研究背景及基本信息

本文是一项关于氢化非晶硅（hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H）掺杂和光诱导效应的原创研究报告，由Wenzhu Liu及其合作团队完成。主要作者隶属于多个机构，包括上海微系统与信息技术研究所（Chinese Academy of Sciences, SIMIT）、中微新能源（成都）公司、澳大利亚国立大学等。研究成果于2022年5月发表在国际顶级期刊《Nature Energy》。

该研究聚焦于氢化硅半导体及其在太阳能电池中的应用背景，提出了一种通过光照显著提高硼掺杂a-Si:H薄膜暗导电性的机制，为进一步提升硅异质结（Silicon Heterojunction, SHJ）太阳能电池的转换效率提供了新思路。本研究通过实验和理论分析全面揭示了光诱导激活掺杂的微观过程，并最终在大面积硅异质结太阳能电池中实现了25.18%的认证光电转换效率，填充因子（Fill Factor, FF）高达85.42%。

研究背景及目的

氢化非晶硅（a-Si:H）是一种重要的非晶半导体材料，广泛应用于晶体管、电池和太阳能电池等光电设备中。其低缺陷密度和可调导电类型使其成为光伏领域的热点材料。相比传统硅材料，a-Si:H的优势在于其在低温条件下即可沉积且具有良好的表面钝化效果。然而，由于硼（B）这种三价掺杂元素在四价硅（Si）非晶网络中的低掺杂效率，严重限制了其在高效率太阳能电池中的应用。具体而言，传统的制备方法会产生无效的“六配位硼-氢”结构，从而阻碍了有效“硼-硅四配位”（B-Si4）的形成。

鉴于此，本文的研究目标包括： 1. 研究光照条件下，薄膜a-Si:H硼掺杂激活机制以及暗电导率（Dark Conductivity, σdark）的变化； 2. 将这一发现应用于硅异质结太阳能电池，提升其转换效率和器件性能； 3. 探索光诱导效应的可逆性、纳米级氢原子分布及其迁移动力学的理论模型与实验支持。

研究过程及实验流程

本文研究设计了多个实验步骤与理论分析模块，具体流程如下：

1. 实验材料与样品制备

本文使用氢化硅薄膜（p型掺硼a-Si:H，简称p-a-Si:H）作为研究对象，通过高频等离子体化学气相沉积（VHF-PECVD）沉积厚度约为60 nm的薄膜。这些薄膜随后被加工成传输线模型（TLM）结构，用于测试其I–V特性。为了模拟太阳能电池中的真实构型，实验还在部分薄膜上覆盖透明导电层（TCO），如钨掺杂氧化铟（IWO）。

2. 暗电导率测试与光诱导效应研究

a. 光照实验
实验采用标准“1太阳”（100 mW/cm²）光照，监测薄膜在不同光照时间（0至30 min）下的暗电导率变化。结果表明，光照可快速提升p-a-Si:H薄膜的暗电导率，增幅达约4.71倍，而光照后的暗电导率在停止光照后随时间逐渐衰减。

b. 数据拟合与机制分析
光照后的导电率衰减行为通过Debye模型与Williams–Watts模型结合描述，以解析快速扩散（Debye松弛，βd=1）和慢速跳跃（Williams–Watts松弛，0 < βww < 1）氢原子的动力学。

3. 氢原子分布与迁移障碍能研究

a. 二次离子质谱（TOF-SIMS）分析
实验通过TOF-SIMS研究光照及退火条件下氢原子在薄膜中的迁移动力学。结果显示，掺硼薄膜中存在大量弱束缚的氢原子（~20%以上），而本征非晶硅中氢含量几乎不变。

b. 迁移屏障计算与理论模拟
通过分子动力学模拟和过渡态计算，推测出弱束缚氢原子从硼-氢-硅（B-H-Si）跳跃到硅-氢-硅（Si-H-Si）的能垒约为0.88 eV，逆向跳跃能垒更低，仅为0.42 eV。除此之外，结合实验和计算验证，认为弱束缚氢配置（如B-H-Si）是造成掺硼效率降低的原因，而光诱导下的氢跃迁激活了B-Si4，提升了暗电导率。

4. 硅异质结电池性能优化

通过将光诱导掺杂激活机制引入SHJ太阳能电池的产业化制备流程中，实验在244.63 cm²全面积测试下，通过光诱导工艺实现了以下提升： - 开路电压（Voc）提高至~749 mV； - 填充因子（FF）增加至85.42%； - 转换效率（PCE）达25.18%。

研究结果与关键数据

1. 暗电导率变化与动态模型
   在1太阳光照条件下，σdark随光照时间延长迅速提高至初始值的4.71倍，且这种提升效果通过Debye和Williams–Watts模型成功拟合，初步揭示了快速扩散和慢速跳跃两种氢迁移机制。

2. 氢分布与迁移障碍分析
   TOF-SIMS发现，p-a-Si:H中弱束缚氢较多，其约20%的氢原子会在光照或低温退火过程中向薄膜表面迁移。这些弱束缚氢的移动被认为与掺杂活化直接相关。

3. 硅异质结电池性能提升
   通过光诱导过程实现了B-Si4的有效活化，从而提升了载流子输运效率，SHJ太阳能电池的最终效率达25.18%。实验还证实，该提升效果在60太阳强光照下变得更加明显。

研究总结与意义

1. 基础科学价值
   本文明确了光诱导激活硼掺杂的微观机制，创新性地提出并验证了光诱导效应与氢迁移、掺杂效率之间的关联，深化了对a-Si:H薄膜材料机理的理解。

2. 实际应用价值
   为实现高效SHJ太阳能电池及其在光伏产业中的大规模推广，提供了一种简单易行、可逆可控的工艺路径。这一技术有望被进一步应用于多种光电器件的制备中。

3. 特色与亮点

• 实现了25.18%的世界领先光电转换效率；
• 全过程涵盖实验、理论建模及产业应用；
• 提出了一种耗时短、能耗低的新型工艺技术。

其他重要内容

研究还探讨了光诱导效应的可逆性及其在极端温度环境下的稳定性。通过对温度与迁移特性关系的深入研究，确定了低温条件可显著减缓掺杂活化效应的衰减。此外，研究对制造a-Si:H薄膜的低温工艺进行了全面优化，进一步减少了传统高温制程对器件的潜在损伤。