SiNx薄膜除了具有良好的鈍化效果外，采用PECVD法制備的SiNx薄膜還具有良好的減反射功能，隨著反應氣體硅烷和氨氣氣體流量比例的不同，SiNx薄膜的折射率可在1.8～3.3的范圍內調整，

實際生產中可通過調整氣體流量，形成匹配的膜厚和折射率，將反射率降至最低，增加太陽能電池對光的吸收利用。優良的鈍化和光學性質使SiNx薄膜成為晶硅太陽能電池生產中最常用的鈍化減反膜，但是由于SiNx薄膜帶有固定的正電荷，僅對n型硅表面具有良好的鈍化效果，應用于高摻雜的p+表面時，沒有表現出有效的鈍化。

2.2SiO2和SiO2/SiNx疊層鈍化減反研究

產業化的SiO2薄膜生長方式主要是熱氧化法，利用熱氧化生長SiO2薄膜是將硅片放入高溫的石英爐管內，硅片表面在氧化物質作用下生長SiO2薄膜，根據氧化氣氛的不同，又可以分為干氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化，實際應用中主要是干氧氧化和濕氧氧化，反應機理分別為：

干氧氧化的反應：

硅片表面的Si原子在高溫下與氧分子反應，生成SiO2起始層。此后，由于起始氧化層阻止了氧分子與Si表面的直接接觸，氧分子只有以擴散方式通過SiO2層，到達SiO2-Si界面，才能與Si原子反應，生成新的SiO2層，使SiO2薄膜繼續增厚。

濕氧氧化與干氧氧化不同之處是將干氧通入石英管前，先通入加熱的高純去離子水，使氧氣中攜帶一定量的水汽。因此在濕氧氧化中，既有氧的氧化作用，又有水的氧化作用，水的氧化反應式如下：

濕氧氧化反應：

工藝結果的對比，濕氧氧化薄膜生長較快，但是生成的SiO2薄膜結構疏松，表面有缺陷，對雜質的掩蔽能力較差。雖然干氧氧化的生長速度較慢，但是生成的薄膜致密、均勻性和重復性較好，適合高質量鈍化薄膜的制備。

SiO2薄膜的結構和表面鈍化原理：SiO2是由Si-O四面體組成，Si-O四面體的中心是硅原子，四個頂角上是氧原子，頂角上的四個氧原子剛好滿足了硅原子的化合價。從頂角上的氧到中心的硅，再到另一個頂角上的氧，稱為O-Si-O鍵橋。在熱氧化的反應過程中，大量的氧原子與硅表面未飽和的硅原子結合形成SiO2薄膜，該薄膜可降低懸掛鍵的密度，能夠很好地控制界面陷阱和固定電荷，此外高質量SiO2薄膜可把表面態密度降低至1010/cm2，Si-SiO2界面的復合速率可以降到100cm/s以下，從而降低了懸掛鍵的密度，起到了表面鈍化作用。

在上一節內容中可以看出SiNx薄膜具有優良的表面鈍化和減反性能，但是SiNx薄膜與Si的晶格匹配性較差，導致SiNx/Si界面缺陷密度較高，而SiO2/Si具有良好的界面性能，更有利于硅片表面的鈍化，在實際的應用中，可先采用干氧氧化生長一層SiO2薄膜，才采用PECVD法沉積一層SiNx，形成SiO2/SiNx疊層鈍化減反結構，可同時提高電池的表面鈍化和光學特性，提高電池的轉換效率。

2.3Al2O3薄膜鈍化研究

沉積Al2O3薄膜，量產可行的方法主要有PECVD法和原子層沉積(ALD)法，PECVD法與沉積SiNx薄膜的原理一致，主要反應氣體為三甲基鋁(TMA)。原子層沉積(ALD)方法是將不同氣相前驅反應物交替地通入反應腔體，在沉積基底上化學吸附并反應形成薄膜的過程，以自限制表面反應物的方式，將沉積過程控制在原子水平。ALD法沉積Al2O3的過程中，第一種前驅氣體三甲基鋁

(TMA)首先與硅片表面OH基團吸附并反應直至飽和，生成新的表面功能團，抽取剩余的TMA后，第二種前驅體進入反應腔與新表面功能團反應沉積至飽和，表面生成新的OH基團，抽氣，然后進行下一步反應，這一系列反應構成一個循環，控制循環次數即可得到所需薄膜厚度。ALD法沉積Al2O3的總反應為：

相對于PECVD法，ALD法可以精確控制鈍化膜的厚度和質量，具有較好大面積厚度的均勻性。并且工藝溫度范圍較廣100℃～350℃，它的缺點就是生長速度較慢。

Al2O3薄膜鈍化的原理是在沉積的過程中，薄膜中有大量的氫存在，可以對硅片表面形成化學鈍化。另外，Al2O3薄膜與其他介質薄膜的主要區別在于其與硅接觸面具有高的固定負電荷，密度約為1012～1013cm-2，可以通過屏蔽p型硅表面的少數載流子–電子表現出良好的場鈍化特性。Al2O3薄膜鈍化可使表面復合速率降至100cm/s以下。

由于Al2O3薄膜對P型硅表面有較好的場鈍化作用，目前主要應用于P型電池的背面鈍化，在常規P型電池的基礎上增加Al2O3背鈍化，升級為PERC電池，轉換效率有顯著提升。用于PERC電池工業化生產，采用PECVD方式占比較高。但是隨著N型電池的發展，Al2O3薄膜越來越多用于正面硼擴散P+發射極的鈍化，由于ALD法沉積的薄膜在較薄的情況下即可達到良好的鈍化效果，對電池正面的光學性質影響較小，ALD方式沉積Al2O3薄膜越來越多的用于N型電池P+發射極的鈍化。

2.4電池表面鈍化接觸技術研究

SiNx、SiO2、SiO2/SiNx和Al2O3等鈍化薄膜的應用，降低了電池表面的復合速率，起到了良好的鈍化效果。但是電極接觸區的復合速率仍然較高。如何實現電池表面整面的鈍化，降低接觸區的復合成為最近幾年太陽能電池技術研究的重點。

TOPCon(TunnelOxidePassivatedContact，隧穿氧化層鈍化接觸)技術由德國FraunhoferISE研究所發布，其結構由一層超薄的氧化層和重摻雜的多晶硅層組成，可以實現載流子的選擇性通過，多子可以穿透這兩層鈍化層，而少子則被阻擋，可以實現電池整面的鈍化接觸，提高電池的轉換效率。基于TOPCon結構的電池，Fraunhofer在4cm2的FZ硅片上獲得了25.7%的轉換效率。

對于TOPCon結構的鈍化接觸機理，目前尚無統一的看法，一般認為超薄氧化層和摻雜多晶硅層對鈍化接觸的性質都有影響，良好的表面鈍化來自氧化層的化學鈍化和高摻雜多晶硅的場致鈍化效果。而良好的接觸則來自缺陷輔助隧穿機制或氧化層上的微孔。

TOPCon結構由超薄氧化層和摻雜多晶硅構成。超薄氧化硅層的形成目前主要有熱氧化生長和HNO3氧化(NAOS)兩種方式。摻雜多晶硅層的形成方法主要有2種：(1)采用LPCVD法直接沉積摻雜的多晶層，利用此種方法可以一次完成多晶硅薄膜的沉積和摻雜，但是產能較低，摻雜的均勻性較差，不利于產業化的生產。(2)先采用PECVD或LPCVD法沉積本征多晶硅薄膜，然后再采用離子注入、擴散等工藝進行摻雜，各種摻雜方法在工藝效果上相差不大。

隨著TOPCon技術的不斷發展，越來越多的研究機構及電池生產制造單位開展對該技術的研究。目前的研究主要是利用LPCVD設備，同時完成隧穿氧化層和本征多晶硅層的生長，再利用離子注入或擴散法對本征多晶硅層進行摻雜來形成TOPCon結構。

由于TOPCon結構可以實現硅片整面的鈍化接觸，進一步降低了硅片表面的復合，使電池的轉換效率有明顯的提升。并且與各種晶硅電池在結構和工藝上有較高的兼容性。是將來電池表面鈍化研究發展的一個重要方向。

3.結束語

本文主要總結了用于晶體硅太陽能電池表面鈍化的SiNx薄膜、SiO2薄膜、SiO2/SiNx疊層薄膜、Al2O3薄膜以及TOPCon鈍化接觸結構的形成工藝、鈍化原理以及應用情況。其中SiNx和Al2O3在薄膜沉積的同時會有大量的氫產生，可以形成良好的氫鈍化。SINx薄膜由于帶有大量的固定正電荷，對n型硅表面可形成良好的場致鈍化，而帶有大量固定負電荷的Al2O3薄膜主要用于P型電池的背鈍化和N型電池前硼發射極的鈍化。SiO2薄膜對n型和P型硅片表面均有良好的鈍化效果，但是形成過程需要高溫。TOPCon鈍化接觸結構可實現電池表面整面的鈍化接觸，提高電池的轉換效率。是下一步可實現產業化的高效電池熱門技術。

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