钝化：提效的关键

晶体硅太阳能电池中表面或者晶界的局域态缺陷主要由以下三方面原因引起：1）悬挂键，主要是由于基体表面断键引起的晶体缺陷。2）器件制备过程中由工艺引入的杂质掺杂，在高浓度掺杂的情况下会引入死层 (未激活的掺杂剂)缺陷从而引起晶格发生畸变。另外，高浓度掺杂情况下会引入俄歇复合。3）硅晶体在硅锭制备的过程引入了杂质、晶体不良等缺陷。

在各种缺陷中，最突出的表面缺陷。在硅片切割过程中，硅原子周期性排列的中 断导致悬挂键的存在，从而形成复合中心。而钝化的过程是指通过使已存在的缺 陷失去活性，从而达到减少载流子表面复合的作用。主要有两种互补的钝化方法：

（一）场效应钝化。通过在表面附近产生一个电场，可以阻止类似极性的电荷载 流子靠近，从而极大地减少一种极性的载流子达到表面的数量；

（二）化学钝化。一种是在表面生长一个表面层，使原子有足够的时间和能量达 到最佳能级，从而使表面悬空键饱和。另一种是沉积一层富 H 的电介质层，通 过其在烧结过程中释放的游离氢来占据悬空键的空位，从而起到钝化效果。

3.2、 钝化层的选择，决定了电池路径

钝化是光伏电池提效的关键，因此选择合适的钝化材料至关重要，需要根据表面 电荷特性和电池结构进行合理搭配。而正是不同的钝化结构，决定了不同的电池 技术路线。

根据 Jan Schmidt 等人 2018 年建立的理论模型，不同的钝化介质会形成不同的 钝化界面特性（如饱和电流 J0、接触电阻ρc 等），选取电子选择接触层、空穴 选择接触层相互组合后，理论上可以计算出不同电池模型的最大效率。基于此模型和各种钝化膜的钝化和电导性结果，得到了双面 TOPCon 电池的理 论极限效率为 28.7%，而 HJT 电池的理论极限效率为 27.5%。

2021 年，隆基公司 Wei Long 等人对该模型进行了修正。采用微晶、纳米晶材 料替代原有的 i、p 层非晶硅，得到了更低的钝化膜接触电阻，但钝化特性并没 有变差。根据修正后的结果，双面 TOPCon 电池的理论极限效率为 28.7%，而 HJT 电池 的理论极限效率为 28.5%。

氧化铝：PERC 走向工业化的关键

PERC 电池结构最早于 1989 年由新南威尔士大学 Martin Green 所领导的研究小 组提出。该电池正面采用光刻工艺制备“倒金字塔”陷光结构，双面生长高质量 氧化硅层，正面氧化硅层作为减反膜，进一步改善正面的陷光效果。背面氧化硅 层作为钝化膜，避免背金属电极与硅片全接触。

UNSW 开发的 PERC 系列电池虽然转换效率高，但技术复杂，成本高，特别是 需要利用多次光刻和高温热氧钝化工艺，这导致该系列电池没有走向产业化。真 正使 PERC 电池产业化取得突破性进展的是氧化铝应用于太阳能电池做界面钝 化层。

2006 年，G.Agostinelli 等利用原子层沉积（ALD）技术在 p 型单晶硅表面沉积 Al2O3 薄膜，将表面复合速率降低至 10cm/s。2010 年，Thomas Lauermann 等率先将 Al2O3 钝化用于 125mm×125mm 的 p 型 CA 硅片，背面采用 15nmALD- Al2O3/80nmPECVD-SiN 叠层钝化，效率为 18.6%，从而促进了大尺 寸 PERC 电池的产业化进展。

对于 p 型表面来说，Al2O3是最佳的钝化材料。因为：1）大多数钝化膜都带正电荷，如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等，但氧化铝在沉积过程中，负电荷恰好处在氧化铝和硅晶表面生成的氧化硅界面的交界处，且负电荷密度高，可确保产生高效的场钝化效果；

2）氧化铝的化学钝化效果也非常好，饱和了晶体硅表面的悬空键，降低了界面态密度。目前采用 AlOx/SiNx 叠层钝化膜进行 PERC 电池的背表面钝化。原因主要是：1）氮化硅层实现对氧化铝层的保护；2）厚度达到 100nm 以上，实现内反射。

（氢化）非晶硅：HJT 电池的关键钝化材料

20 世纪 60 年底后期，氢化非晶硅（a-Si:H）的发现引发了研究者极大的兴趣， 具有合适的载流子迁移率的 a-Si:H 成为潜在的光伏材料。研究过程中有两个里程碑：1）1974 年，Lewis 等解释了氢在饱和 Si 原子悬挂键和形成稳定的互联 Si-H 环 结构中的作用；2）1975 年实现取代掺杂， n 型掺杂（p 型掺杂）通过向硅烷气体中加入磷（乙 硼烷）而实现。

1979 年，三洋公司首次发布商用 a-Si:H 太阳能电池，用于手持计算器。20 世 纪 80 年代后期，三洋的研究部门用 a-Si:H 和 c-Si 形成硅基异质结，并在 1991 年以商标 HIT 为他们的 a-Si/c-Si 异质结（SHJ）电池的混合设计申请了专利。2011 年专利到期后，国内外开始尝试规模化量产。

氧化硅（隧穿氧化层）+多晶硅

隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）太阳能电 池，是 2013 年在第 28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer 太阳能研究 所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池。氢化非晶硅对温度的要求十分苛刻（不超过 200℃），而多晶硅薄膜对温度忍耐 性高，结合对电子和空穴具有选择性通过的隧穿薄膜形成钝化接触结构，并通过 高温扩散工艺完成掺杂的异质发射极。实际上，多晶硅薄膜发射技术在 1980 年的半导体集成电路工艺上已实现商业化 应用。早期的双二极管研究工作中，发现薄 SiOx 层加掺杂的多晶硅层可以获得 低复合速率，并在 1990 年证明可以用于晶体硅太阳能电池的接触钝化。隧穿层的备选方案包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx 等，本来 a-Si:H 是比较理想 的，但由于寄生光吸收、热稳定性差等原因，目前晶体硅电池上研究较多和产业 化应用的隧穿层主要是 SiO2材料。

3.3、 钝化接触：高效路线的本质

正确理解钝化和接触

在传统铝背场电池和 PERC 电池中，金属与晶硅层是相互接触的，不同的是铝背 场电池中采取了面接触（BSF），而改进后的 PERC 电池采取了线接触（LBSF）。原因在于，尽管全界面钝化对背面钝化效果是最好的，但不能满足金属化的要求， 这就需要对背面钝化层进行开孔并实现局域金属接触。

一方面，局域接触面积较 小，将电极接触处复合降至最低，另一方面，也满足了电流传导的金属化要求。但是，在金属和半导体的直接接触区域，金属层在接触界面附近的带隙内引入了 巨量的电子态，导致电池端有超过 50%的载流子复合损失。

除了进行金属接触区域的局部重掺杂，减少金属/半导体的接触面积之外，一个 行之有效的办法就是：采用超薄介质薄膜将金属和半导体隔离，钝化硅片表面， 同时薄膜可以实现载流子的隧穿效应以保证载流子传导，这种技术被称为钝化 （界面）接触（电接触）技术。

这就意味着既要有良好的界面钝化效果，又要能实现良好的电接触，可选择的材 料包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx等。

从钝化效果来看，SiO2、a-Si:H、Ta2O5/SiNx 具有较好的钝化效果。N+ polySi 和 a-Si:H 具备较低的复合电流，但 a-Si:H 的接触电阻大于 N+ polySi。由于对 SiO2、a-Si:H 的钝化路线的选择，形成了 TOPCon、HJT 两大 N 型电池技术路 线。又由于 a-Si:H 的热稳定性差，决定了 HJT 需采用低温路线。

TOPCon：薄 SiO2层在接触钝化中起到关键作用，而掺杂多晶硅一方面通过 n+/n 高低场作 用减少了硅基体界面处少数载流子密度，另一方面为多数载流子提供良好的传导性能。

钝化接触效果直接体现在开路电压和短路电流上。从开路电压Voc 来看，HJT>TOPCon>PERC。PERC普遍不超过700mV，TOPCon 则处于 720-730mV（单面钝化接触），HJT 则普遍大于 735mV，甚至接近 750mV （双面钝化接触）。从短路电流来看，TOPCon>PERC>HJT。受到前表面寄生吸收的影响，HJT 短路电流较低。

来源：电力电子研究院，未来智库

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