25.7%高效PERC太阳能器件工艺研究

近年来， 光伏行业随着 晶体硅技术的进步 得以迅速发展 。 晶体硅基 光伏器件由于具有成本低、纯度高、效率高、 资源丰富 、稳定性高、易于制造等 特性，获得广泛关注 [1-3] 。

由于 弱电场和背面电荷载流子的复合较高，铝背场结构器件的效率较低 [6]。为克服铝背场结构存在的缺点，越来越多的制造商转向技术升级，即“钝化发射极背面接触（PERC）太阳能器件”[7-10]。PERC 器件最早在 1 989 年 由 Blakers等人[11] 首次 报道，并 在 2002年由弗劳恩霍夫太阳能研究所 借助 激光接触工艺 得以 重新开发 [12]。 为减少复合损耗， 通过 PERC器件中的介电钝化层 对器件背面进行表面 钝化。 虽然获得了 比 铝背场结构 更高的 潜在 效率 [13-15] ，但 钝化 PERC器件的接触复合损耗在金属 / 硅界面附近仍然存在。当金属直接放置在硅界面附近时，会产生更高的表面复合速度 (SRV)( 约 10 ⁶ cm s ^-1 )，导致 约 50%的接触复合损失[16 18]。因此，接触复合损耗 成为 PERC器件的限制 性 因素。解决这个问题最有效的方法是使用钝化接触， 采用 一层 1-2nm厚的 钝化 硅形成隧穿氧化层 [1 , 19-21]。目前，钝化 接触受到广泛关注，它可以 通过降低 接触 复合损耗来 打破 PERC器件的 极限 效率 [22]。 近期 ，研究界一直在该领域 进行研究 ，通过采用不同的钝化 接触 ，即隧穿氧化层钝化接触（ TOPCon）[23]、钝化发射 极、背面 多晶硅 （ PERpoly）[24] 和薄氧化层多晶硅（POLO）[25] ， 来提高器件性能。 他们就 “通过钝化接触 提高器件性能 ”进行了 各种实验和理论工作。 Peibst等人[25] 对 背面钝化 接触 的影响 进行了分析 ，并报告了使用 POLO 接触后转换 效率 可达 22.6%。Yang等 人 [22]报道了使用TOPCon钝化接触 后 转换效率 达 23.88%。 刘 等 人 [26]利用 正面的 表面钝化接触获得了 24.45%的转换效率，并 披露 了 获得 26.7%效率 的方法 。 Peibst等人[25]通过研究 单个和双 POLO结钝化接触的影响，对POLO PERC器件进行了系统研究。 他们通过 两极钝化接触， 获得 24.98% 的转换效率 。此外， Hollemann等 人 [19]也报道了交叉背接触(IBC)光伏器件中基于两极 接触 的钝化 接触 ，并获得了 26.1%的转换效率。Haase等人[21] 介绍 了周界复合现象，并通过在 IBC光伏 器件 中使用 POLO 接触获得 25%的 转换 效率。 陈 等人 [27]获得了 转换效率达 23.91% 、 jo 低至 7 fA cm ^{− 2} 的 TOPCon太阳能器件。Lozac等人[28]通过采用 正反双 TOPCon 接触获得了 18.8% 的转换 效率。 Peibst等人[29]提出了一种效率为22.3%的低串联电阻(低于0.05 Ω  cm ² )双接触POLO 器件 。而 Krugener等人[30]报道了通过形成n-POLO接触使IBC太阳能器件的转换效率达25%，并 提出 提高 ShockleyRead-Hall（SRH） 体 寿命 的建议 。 张 等人 [31]研究了基于TOPCon的 晶体硅 太阳能器件中通过薄氧化物层的电荷载流子传输机制。然而，由于加工成本高， TOPCon和PERpoly 接触工艺 并未 在 PERC太阳能器件 制备中得到广泛应用 。更重要的是，研究界采用了 POLO接触方法，该方法与PERC器件 兼容性良好 ，可实现更好的表面钝化 [25 , 32]。在PERC器件中 采用 POLO接触，显著提高了接触面附近的钝化面积， 且 具有低接触电阻率和较高载流子选择性， 进而 提高了器件性能 [19,21,33]。 为 减少接触复合损耗，在金属 /硅界面之间 插入 超薄氧化层，以 提高 开路电压（ VOC）。然而，POLO接触中多晶材料的掺杂在电荷载流子的隧穿中起 关键 作用。因此， 人们开始尝试 另一种方法，即 在 氧化物基静电掺杂（ SILO-ED）上的硅化物被认为是通过避免实际物理掺杂（例如在多晶层内的n+型或p+型ED区域）来诱导聚硅中的静电掺杂（ED）。 本文中 ，传统 PERC器件的分析是 将观察正反面 接触 SRV 在 10 到 10 ⁷ cm s ^-1 范围内的变化来 检查 对 界面缺陷的影响。然后 正面 采用 SILO-ED电子载流子选择性接触 来 减少接触复合损耗。然而，在单个 SILO-ED PERC器件中，背面接触复合损耗是 一个 限制因素。因此， 本文 研究了 背面 接触 SRV 在 10 到 10 ⁷ cm s ^-1 范围内的变化 的影响。此外，还引入了双 SILO-ED载流子选择 接触 ，其中 背面 引入空穴选择 接触 ， 正面 引入电子选择触。尽管对钝化接触进行了大量 的 研究 ， 但研究人员并未 对 PERC太阳能器件的双SILO-ED概念 进行报道 。 本文中的 两种金属硅化物，即 ErSi2 和 Pd2Si ，其中， 功函数 为 3 eV (Φm) 的 ErSi2用于单个SILO-ED法，功函数 为 5.4 eV的Pd2Si (Φm) （ 包括 正 面的 ErSi2 ） 用于 双 SILO-ED 法 。全文共分为四 个 部分。第 1节和第2节介绍了与 器件 和模拟 有 关的所有细节。 第 3 节讨论 所有 具备 完整分析 的结果 ，该节分为三个小节。 3.1节对PERC装置进行了全面的研究，其中 还研究了正反面 接触下 SRV的影响。3.2节 分析了单个 SILO-ED 和双 SILO-ED 器件 。 3.3节 分析讨论了 比较损失。第 4 节作了归纳 总结。

2. 器件分析和模拟

Silvaco-TCAD软件通过使用 工艺 (ATHENA)和 器件 (ATLAS)两种 模拟器对 PERC 器件进行设计和模拟。其中， ATHENA 模拟器用于工艺模拟， ATLAS 模拟器用于器件模拟 [34,35]。 表 1为器件结构的所有模拟参数和模式。对 PERC 器件、单个 S ILO-ED 、双 S ILO-ED 三 种配置的 所有性能进行了研究 ，并在标准测试条件 (25 ℃ 温度和 AM1.5太阳光谱)   下 进行了进一步处理。图 1 为 设计 拟议器件 的工艺流程示意图。 除了在正表面形成 P OLO 结之外， PERC 器件 的 其他 步骤 均 与 单个 SILO-ED相同。 为制成目标器件， ATHENA 公司 已完成了如 ：制绒 、 形成正面 POLO结、注入、扩散、钝化 、形成背面 POLO结 、正面 /背面 金属化 等工艺 ，分别如图 2 ( a)-(c)所示。 这里使用 7 ×10 ¹⁶ cm ^{− 3} 的 p型掺杂 硅片 [36,37]。 同时 ， 为增强正表面制绒的光陷阱和光吸收， 还设计了高 5 μ m、宽8 μ m、51.3 °倾角 的规则直立金字塔形的 正面制绒  [38 42]。此外，通过离子注入和扩散 工艺，在正面 形成 n+型发射极。 然后 用优化后的 电介堆 SiNX (70 nm)和SiO2 (10 nm)叠加进行 正面 钝化，用 Al2O3 (10 nm)/SiNX (100 nm)进行 背面 钝化 [37,43]。通过 同时将两种 (电子 / 空穴 )载流子的SRV从10 变至 10 ⁷ cm s ^-1 来研究 传统 PERC 器件的 接触 SRV影响。取SRVn为100 cm s ^-1 , SRVp为15 cm s ^-1 ，以评估 电 介质钝化表面 的 界面缺陷影响 [44-48]。 另外 ，掺杂 1019 cm ^-3 (宽度=55 μ m[49,50]，深度=4.3 μ m[37])的BSF在 硅片 背面形成重掺杂区 (p+)。

如今 ，研究界正在 研究 减少 栅线线宽来降低 与 正面栅线 相关的光电损耗。 Richter等人[20]在TOPCon 器件正面 使用了 11 μ m 宽度 的 栅线 ，而 Tepner等人在PERC 器件 中使用了 19 μ m 宽、 18 μ m 高 的 栅线 [51]。因此 ，本文参考 Tepner等 人发表的 文献 [51]，分别将 正面 银 (Ag)电极 栅线的 宽度和高度设置为 19 μ m和18 μ m。 然后 打开 背面接触 ，接着进行 正面 (Ag)和 背面 (Al) 接触 金属化，形成 PERC器件，如图2(a)所示。其他地方报道了传统PERC 器件 的详细 制备 工艺步骤和流程图 [52]。同样，图2(b) 展示了 通过选择性地在隧 穿 氧化层 (SiO ₂ 1.5nm)上沉积多晶硅(70nm) 制备 单个 SILO-ED 器件 [53]。 然后进行与 PERC 器件制备 相同的步骤，即 形成 发射极， 正面和背面的 表面钝化 然后再 对铒进行选择性溅射 。随后， 使用快速热退火工艺生成 ErSi2，并借助过氧化物硫酸混合物去除未反应的铒[54]。此外， 在 恒定 SRVp (15cm s ^-1 ) 数值的前提下， 通过将 单个 SILO-ED 器件的 SRVn 数值 从 10 调节 到 107cm s ^-1 ，分析 SRVn在 背面 接触下的影响。双 SILO-ED接触PERC 器件 采用了类似的 方法 ，其中包括 背面 界面氧化物沉积和使用电子束蒸发选择性沉积钯的附加步骤 [55]。SILO-ED 基器件正面接触 是电子选择性的， 背面接触 是空穴选择性的，如图 2(c)所示。 本文 根据已发表的文献 [37,52]采用了各种 模式 ，如表 1所示。此外，还采用牛顿法对载流子输运方程进行数学求解。为解释载流子的隧 穿 效应，使用各种自洽的带内和带间量子 隧穿模式 [35,37]。为精确模拟， 提出了 SiO2材料的导带(CB)/价带中电子和空穴的有效质量为0.2 (mc=mv=0.2)[35] 的假定 。硅的不完全电离 模式 用于模拟 [56,57]。 硅 的光学 特性 源 自 Silvaco ATLAS库的SOPRA数据库[35]，而SiN _X 、 SiO ₂ 和 Al ₂ O ₃ 层的折射率则 源自 已 公开发 表的文献 [58-60]。

图 1 . PERC 器件的单个 S ILO-ED 和 双 S ILO-ED 工艺流程示意图

图 2 . PERC 器件的（ a ） PERC 电池 ( b) 单个 S ILO-ED 和 (c) 双 S ILO-ED 器件结构

3. 结果与讨论

3.1 节描述了正面和背面 接触 SRV变化 对 PERC 器件 的 集体 影响。 3.2节介绍了 正界面 的 SILOED方法，以及 单个 SILO-ED 器件 中 背面 接触 SRV的变化分析。此外，还将硅化物用于 正面和背面 的选择性 接触 ，并 进行了相应光伏 性能 的研究 。

3.1. PERC 太阳能电池

本文对 未 钝化接触的 PERC器件进行 了 全面 的 分析 。对正反面 接触 SRV(从10到10 ⁷ cm s ^-1 )变化的 集体 影响 进行了研究 。对每个 序列 ，即 49个数据集进行接触SRVpSRVn的集体变异 ， 进行 了 PERC器件 进行了 完整分析。 得出的光伏 性能整体参数如图 3(a)和(d)所示。结果表明，随着SRV 集体值 的增大，由于 正反面 接触界面的复合损耗 的上升 ， PERC器件的 光伏性能 逐渐降低。图 3(a)描述了在较高和较低SRV 值 下获得的 最差和最佳 器件性能。 从数量上看， JSC从42.04mA cm ^-2 降至 41.48mA cm ^-2 ，而 SRV从10 升至 10 ⁷ cm s ^-1 。如图 3(b)所示， 随着 复合损失增加和扩散长度 变 短， V _OC 从 0.71V 降至 0.69V。此外，图3(c)描述了填充因子(FF)从81.27% 骤降至 80.87%，这是由于在增加SRV的同时增加了串联电阻。 另外，还研究了 接触 SRV的变化对功率转换效率(PCE)的集体影响，并 发现 PCE的显著变化。从图3(d)中可以看出， 随着 S RV 的提高， PCE从24.23% 降至 23.27%， 切 JSC、VOC和FF 也存在 相似 趋势 。 .因此，PERC器件的整体性能 可以通过低 SRV (10 cm s-1)得到优化， 获得 2 4.34% 的转换效率（光伏参数为： J _SC =42.04 mA cm ^-2 , VOC=0.71 V, FF=81.27%)。图4显示了优化接触 S RV下的发光电流 - 密度（ J-V）和外量子效率（EQE）曲线。EQE曲线 表明 ，由于复合损失， 正面 表面 附近 EQE呈下降趋势，而在较长波长(950nm)处，由于光吸收最小、扩散长度低和 背面 复合损失， EQE曲线的红色 响应区域减少 。因此，最大的 EQE响应在500~900nm 之间 。 图 5展示了为 研究载流子动态 ， 在热平衡条件下 获得 PERC器件的能带图(EBDs)。 该图 显示了电子 / 空穴是如何在设备内部 ，尤其是 在 正面 接触界面附近移动的。从图 5的 插图 可以 看出，硅片 内部 (靠近界面)产生的 空穴 将被迫回到 硅基材料 中，而在 n+区域产生的 空穴 将有机会在 正面 接触界面附近 重组 。传统 PERC 器件 很难进一步降低复合损耗。

图 3 . SRVn 和 S RVp （ 1 0 到 1 0 ⁷ cm  s ^-1 ） 对光伏参数的集体影响：光伏器件的 (a) Jsc, (b ) V oc （ c ） F F 以及 (d) PCE

图 4 . 在 SRV 为优化 值在 10 cm s ^-1 的前提下，制绒后的 P ERC 器件的 光照 J-V 和 EQE 曲线

图 5 . PERC 器件的能带图 ( EBD) ，热平衡下 正面 界面的放大图

3.2. 在 P ERC 器件中部署 S ILO-ED 的方法

3.1节 总结了优化 SRV 使其值处于 10 cm s ^-1 时， 我们获得了 效率为 24.23% 制绒  PERC器件。本节致力于研究基于SILO-ED方法的载波选择性接触的概念。ErSi2在薄氧化层上以进行电子选择接触 上进行 沉积，且功函数差诱导的 ED概念可以 控制硅片 中的掺杂 [33,68-73]。 因此，两种金属硅化物，即功函数 (Φm) 为 3 eV [74] 的 ErSi2 用于单个 S ILO-ED 方法，功函数 (Φm) 为 5.4eV [74] 的 Pd2Si 用于背表面。  

3.2.1. 基于单个 S ILO-ED 的 P ERC 电池

本节介绍了 为 最大限度地减少传统器件的 正面接触 复合损失 ，把 单个 SILO-ED器件 （ ErSi2 (3ev)作为金属硅化物 ） [74] 作为 电子选择 性接 触。在本研究中，选择性接触 靠载流子的隧穿， 通过界面氧化物从硅片隧穿到选择性接触 点 。因此， 为允 许所需载流子隧穿 ，需要将 能带适当弯曲。 单个 SILO-ED器件选 用 电子选择性 接触实现 电子隧穿。 为验 证电子隧穿， 我们获取了器件的 能带图 （ E BD ）， 如图 6所示。与底层p 型 掺杂硅片相比，功函数 为 3ev的ErSi2产生了 明显的 功函数差异， 从而在 硅片中产生了静电场并诱导了 镜 像电荷。 进而产生的 ED使 得 能带在氧化物界面附近向下移动，如图 6所示。 所得到的能带图与 现有的 P OLO 基 载流子选择性接触 相似 ，其中电子通过界面氧化物从 硅片 隧穿到多晶硅层 [19,75,76]。因此， 能 带图验证了电子选择接触的形成，其中电子从硅导带中的 有效 态隧穿到 ErSi2中的 有效 态。此外还将产生一个 足 以防止空穴向界面氧化物移动 并抑制其与电子复合的 电场。虽然电子选择接触成功地通过 SILO-ED接触 应用到 正面，但 由于 背面的金属 -半导体界面仍未钝化， 从而 导致光生载流子以 107 cm s-1的量级重新组合[18]。因此， 为验证其潜在效率， 我们还研究了 背面 接触 SRV对 单个 SILO-ED器件的影响。通过改变 背面 接触 SRV (10 ⁷ -10 cm s ^-1 )，对 单个 SILO-ED器件的性能进行了研究和分析。模拟 光伏 参数和 光照 JV曲线分别如图7和图8所示。结果表明， 随着背面接触 SRV的 降低 ，器件性能得到了显著提高。 从数量上看， J sc 从 41.37 mA cm ^-2 升至 41.62 mA cm ^-2 ， 背面 接触 SRV从10 ⁷ 降至 10 cm s ^-1 。同样，由于复合损失较低， V _OC 从 0.721 升至 0.737V，而SRV与J sc均 降低 了 。 本文 研究了不同 背面 接触 SRV对FF的影响， 我们 发现 FF变化不大。 此外， 三 类光伏 参数 (JSC、VOC、FF)都 对单个 SILO-ED器件的整体转换效率 产生影响。 由于载流子寿命的增加，随着 SRV的降低， 单个 SILO-ED器件的整体转换效率从24.7%提高到25.39%，从而降低了复合损耗。因此，在接触SRV值 处于 10cm s ^-1 的低值域 时， 单个  SILO-ED PERC器件的性能 得到了优化 ， 最佳光伏 参数 为： J _SC =41.62 mA cm-2, V _OC =0.737 V, FF=82.76% ， PCE=25.39%。 在 优化后 的背面接触 SRV 条件下 ，单个 SILO-ED PERC器件的 光照 J–V如图8所示。优化后的器件 ， j ₀ 低至 14.4 fA·cm ^-2 , Rs低至517 m Ω · cm ² ， 正面 接触复合损耗 得到了抑制 ， V _OC 也得到了提高 。

图 6 . 热平衡下单个 SILO-ED PERC 装置的 EBD 。插图 : 前端接口的 POLO 结

图 7 . SRVn 对模拟 光伏 参数的影响 : 单个 SILO-ED PERC 器件的 PCE 、 J sc 、 Voc 和 FF

图 8 . 在 SRVn 的优化值 为 10 cm s ^-1 的 前提 下， 单个 SILO-ED 制绒 PERC 器件背面接触界面处的 光照 JV 曲线

图 9 . 热平衡下双 S ILO-ED PERC 电池的 E BD ，插图： P OLO 结的正面和背面

3.2.2. 双 S ILO-ED PERC 电池

在上节中，单个 SILO ED 接触 的效率为 25.4%， 背面接触 SRV为10cm s ^-1 。 值得注意的是 ，要在背面接触界面实现如此低 的 SRV，我们需要在背面 增加 一个载流子选择性接触。因此，在背面 使 用另一个 SILO ED ，并将其命名为 双 SILO-ED 接触 。在双 SILO-ED方法中，两种不同的硅化物(ErSi2, Pd2Si)直接沉积在 正面和背面 隧道氧化层的上方。 和上一节中一样， Pd2Si 的 功函数为 Φm=5.4 eV, ErSi2 的 功函数为 Φm=3eV 。 硅和 Pd2Si的功函数差异产生了静电场。它以空穴的形式诱导像电荷，导致能带向上弯曲 。这样 有利于空穴从硅隧穿到 Pd2Si，并在背面形成空穴选择接触。 为 研究图 9(a)和(b) 中 的选择性接触界面附近的载流子动力学 ，我们取得了 双 SILO-ED 器件正面和背面接触 附近的 EBD数据。 该等 E BD与文献中提出的现有双POLO载体选择性 接触类似 [75,77]。从 该等 EBD可以看出，电子可以直接通 过硅中 的 CB隧穿到ErSi2电极的 正面接触点 ，空穴可以从硅隧穿到 Pd2Si电极的 背面接 触点。同时，界面电场会将少数载流子 (空穴和电子)分别 从正面和背面 接触界面 推开 (图9(a)和(b))。 这种方法减少了两个选择性接触界面的表面复合，将饱和电流降至 11.8 fA cm ^-2 ，串联电阻降 至 508m Ω .cm ² ，并 将 V OC 优化至 0.742V。双SILO-ED概念提高了器件性能，如图10所示的J–V曲线验证了这一 说法 。在 PERC器件中采用双SILO-ED 可以获得最佳光伏 参数，即 J _SC =41.81 mA cm ^-2 , V _OC =0.742V, FF=82.88%，PCE=25.73%， 详 见表 2。

图 1 0. 制绒后的双 S ILO-ED PERC 器件的光照 J V 曲线图

表 2 .   对比三种配置（ PERC 、 单个 S ILO-ED 、双 S ILO-ED 载流子选择性接触 PERC 器件）的光伏参数 与理论俄格极限效率 [78]

3.3. 效率 为 25.7%的 双 S ILO-ED PERC 器件与 29.4%俄歇极限 效率对比

我们对 双 S ILO-ED PER 器件 的性能与 29.4%俄歇极限 效率作了比较 [78]。从图11可以看出，俄歇极限效率和模拟效率相差12.6%。 对比 JSC 模拟  (41.81 mA cm ^-2 )和JSC 理论 (43.3 mA cm ^-2 )可以看出 ， 由反射和重组损耗引起的 JSC 模拟数据 损耗为 3.5% (1.5 mA cm ^-2 )。与朗伯光捕获光学器件相比， 该 JSC损耗也 表明 理论极限计算中 ，背面不存在 光捕获结构。为 获得最大 光生电流密度 和最小 JSC损耗 ，在正面和背面表面制绒设计中，可 在 正面和背面各设置 一个光捕获架构。然后， 我们 比较 了 V _OC 模拟 (742 mV)和VOC 理论 (761 mV)，只有2.5%的 损耗 。双载流子选择性接触的存在提高了 器件 性能 。同时，相比 最近文献报道的传统 PERC 器件，其 V _OC 数值提高了不少 [25,79]。 其他的 V _OC 损失 的减少 可以通过减少 SRH 复合损耗 和 使用 高载流子寿命的 硅片来实现 。同样， FF 模拟 (82.8%)与FF 理论 值 (89.3%) 相比 ， 复合 和电阻损耗造成约 7.3%的损耗。发射 极 内的横向电阻 和正面（ 包括 栅线、母栅 接触和线路电阻 ） 金属化 是 电阻 损耗 的 主要因素 。 因此，可以通过改善 金属化技术来 获得最小栅线宽度，进而 获得更好的 产品 性能。 另外 ，多母 栅 或多线法可以通过减少 栅线和母栅 之间的电流流动来最大 程度地 减少电阻 损耗 。

图 1 1. 对比双 S ILO-ED PERC 器件与俄歇极限的 : (a) J _SC , (b) V _OC,  (c) FF and (d) PCE 性能

4. 结论

本研究提出的双 SILO-ED PERC 器件 的 正反 表面 均 使用了 POLO 接触，以实现 电荷载流子的隧穿，并通过 Silvaco-TCAD工具进行 处理 。首先， 我们对未进行 钝化接触的传统 PERC 器件的正面和背面接触 S RV 的集体影响 进行了研究 ， 结果 发现 ， 接触 SRV 处于低值时  (即10 cm s ^-1 ) ， 可以 获得最佳光伏性能 。然后，采用单个 SILO-ED载流子选择性接触，分析了不同 背面 接触 SRV 的 单个 SILO-ED器件性能， 结果显示， 转换效率最 高 为 25.39%。 单个 S ILO-ED PERC 可得到 j ₀  (14.4 fA·cm ^-2 )和Rs(517 m Ω ·cm ² )。之后，研究了PERC器件 两面 金属硅化物的双 SILO-ED法，通过 使正面和背面的 复合损失 最小化 来进一步提高性能。双 SILO-ED的PERC器件 得到了 j0 (11.8fA cm ^-2 )和Rs (508 m Ω ·cm ² )，改善 了光伏 参数，即 J _SC =41.81mA cm ² ,V _OC =0.742V, FF=82.88% ,  PCE=25.73%。此外，还对双SILO-ED器件的损耗进行了分析。 文中 提出的 SILO-ED载流子选择性 接触 有 利于 未来高效 PERC器件的开发。

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