作者：C. C. Lee、Y. H. Chu、H. Z. Wang、J.Y. Chang、Tomi Li、I-Chen Chen，National Central University，Taiwan 　 

這些年來(lái)，對(duì)晶硅（c-Si）和氫化非晶硅（α-Si:H）組成的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的關(guān)注不斷增加。與常規(guī)的c-Si同質(zhì)結(jié)比較，α-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：⑴ 太陽(yáng)電池效率高，超過(guò)23%；⑵ 抑制了高工作溫度時(shí)的效率下降；⑶ 太陽(yáng)電池加工比較簡(jiǎn)單，能在低于200℃的溫度下進(jìn)行。這種低溫等離子加工技術(shù)很容易擴(kuò)大規(guī)模，因而能大大降低制造成本。但是，大多數(shù)工藝研究是用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積（PECVD）進(jìn)行的，由于離子轟擊可能引起更多的表面缺陷。因此，結(jié)界面處較高的載流子復(fù)合幾率會(huì)使短路電流密度(JSC)減少。

為了避免這一點(diǎn)，在本研究工作中，采用了電子回旋共振化學(xué)汽相淀積（ECR-CVD）制備異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。ECR-CVD具有以下幾個(gè)好處：改善淀積工藝的控制、對(duì)生長(zhǎng)薄膜的離子損傷少、等離子密度高以及有可能得到高淀積速率。許多作者已經(jīng)報(bào)道了用ECR-CVD在低溫下淀積微晶(μc)和外延Si薄膜。另一方面，由于α-Si:H層的側(cè)向?qū)щ娦韵喈?dāng)差，因此在電池設(shè)計(jì)中，必須加入支撐透明導(dǎo)電氧化物（TCO）。已經(jīng)證明，用能在450℃時(shí)生長(zhǎng)同質(zhì)外延n+Si發(fā)射層，不需要TCO層就能得到約15%的效率。用名義上不摻雜的，單晶襯底上1μm厚μc-Si吸收層和p+發(fā)射層，不用抗反射層（ARC）能達(dá)到1.5%的效率。

這里證明了，T=170℃時(shí)能獲得高質(zhì)量的p型同質(zhì)外延發(fā)射層。制造Si太陽(yáng)電池時(shí)不用TCO層和背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這種無(wú)本征非晶層的初始Si薄膜晶體太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率在0.63cm2已達(dá)到6.8%。我們進(jìn)一步用TEM測(cè)量研究界面質(zhì)量，確認(rèn)其界面結(jié)構(gòu)減少了界面的缺陷密度。優(yōu)化ECR-CVD系統(tǒng)的生長(zhǎng)條件后，制備了有光學(xué)抗反射TCO層的氫化微晶硅氧化物（μc-SiOx:H）異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)12%。這證明了這種簡(jiǎn)單加工方法的技術(shù)潛力。

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中采用的ECR-CVD系統(tǒng)是單一晶片系統(tǒng)（8英寸），系統(tǒng)的示意圖可見(jiàn)圖1。等離子室有過(guò)模圓柱形微波腔、一端開(kāi)口。2.45GHz微波通過(guò)工作在TE11模式的圓柱波導(dǎo)引入腔內(nèi)。腔室用大型電磁鐵圍繞，產(chǎn)生靜態(tài)的發(fā)散軸向磁場(chǎng)，如圖1所示。晶片支架位于距等離子室孔25cm處。用渦輪分子泵把等離子室抽到高真空，殘余氣體壓強(qiáng)接近3×10-6Torr。本研究中只報(bào)導(dǎo)生長(zhǎng)p+薄膜，用的摻雜氣體是硼（B），在氫氣中體積濃度為0.5%。工藝氣體經(jīng)ECR區(qū)上的進(jìn)氣口引入工作氣體（H2），經(jīng)位于基座上方的噴淋頭引入工藝氣體SiH4/Ar/B2H6。

用ECR-CVD在n-型直拉 (CZ) c-Si(100)襯底上淀積20nm-60nm厚度的摻B氫化硅(Si:H)薄膜。襯底厚度是200μm。淀積參數(shù)如下：襯底溫度170℃；源氣體：硅烷(SiH4)，氫 (H2)，二硼烷（B2H6）；SiH4流量1sccm；總氣體壓強(qiáng)10 mTorr；微波功率600W。H2/SiH4流量比為50；B2H6/ SiH4流量比在1-5%之間變化。本研究中，p+摻雜層的薄膜厚度在玻璃襯底上用表面輪廓儀和橢偏光譜儀（SE）測(cè)量。對(duì)于所用的最高摻雜水平，淀積速率調(diào)整到24nm/min左右。用傅里葉變換紅外光譜分析SiH和SiH2化學(xué)鍵之間的比例。然后，我們獲得摻雜層的小微結(jié)構(gòu)參數(shù)R*（SiH2/SiH2+SiH*100%)～9%。為了優(yōu)化p-層(μc-Si)，我們進(jìn)一步用透射電子顯微鏡（TEM）檢驗(yàn)界面結(jié)構(gòu)和單元厚度，用霍爾測(cè)量法檢查載流子濃度。

圖2示出了樣品薄膜典型的TEM截面觀察結(jié)果。在此樣品中，當(dāng)薄膜厚度達(dá)到50nm時(shí)，就停止生長(zhǎng)以便觀察薄膜生長(zhǎng)情況。在給出的條件下，觀察到在Si襯底上的外延生長(zhǎng)，如圖2顯示的那樣。TEM顯微照片表明，外延生長(zhǎng)了薄層，初始階段中表面是平滑的，這證實(shí)了降低應(yīng)力的成核過(guò)程，與期望的情況一樣。界面上沒(méi)有看到孿晶與層錯(cuò)。但是，這些結(jié)構(gòu)缺陷在薄膜的體區(qū)域是存在的，在此樣品中，它們的缺陷密度顯著減小。有報(bào)道說(shuō)，c-Si表面覆蓋氫促進(jìn)了低溫下Si薄膜的外延生長(zhǎng)。由于現(xiàn)在的樣品是在硅烷的高氫稀釋比(H2/SiH4=50)的條件下制備的，我們推測(cè)，即使在ECR-CVD中B摻雜比(B2H6/SiH4)高時(shí)也實(shí)現(xiàn)了c-Si表面覆蓋氫。

制造Si太陽(yáng)電池時(shí)，用ECRCVD在n型c-Si襯底的前表面淀積20nm厚的外延p發(fā)射層。圖3(a)是μc-Si:H(p)/c-Si(n)平面Si太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖，最終的電池結(jié)構(gòu)為銦錫氧化物（ITO）/ ITO)/μc-Si (p+外延層)/c-Si (n)，示于圖3(b)。采用電阻率為1～10Ω-cm，厚度為200μm的n型CZ晶片（100）。淀積工藝前，硅晶片用ACE/IPA清洗除去油漬，并用DI水沖洗5分鐘。為了除去SiO2并實(shí)現(xiàn)表面鈍化，硅晶片用2%氫氟酸浸泡1分鐘。硅襯底上生長(zhǎng)摻雜層后，用電子槍蒸發(fā)淀積Ti/Ag背電極和前電極。另一片用濺射法在襯底溫度150℃時(shí)制備了附加的銦錫氧化物（ITO）透明電極。這樣，我們就用簡(jiǎn)化的清洗工藝完成了全部平面Si 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的制作，沒(méi)有非晶固有層。這些平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的效率特性用太陽(yáng)模擬器AM-1.5，100mW/cm2下測(cè)量。

首先，用ECR-CVD我們得到～1020cm-3 高載流子濃度的20nm p外延層，無(wú)ITO層的μc-Si:H(p)/c-Si(n) 平面Si太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率接近6.8%（面積為0.63cm2），Jsc是17.4mA，Voc是511mV， FF達(dá)到63.4%，見(jiàn)圖4(a)。進(jìn)而，我們認(rèn)為在同一薄膜厚度下Voc和Jsc有可能比用PECVD制備的更好，這是由于在ECR-CVD系統(tǒng)中摻雜層與硅襯底間的界面上離子轟擊較少。我們優(yōu)化了用ECR-CVD制備的高質(zhì)量μc-SiOx:H薄膜的摻雜濃度。這樣，無(wú)本征非晶層時(shí)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率將上升到約10%。采用由μc-SiOx:H生長(zhǎng)制備的p+層，獲得的最佳Voc是0.526V，最佳效率是11.66%（Jsc，30.88 mA/cm2；FF，71.73%）。由于提高了p+層的摻雜效率，可以采納薄(20nm) p+μc-SiOx:H層獲得高Voc。從而，短路電流密度Jsc也顯著高于有用μc-SiOx:H生長(zhǎng)制備的較厚p+層的電池所得到。這個(gè)結(jié)果可以歸因于缺陷密度較低，從而減少了用μc-SiOx:H生長(zhǎng)制備的p+層內(nèi)的復(fù)合損失。摻雜效率提高的原因是補(bǔ)償硼摻雜的結(jié)晶缺陷密度減少。

結(jié)論
我們成功地用ECR-CVD淀積了～1020cm-3高載流子濃度的20nm p+型μc-SiOx:H。制備這種平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池不用表面絨化、本征非晶層和BSF結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.66%（面積0.63cm2），同時(shí)，Jsc為30.88mA、Voc為526mV、FF達(dá)到71.73%。盡管ECR-CVD有很高的淀積速率1～3nm/sec，但是，我們?nèi)匀荒艹晒Φ卣{(diào)節(jié)摻雜層的淀積速率降至0.5nm/sec以下，并改變薄非晶摻雜層（厚度約5～20nm）內(nèi)的摻雜濃度。通過(guò)對(duì)本研究中平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池表面摻雜濃度、層厚及其透明導(dǎo)電層（TCO）相關(guān)的生長(zhǎng)控制的優(yōu)化，我們將不斷提高轉(zhuǎn)換效率到約15%。