关于“Hydrogenation behaviors in passivated emitter and rear silicon solar cells with variously hydrogenated SiNx films”的研究报告

作者、机构及发表信息

本文研究题为“Hydrogenation behaviors in passivated emitter and rear silicon solar cells with variously hydrogenated SiNx films”，作者包括Tsung-Cheng Chen、Ing-Song Yu和Zu-Po Yang，分别来自台湾的National Chiao Tung University和National Dong Hwa University。该研究发表于知名期刊《Applied Surface Science》，并由Elsevier出版。文章编号为521 (2020) 146386，在线发布时间为2020年4月22日。

研究背景

本研究属于光伏(PV)技术领域，聚焦于提高硅基太阳能电池的长期稳定性和转换效率。化石燃料发电引发的环境问题和全球能源需求的提升，推动了可持续能源的兴起。其中，光伏技术因其可再生性和技术成熟度被视为替代传统化石燃料的有力方案。然而，在光伏模块中，由p型硼掺杂Czochralski（CZ）硅衬底制成的太阳能电池（占比高达95%）存在“光致衰减”（Light Induced Degradation, LID）问题。

LID效应是指在光照下，硅光伏组件的输出功率因硼-氧(B-O)复合缺陷的存在而降低。此类缺陷会形成缺陷能级，显著影响p型硅太阳能电池的长期性能表现。为了解决这一问题，过去的研究尝试包括使用无B-O缺陷的硅衬底（例如n型硅或镓掺杂底）替代传统p型硼掺杂硅衬底。直到2006年，先进氢化技术（Carrier Induced Hydrogenation, CIH）被提出，成为消除LID的重要方法。CIH通过适度热处理及注入额外电荷载流子来实现B-O缺陷的钝化。此前实验已指出，氢原子通过其负电荷态（H⁻）与正电荷态的B-O缺陷发生作用，促进缺陷的钝化。

在此背景下，本文主要研究如何通过控制氢化硅氮化物薄膜（SiNx:H）的属性进一步优化CIH工艺，并解决可能出现的“氢化诱导退化”（Hydrogen Induced Degradation, HID）问题。

研究目标

本文的主要目标包括：
1. 通过使用不同折射率的SiNx:H膜研究氢的注入行为及其对硅基太阳能电池的性能影响；
2. 探讨CIH过程中氢对钝化B-O缺陷和改善硅体质量的重要性；
3. 研究HID在高效太阳能电池中对性能的可能负面影响；
4. 确定优化CIH工艺的参数。

实验流程及方法

该研究分为多个步骤，包括样品制备、SiNx:H薄膜的折射率控制、电性能测试及关键性分析。具体实验流程如下：

1. 样品制备
   实验使用的是硼掺杂CZ单晶硅PERC电池，硅片的厚度为180微米，电阻率在0.5至1.5欧姆·厘米之间。PERC太阳能电池工艺流程由台湾Eton Solar Tech公司完成。所使用的PERC电池采用“选择性发射极（Selective Emitter, SE）”设计和5条主栅的封装结构。

2. 控制SiNx:H薄膜折射率
   通过调节PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）工艺中硅烷（SiH₄）和氨气（NH₃）的流量比，实验生成四种不同折射率的SiNx:H薄膜，分别为1.97（LN组）、1.99（MLN组）、2.07（MHN组）及2.34（HN组）。薄膜设计厚度均为140纳米。

3. 电性评估
   完成PERC太阳能电池制备后，通过IV测试仪记录每块电池在CIH处理前后的电性能参数，包括开路电压（Voc）和转换效率（Eta）。CIH被应用于所有测试样品，实验过程中注入电流7A，温度170°C，时长54分钟。

4. SIMS测试
   为了研究氢原子的深度分布及在硅基体中的浓度变化，使用二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS）对部分半成品样品进行分析，包括氢(¹H)、氧(¹⁶O)、硅和氮键(¹⁴N²⁸Si)等元素的深度分布，以定位SiNx:H/AlOx/C-Si界面氢浓度。

5. 数据分析
   利用盒图及置信区间分析方法，讨论电池效率的变化趋势，并通过SIMS结果确定界面处氢元素浓度与SiNx:H折射率的关系。

研究结果

1. 折射率与CIH性能的关系
   通过比较不同折射率的SiNx:H薄膜，研究发现当折射率从1.97增加到2.07时，转换效率增益从0.204%上涨到0.249%；而折射率进一步提高到2.34时，转换效率小幅下降至0.239%。此趋势表明，CIH性能受氢浓度及其分布的影响，其效率增益呈现出二次函数趋势。

2. SIMS分析与氢行为
   SIMS测试结果显示，随着SiNx:H膜折射率从1.97增至2.34，其界面处氢原子浓度增加了10%。这一结果支持了折射率可控制氢浓度，最终影响CIH性能优化。然而，实验同时表明过量氢可能导致HID问题，例如引发界面缺陷或增加接触电阻。

3. 氢行为的双重效应
   实验数据揭示，氢在CIH处理中的作用并非单一：当氢浓度适中时，其钝化作用增强转换效率；但当氢浓度过高时，则可能引发HID。具体表现为硅片的初始质量越高，HID效应越显著。

结论及意义

1. 科学与工业价值
   本研究通过调节SiNx:H薄膜折射率，为优化CIH工艺提供了实验依据。该结果不仅解决了传统工艺中B-O缺陷导致的功率衰减问题，还为在PERC、TOPCon和HJT等高效电池中的应用提供了实践指导。

2. 重要发现
   该研究首次在商业成品电池中系统研究了CIH过程中的氢注入行为及其退化效应，表明优化氢浓度是提升太阳能电池效率的关键。然而，过量氢导致的HID效应也为未来工艺优化提出了挑战。

研究亮点

• 系统揭示了SiNx:H膜折射率与氢注入行为的定量关系；
  
• 从细胞层级验证了氢化与退化之间的动态平衡；
  
• 丰富了CIH工艺在高效电池中的理论与实践应用基础。
  

通过本研究的突破性成果，未来硅基太阳能电池制造在LID及HID问题解决方面将迈向更高效、更可持续的方向。