中科院宁波材料所&苏州大学CEJ： 基于PECVD多层硼源结构实现高性能硼发射极——TOPCon电池发射极制备新方案

第一作者：杜浩江

通讯作者：杨阵海*，曾俞衡*，叶继春*

单位：中科院宁波材料所，苏州大学

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隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池凭借其优异的性价比优势与持续扩大的产能规模，已在晶体硅光伏领域快速崛起为行业主流技术。然而，当前工业化生产中的硼发射极制备仍主要依赖传统热扩散工艺，这一方法在实际应用中面临诸多技术瓶颈：首先，在大尺寸晶圆的制造过程中，存在方阻均匀性控制难题；其次，工艺设备需频繁更换石英管等耗材，显著推高维护成本与停机损耗；更关键的是，高温氧化环节易引发硼元素耗尽区形成，导致载流子传输受阻与接触电阻升高。值得关注的是，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术结合高温退火工艺的新型制备路线，通过精确调控硼源层沉积参数与退火条件，展现出突破传统热扩散局限的潜力。但现有研究表明，该工艺制备的硼发射极仍存在表面钝化质量不足的问题，这已成为制约其产业化应用的主要技术障碍。

基于此，来自中科院宁波材料所的叶继春研究员、曾俞衡研究员团队以及来自苏州大学的杨阵海副教授，在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“High-performance boron emitters for tunnel oxide passivating contact solar cells enabled by multi-layer PECVD-deposited boron source structures”的研究论文。该研究创新性地构建了由SiOx/SiNx/B-doped a-Si:H组成的叠层结构作为硼扩散源，成功开发出兼具优异钝化与接触特性的硼发射极制备方法。该设计通过精准调控SiNx阻挡层的氮含量，显著降低其结晶度以增强硼阻挡效果，同步实现了表面硼浓度的优化控制。所制备的硼发射极展现出突破性性能指标：723 mV的优异iVoc、8.4 fA/cm²的极低J0以及0.04 mΩ·cm²的超低接触电阻率。值得注意的是，该工艺创新性地规避了传统工艺对氧气氛围的依赖，从根源上抑制了硼氧缺陷的形成，同时彻底消除了硼耗尽区问题。作为技术验证，基于该硼发射极的n型TOPCon太阳能电池实现了24.46%的转换效率。此项研究通过材料体系设计与工艺创新相结合，为光伏产业中硼发射极制备工艺优化提供了创新路径。

采用SiOx/SiNx/B-doped a-Si:H多层结构作为硼源，通过调节SiNx层的氮含量（NH3比例）和退火温度（960-1000℃），优化硼扩散分布。结果显示，高氮含量增强对硼的阻挡作用，减少表面硼浓度。最佳条件下，硼发射极的钝化性能优异（iVoc=723 mV，J0,e=8.4 fA/cm²），接触电阻低至0.04 mΩ·cm²。

对比传统热扩散（BBr₃/BCl₃硼源）与PECVD硼源的扩散机制。传统方法因氧化过程导致表面硼耗尽和能带反向弯曲，而PECVD在无氧环境中避免硼氧缺陷。通过XPS和拉曼光谱证实，SiNx层氮含量增加会降低结晶度，增强硼扩散阻挡能力。

HR-TEM显示高温退火后，硼掺杂多晶硅层与硅基底间存在非晶态SiNx/SiOx阻挡层（~3.5 nm），抑制界面外延缺陷。SIMS分析表明，硼在阻挡层中富集，硅基底内硼浓度呈指数衰减。氧含量显著低于传统方法，减少硼氧缺陷，提升钝化性能。

KPFM和UPS测量显示，PECVD制备的硼发射极表面电势和功函数高于传统热扩散样品。能带模拟表明，传统方法因硼耗尽区形成p⁻/p⁺高低结，导致能带反向弯曲，而PECVD法能带平缓，利于空穴传输，降低接触电阻。

High-performance boron emitters for tunnel oxide passivating contact solar cells enabled by multi-layer PECVD-deposited boron source structures

叶继春研究员简介： 国家“万人计划”科技创新领军人才、国家第二批“青年千人计划”、人社部留学人员科技活动项目择优资助、浙江省特聘专家、浙江省杰出青年基金、宁波市重点海外高层次人才、宁波市领军拔尖人才第一层次等人才计划支持。在Nature Energy, Nature Communications, Joule, Advanced Materials，Energy & Environ. Sci, Nano Letters等杂志上发表260余篇论文（50篇IF>10），引用6200余次（Google），H 因子40，申请专利220余项（授权100余项），其中PCT专利5项; “高效TOPCon太阳能电池工艺及装备产业化技术开发”和“环保型低成本半导体工艺衍生表面化学镀膜技术”等多个项目实现转移转化，并和龙头企业一起开始产业化进程。其中，镀膜技术已经实现量产，且获得2019年度“国家云计算中心科技奖”-卓越奖，“中国工程建设标准化协会2019年数据中心科技成果奖”-优秀奖，“国家互联网数据中心产业技术创新联盟技术创新奖”一等奖。团队完成或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重大装备项目、以及浙江省、宁波市、企业等科研项目50余项。曾入选2015年“科学中国人”年度人物-杰出青年科学家，获得教育部自然科学奖二等奖（2019）、中科院朱李月华优秀导师（2019）等奖项。培养的博士生获得中科院百篇优秀博士论文一次。

曾俞衡研究员简介：博士生导师，研究员，中国能源学会新能源专家组委员。曾先后入选 “中科院青年创新促进会”、“甬江育才工程领军拔尖人才”等人才项目。长期从事晶体硅材料、硅薄膜材料、硅基太阳电池等相关研究，累计发表SCI论文120余篇，其中一作/通讯作者60余篇；申请国家专利90余项，已授权30余项；曾获2011年度浙江省科学技术奖一等奖（排名7）；主持国家自然科学面上基金（2项）、青年基金、国家重点研发计划二级子课题、浙江省自然科学面上基金、辽宁省首批揭榜挂帅科技攻关项目子课题、宁波市科技创新2025项目子课题、宁波市自然科学基金、中国博士后基金面上资助和特别资助项目。

杨阵海副教授简介：硕士生导师、副教授/博士。2015 年6月毕业于苏州大学，获硕士学位(光学工程专业)；2015年7月-2018年8月，中科院宁波材料所，担任助理研究员；2018年9月-2023年3月，宁波诺丁汉大学，获博士学位；2023年4月入职苏州大学光电科学与工程学院。主要从事光伏器件仿真和设计研究，目前以第一作者/通讯作者在 Nature Energy、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials 和ACS Energy Letters 等高影响力杂志上发表论文60 余篇，被引 3000 余次，申请专利十余项。参加国际会议并做邀请/口头报告十余次。获'教育部自然科学二等奖’、'中国光学学会光学科技奖二等奖’、'宁波市优秀科技论文’和"江苏省优秀硕士毕业论文’等奖项；主持国家自然科学基金青年基金等项目，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上基金等项目。担任Frontiers of Photonics期刊专题客座编，是 Advanced Materials等多个期刊审稿人。

杜浩江，2020年本科毕业于河北工业大学材料物理专业。2020年9月-2023年6月，上海大学与中科院宁波材料所联合培养，获硕士学位。目前为中科院宁波材料所2023级在读博士生，导师为叶继春研究员。主要研究方向为高效TOPCon晶硅电池及钙钛矿/TOPCon叠层电池。

硅基太阳能及宽禁带半导体团队由叶继春博士在2012年8月创建。经过12年的发展，团队目前拥有17位全职员工以及60余位研究生，包括6位研究员， 3位副研究员，2位高级工程师。团队曾经或正在承担国家重点研发计划（6项）、国家自然科学基金（13项，包括1项重点项目）、中科院重大装备项目（3项）、浙江省杰出青年基金、浙江省重大研发计划、宁波市工业重大专项、宁波市重大国家合作，宁波市科技创新2025重大专项、企业联合开发项目等共60余项。团队与世界上知名科研机构以及十余家上市公司开展常态化的合作。共发表文章200余篇，其中影响因子大于10的30余篇，获得专利授权超100件。团队依托新能源所的600平米的千级超净室，逐步完善了太阳能及宽禁带半导体的加工制备和表征分析平台，并建有浙江省能源光电子工程中心。目前拥有总价值超5000万的专用加工和表征设备，拥有全链条物理器件的加工能力；同时，团队还拥有建有计算仿真模拟平台，熟练掌握多种仿真软件，为开展高水平研究奠定基础。团队开发的多项技术开始产业化应用其中，团队联合上市公司联合开发面向产业用下一代主流技术隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）电池用的、具有自主知识产权的量产型管式PECVD装备，各项技术指标处于业内先进水平，受到行业的广泛关注。