本文是类型a：一个原创研究的学术报告，以下是综合分析和报告：

作者与发表信息

这篇研究文章的题目为《Significant Improvement of Passivation Performance by Two-Step Preparation of Amorphous Silicon Passivation Layers in Silicon Heterojunction Solar Cells》，发表在Chin. Phys. Lett.期刊第34卷第3期（2017年），文章编号为038101。主要作者包括张悦（Yue Zhang）、郁操（Cao Yu）、杨苗（Miao Yang）等，分别来自北京工业大学材料科学与工程学院和成都的Hanergy薄膜电力研发中心。文章收稿日期为2016年11月23日。

研究背景

该研究属于太阳能光伏领域，聚焦于硅异质结（Silicon Heterojunction, 简称SHJ）太阳能电池的界面钝化性能优化。SHJ太阳能电池目前因其高能量转换效率在工业领域引起广泛关注：2016年，Kaneka公司创造了一项26.3%的SHJ转换效率新纪录。SHJ太阳能电池的关键性能特征之一是极低的表面复合速率（surface recombination），通过在晶体硅（crystalline silicon, 简称c-Si）表面应用薄的氢化非晶硅层（hydrogenated amorphous silicon, 简称a-Si:H）实现优异的钝化效果，进而获得较高的开路电压（Voc）。

尽管氢化非晶硅薄膜能够实现这种优越的性能，但其钝化质量受薄膜的沉积条件、表面处理和界面特性影响。目前面临的问题是提高钝化性能的同时，避免薄膜生长过程中等离子体损伤和硅膜晶化（epitaxial growth）。因此，研究团队以此为背景，提出了一种两步法制备a-Si:H钝化层的创新解决方案，并尝试通过这一方法提高太阳能电池的整体效率及开路电压。

研究流程

这项研究工作分为以下步骤，并详细描述了实验材料、工艺和分析流程：

1. 研究对象与实验设备

研究对象为商品化的太阳能级直拉法（Czochralski-grown, 简称CZ）n型硅片，电阻范围为3-5 Ω·cm，厚度为200 μm，表面经化学腐蚀制成金字塔结构。使用了RCA清洗工艺进行硅片表面清洗，并在沉积前通过氢氟酸（HF）溶液去除硅片表面天然氧化物层。

实验设备包括：
- 用于a-Si:H沉积的40 MHz高频等离子体增强化学气相沉积（very high-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition, VHF-PECVD）设备，工作温度为220℃； - 使用磁控溅射法制备的氧化铟锡（indium tin oxide, ITO）透明导电薄膜； - 丝网印刷法形成前后银电极。

2. 制备钝化层

实验设计了三种钝化层沉积方案：
- 单步法（Single-step）：直接通过氢稀释硅烷等离子体（hydrogen diluted silane plasma, HDSP）沉积； - 纯硅烷高耗尽等离子体法（High-depletion pure silane plasma, PSP）：以纯硅烷作为主要沉积气体； - 两步法（Two-step method）：先通过PSP沉积3 nm缓冲层，再通过HDSP沉积4 nm薄膜，总厚度保持在7 nm。

钝化质量用少数载流子寿命（effective minority carrier lifetime, τeff）进行定量评价，通过美国Sinton Consulting公司的WCT-120准稳态光导率系统测得。

3. 性能检测与分析

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析薄膜中的氢键含量（sih和sih2），并使用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）检测a-Si/c-Si界面的原子级结构。此外，完成的SHJ太阳能电池还进行了电流电压（J-V）测量，以评估钝化层对器件性能的影响。

研究主要结果

1. 钝化性能比较

两步法钝化层表现出最佳性能，其τeff达到2808 μs，远高于单步HDSP工艺的306 μs和单步PSP工艺的1345 μs。同样，通过厚度优化后，两步法的最高τeff值超过4500 μs。

支持数据表明，两步法中，PSP缓冲层显著减少了等离子体对c-Si表面的损伤，同时避免了HDSP下的薄膜晶化。HR-TEM图像显示，两步法工艺得到的a-Si/c-Si界面清晰，没有晶化层。

2. 氢化性能

FTIR光谱测量表明，两步法制备的薄膜氢含量（C_H）为18.24%，高于PSP法制备的薄膜（C_H为15.45%）。沟道氢化为界面提供了更低的缺陷态密度。

3. 薄膜结构及钝化机制

两步法的薄膜微结构因子（R）低于PSP工艺，显示出更高的薄膜有序性和更少的缺陷状态。实验验证表明，HDSP带来的高氢含量可以穿透缓冲层，有效钝化c-Si表面的悬挂键。

4. 器件性能

基于优化的两步法钝化层，研究团队制备了面积为239 cm²的SHJ太阳能电池，其开路电压达到735 mV，总面积转换效率高达22.4%。两步法显著降低了漏电流密度（reverse current density）和电导率（shunt conductance），进一步印证其高效钝化的质量。

研究结论与意义

该研究成功引入一种两步法制备a-Si:H钝化层的创新工艺，相比于传统单步工艺显著改善了界面钝化性能。通过优化的PSP缓冲层厚度和HDSP氢分布，该方法成功解决了氢稀释硅烷等离子体薄膜沉积过程中的等离子体损伤和晶化问题。研究结果表明，两步法不仅在实验室中达到了优异的钝化效果，同时由于其较大的工艺窗口，在工业化应用中具有极大的潜力。

研究亮点

1. 提出了一种创新性的两步制备方法，综合不同工艺的优势；
2. 钝化性能显著提升，τeff达到4500+ μs；
3. 实现了239 cm²大面积SHJ太阳能电池的22.4%高转换效率；
4. 首次系统性论证了PSP缓冲层厚度对钝化性能的优化作用。

致谢

作者特别感谢Hanergy研发中心的研究支持，并感谢相关基金资助：国家自然科学基金项目（编号61574009等）和北京市科学技术委员会项目（编号z151100003315018等）。