宁波材料所叶继春团队EES，碳掺杂多晶硅薄膜:调节物理接触同时提升钝化接触太阳能电池的光电性能- 大数跨境

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宁波材料所叶继春团队EES，碳掺杂多晶硅薄膜:调节物理接触同时提升钝化接触太阳能电池的光电性能

科学材料站

2021-10-20

导读：该文章通过在多晶硅薄膜中引入碳元素，不仅可以改善薄膜的物理接触、抑制脱膜，还可以提升器件的光电性能。

文章信息

碳掺杂多晶硅薄膜:调节物理接触同时提升钝化接触太阳能电池的光电性能

第一作者：林毅然#，杨阵海#

通讯作者：杨阵海*，曾俞衡*，叶继春*

单位：中科院宁波材料技术与工程研究所

研究背景

晶体硅太阳能电池是实现碳中和的最重要的清洁能源之一，已成为世界范围内的一种低成本光伏技术。进一步提升晶硅电池的竞争力需要继续降低制造成本并提高器件效率。具有纳米氧化硅（SiOx）/重掺杂多晶硅（poly-Si）结的隧穿氧化硅钝化接触技术（TOPCon）被认为是光伏领域下一代工业应用中最有前途的技术之一。

目前，主流的TOPCon制备方法是采用低压化学气相沉积技术（LPCVD），但这项技术存在诸多问题，比如沉积速率低、不能原位掺杂、产生绕镀现象，非晶硅在石英管沉积而产生破裂等。

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术可以有效缓解或规避这些问题，被工业界寄予厚望。然而，PECVD沉积的非晶态硅薄膜在随后的高温退火过程中容易产生脱膜现象，这不仅会降低器件性能和良率，也会限制PECVD技术的推广。

文章简介

基于此，来自中科院宁波材料技术与工程研究所的叶继春团队，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Dual-Functional Carbon-Doped Polysilicon Films for Passivating Contact Solar Cells: Regulating Physical Contacts while Promoting Photoelectrical Properties”的研究文章。该文章通过在多晶硅薄膜中引入碳元素，不仅可以改善薄膜的物理接触、抑制脱膜，还可以提升器件的光电性能。

文章要点

要点一：脱膜机制研究

PECVD制备的非晶硅薄膜在高温退火结晶过程中由于体系变化和界面材料热膨胀系数不匹配而引起应力聚集。同时，在该高温过程会有大量的氢溢出，这些都会导致薄膜内部应力快速释放，导致脱膜现象。

图一的光镜图和SEM图表明：没有碳掺杂的多晶硅薄膜出现严重的脱膜现象。随着碳的引入，脱膜现象得到了明显的抑制，中等含量的碳掺杂已经基本可以消除脱膜现象。

图1.多晶硅薄膜的光镜图和SEM图，以及不同碳掺杂量的拉曼测试。

碳掺杂抑制脱膜机制主要可以归结为以下几方面：

1）碳掺杂可以抑制多晶硅结晶，从而缓解应力在薄膜内部聚集。如图一的拉曼测试所示，随着碳掺杂含量增加，多晶硅的结晶率逐渐降低，应力逐渐增大。图2的HR-TEM结果也表明，和没有碳掺杂的样品相比，碳掺杂的样品出现了明显非晶化的现象；

2）碳的引入可以抑制H溢出。如图2的SMIS测试所示，H的浓度在多晶硅和晶硅的表面区域比没有掺碳的对比样高出一个数量级，这可能是由于H和C结合形成了C-H键；

3）碳可以和硅形成更加稳定的Si-C键（如图3的红外和XPS测试结果所示），这有利于改善薄膜之间的接触，从而抑制脱膜。

图2. HR-TEM图片、EDS分布和SIMS测试曲线。

图3. 拉曼、红外和XPS测试曲线。

要点二：钝化和接触性能

碳的引入可以提升poly-Si/SiOx/c-Si结构的钝化性能。如图4所示，通过优化退火温度和碳含量，iVoc在880oC的最佳退火温度下可以到达750 mV（单面J0：1.6 fA/cm2，寿命：15.3 ms），相对于没有掺杂样品的708 mV (单面J0：24.7 fA/cm2，寿命：3.2 ms)，整体钝化性能指标有很大提升。

钝化性能的提升主要来源于三方面：

1）碳可以抑制H的溢出，而H可以起到钝化的作用，降低缺陷态密度；

2）碳的掺杂可以将多晶硅的功函数拉低0.3 eV（如图4的UPS测试结果所示），这有利于促进电子的传输，从而提升器件整体钝化水平；

3）碳掺杂可以抑制多晶硅脱膜，改善器件物理接触，减少漏电。然而碳掺杂也会带来一些负面影响，比如碳掺杂会稍微增加接触电阻，这是由于碳掺杂会抑制P在Si衬底中扩散，降低P的激活浓度（如图2的SIMS和图4的ECV所示）。因此碳的含量需要精确控来平衡钝化性能、接触电阻和脱膜之间的关系。

图4. 不同退火温度下的（a）隐含开路电压（iVoc）和（b）饱和暗电流（J0）,（c）寿命，（d）暗态I-V曲线，（e）ECV，（f）UPS测试曲线。

要点三：碳掺杂提升电池器件性能

碳掺杂除了可以抑制脱膜，还可以提升长波段的光影响。图5f的模拟结果表明：碳掺杂可以提升红外波长的光吸收，对光电流有0.46 mA/cm2的促进作用。实验的EQE和I-V特性也证实了电流可以从41.80 mA/cm2提升到42.11 mA/cm2 （提升了0.31 mA/cm2）。

除了电流之外，器件的开压和填充因子也有很大程度提升（这主要得益于钝化性能提升），Voc从688.2 mV提升到696.4 mV，FF从80.28%提升到82.77%，器件效率从23.09%提升到24.27%（认证效率为23.82%），提升了1.18%。

图5g模拟损耗分析和图5h的统计结果表明：

1）掺碳可以抑制背面的接触复合；

2）效率的进一步提升需要改善前结的接触和复合；

3）于其它高效器件相比，目前这种器件在电学性能上还有很大差距，因此下一步效率提升的重点需要从电学性能入手。

图5. （a）器件结构示意图；（b）I-V特征曲线；（c）认证I-V特征曲线；（d）统计的效率分布；（e）EQE曲线；（f）模拟的光吸收曲线；（g）损耗分析模拟；（h）光/电性能统计分布。

文章链接

Dual-Functional Carbon-Doped Polysilicon Films for Passivating Contact Solar Cells: Regulating Physical Contacts while Promoting Photoelectrical Properties

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02011k

通讯作者简介

曾俞衡研究员。

2005年浙江大学材料科学与工程学系获学士学位，2010年浙江大学硅材料国家重点实验室获博士学位，毕业后在中科院宁波材料所从事博士后研究，2015年获中科院公派留学项目资助赴澳大利亚国立大学交流访问，2017年入选中科院青年促进会，2019年12月晋升项目研究员，担任中国能源学会新能源专家组委员。他长期坚持从事晶体硅材料、硅薄膜材料、硅基太阳电池等相关研究，开发出实验室效率>24%的氧化硅多晶硅钝化接触硅太阳电池（PERTOPTM）；在Energ. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Sol. Energy Mater. & Sol. Cells、Sol. RRL、Sol. Energy等期刊上发表SCI论文80余篇；申请国家专利60余项，已授权20余项；曾获2011年度浙江省科学技术奖一等奖（排名7）；已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（2项）、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；参与企业技术委托开发3项，实现技术转移转化1项。

叶继春研究员。

2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。2012年8月回国后组建了一个60余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、晶硅/钙钛矿叠层电池、宽禁带半导体、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Energ. Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.、Nano Lett. 杂志上发表170余篇论文，其中影响因子超过10的文章30余篇，2篇著作章节，申请专利180项，授权100余项,“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。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。

第一作者简介

林毅然宁波材料所与江苏大学联合培养硕士研究生。

师从江苏大学袁志钟教授和宁波材料所叶继春研究员/曾俞衡研究员。研究方向为多晶硅薄膜改性和高效TOPCon太阳能电池的技术的开发，以第一作者在Energ. Environ. Sci., Sol. Energy期刊发表两篇文章，另与他人合作在Sol. RRL, Sol. Energy Mater. Sol. Cells等期刊发表多篇文章。对器件的优化改性有较深的理解，读研期间，负责了多项器件工艺的开发优化及失效分析工作，作为主要完成人，将团队太阳能器件效率由21%左右提高到24%以上，并且完成了相关理论构建。目前在上海华力集成电路制造有限公司研发部门负责BEOL段的先进工艺开发。

杨阵海现为宁波材料所和宁波诺丁汉大学联合培养博士生。

以第一作者/通讯作者在Energ. Environ. Sci.（2篇）, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., ACS Nano, Nano Energy（4篇）等期刊上发表论文20余篇；获‘2019年教育部优秀科技成果奖二等奖’一项（排名6/6）；获‘2019年中国光学学会光学科技奖二等奖’一项（排名6/6）；主持国家自然科学基金青年项目和宁波市自然科学基金各一项。