隨著晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)從PERC向TOPCon、SHJ及背接觸等高效結(jié)構(gòu)演進(jìn)，表面鈍化成為決定器件性能的關(guān)鍵因素。在眾多鈍化材料中，原子層沉積制備的氫化氧化鋁（AlOx:H）因其優(yōu)異的化學(xué)鈍化和強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)鈍化能力而備受關(guān)注。然而，AlOx:H通常需要經(jīng)過400–500℃的高溫后退火處理才能激活其鈍化性能，這一工藝限制使其難以應(yīng)用于硅異質(zhì)結(jié)等溫度敏感型電池結(jié)構(gòu)。采用美能全光譜橢偏儀精確測(cè)定a-SiOxH亞層納米級(jí)厚度，為研究疊層鈍化性能與厚度的關(guān)聯(lián)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

本文提出在n型晶體硅表面構(gòu)建納米級(jí)氫化非晶氧化硅/氫化氧化鋁（a-SiOx:H/AlOx:H）雙層鈍化疊層。該方案利用a-SiOxH中Al-O網(wǎng)絡(luò)的形成，同時(shí)通過AlOx:H層引入高密度負(fù)固定電荷實(shí)現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)鈍化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的雙層疊層無(wú)需后退火處理即可將有效少數(shù)載流子壽命提升至5.1 ms，為高效晶體硅電池提供了一種低溫、產(chǎn)業(yè)兼容的鈍化解決方案。

實(shí)驗(yàn)方法

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實(shí)驗(yàn)采用雙面拋光和制絨的n型直拉硅片。拋光片電阻率約5 Ω·cm，厚度約300 μm；制絨片電阻率約2 Ω·cm，厚度約130 μm。首先在210℃下用PECVD在硅片雙面對(duì)稱沉積a-SiOx:H層，反應(yīng)氣體為CO?、SiH?和H?。然后在200℃下用熱ALD沉積AlOx:H層，鋁源為TMA，氧化劑為H?O，載氣為Ar。作為對(duì)比，還制備了僅由單層AlOx:H鈍化的樣品，并在沉積后進(jìn)行450℃、30分鐘退火。

采用WCT-120測(cè)試儀在過剩載流子密度Δn=101? cm?3條件下測(cè)量樣品的有效少數(shù)載流子壽命。用美能全光譜橢偏儀測(cè)定各層厚度。用XPS研究疊層化學(xué)狀態(tài)，用TEM觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)。為獲得界面缺陷態(tài)密度和固定電荷密度，對(duì)單面沉積疊層的樣品進(jìn)行高頻C-V和G-V測(cè)量，制備MIS結(jié)構(gòu)（硅片/鈍化層/圓形鋁電極）。根據(jù)C-V曲線計(jì)算Qf，根據(jù)C-V和G-V曲線計(jì)算Dit。用Quokka2軟件模擬背接觸電池效率對(duì)正面復(fù)合電流密度的依賴性。

AlOx:H厚度的影響

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(a) 不同AlOx:H厚度、a-SiOx:H層厚度固定為6 nm的沉積態(tài)a-SiOx:H/AlOx:H疊層；(b) 不同厚度、經(jīng)沉積后退火處理的單層AlOx:H

固定a-SiOx:H層為6 nm，改變AlOx:H厚度。結(jié)果顯示，單層a-SiOx:H鈍化的樣品有效少數(shù)載流子壽命低于1.0 ms。隨著AlOx:H厚度增加，有效少數(shù)載流子壽命逐漸上升，在AlOx:H約12 nm時(shí)達(dá)到最大值約5.1 ms。超過12 nm后，有效少數(shù)載流子壽命反而下降。相比之下，經(jīng)退火的單層AlOx:H在12 nm時(shí)有效少數(shù)載流子壽命僅約1.5 ms，即使增加到18 nm也僅約3.3 ms。這表明AlOxH的組合產(chǎn)生了任何單層無(wú)法實(shí)現(xiàn)的協(xié)同效應(yīng)。

MIS結(jié)構(gòu)樣品的測(cè)量結(jié)果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

對(duì)MIS結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行C-V和G-V測(cè)量。隨著AlOx:H厚度增加，平帶電壓Vfb先向更正方向移動(dòng)，在12 nm時(shí)達(dá)到峰值，然后回移。所有Vfb均為正，表明固定電荷為負(fù)。

a-SiOx:H/AlOx:H鈍化疊層（a-SiOx:H層厚度固定為6 nm，AlOx:H層厚度變化）誘導(dǎo)產(chǎn)生的Qf和Dit的計(jì)算值

根據(jù)公式計(jì)算Qf和Dit。絕對(duì)Qf隨AlOx:H厚度先增后減，在12 nm時(shí)達(dá)到最大值約6.88×1012 cm?2。Dit在AlOx:H從3 nm增至6 nm時(shí)顯著降至101? eV?1cm?2量級(jí)，之后保持穩(wěn)定。這說(shuō)明Dit主要受近界面區(qū)影響，AlOx:H增厚主要通過提高Qf增強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)鈍化。

XPS譜圖：(a) 3 nm，(b) 6 nm，(c) 9 nm，(d) 12 nm，(e) 15 nm

XPS分析顯示，AlOx:H較薄時(shí)（<6 nm），Al-OH鍵占主導(dǎo)；厚度增加，Al-O峰增強(qiáng)，Al-OH峰減弱；12 nm時(shí)Al-OH峰消失；超過12 nm，Al-OH峰再次出現(xiàn)。絕對(duì)Qf的變化趨勢(shì)與Al-O峰強(qiáng)度一致，說(shuō)明形成更致密的Al-O網(wǎng)絡(luò)有利于提高Qf。這些結(jié)果表明，近界面區(qū)需要較?。▇6 nm）的AlOx:H以確保低Dit，而增加厚度至12 nm可最大化Qf，實(shí)現(xiàn)化學(xué)鈍化和場(chǎng)效應(yīng)鈍化的協(xié)同優(yōu)化。

a-SiOx:H厚度的影響

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有效少數(shù)載流子壽命等高線圖

固定AlOx:H為12 nm，改變a-SiOx:H厚度。等高線圖顯示，單層a-SiOx:H的有效少數(shù)載流子壽命隨厚度增加緩慢上升，18 nm時(shí)僅略高于1 ms。疊層后，所有a-SiOx:H厚度的樣品有效少數(shù)載流子壽命均顯著提升。a-SiOx:H厚度低于6 nm時(shí)提升不明顯，達(dá)到6 nm及以上時(shí)有效少數(shù)載流子壽命飽和于約5 ms?？紤]到a-SiOx:H的光學(xué)吸收，優(yōu)選厚度為6 nm，可在保證鈍化效果的同時(shí)最大限度減少寄生吸收。

MIS結(jié)構(gòu)樣品的測(cè)量結(jié)果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

樣品的Qf和Dit計(jì)算值

C-V和G-V測(cè)量表明，a-SiOx:H從3 nm增至6 nm時(shí)，絕對(duì)Qf從3.5×1012 cm?2幾乎翻倍，之后趨于飽和。Dit則基本穩(wěn)定在約6×101? eV?1cm?2，對(duì)厚度變化不敏感。這說(shuō)明a-SiOx:H厚度主要影響Qf，而非Dit。

XPS譜圖：(a) 3 nm，(b) 6 nm，(c) 9 nm

XPS顯示，3 nm a-SiOx:H的疊層同時(shí)存在Al-O和Al-OH峰，6 nm及以上時(shí)僅存Al-O峰。這與Qf的變化一致，表明足夠厚的a-SiOx:H有利于形成更純凈的Al-O網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)鈍化。

a-SiOx:H層氧含量的影響

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有效少數(shù)載流子壽命圖

固定a-SiOx:H為6 nm、AlOx:H為12 nm，改變沉積a-SiOx:H時(shí)的CO?/SiH?流量比RCO?。結(jié)果顯示，有效少數(shù)載流子壽命對(duì)RCO?高度敏感：從0開始上升，在0.08時(shí)達(dá)到峰值約5 ms，之后下降。與a-Si:H / AlOx:H疊層相比，RCO?=0.08和0.10的a-SiOx:H / AlOx:H疊層有效少數(shù)載流子壽命顯著更高。

MIS結(jié)構(gòu)樣品的測(cè)量結(jié)果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

Qf和Dit計(jì)算值

C-V和G-V測(cè)量顯示，RCO?從0增至0.08時(shí)，Vfb向更正方向移動(dòng)，絕對(duì)Qf從約3×1012 cm?2增至約6×1012 cm?2，Dit從1.14×1011 eV?1cm?2降至約6×101? eV?1cm?2。RCO?超過0.08后，Qf下降，Dit上升。這說(shuō)明適量氧摻入（RCO?=0.08）可同時(shí)優(yōu)化Qf和Dit，過量氧則導(dǎo)致a-SiOx:H過氧化，降低鈍化質(zhì)量。

疊層結(jié)構(gòu)表征

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樣品的橫截面透射電鏡圖像：(a) a-SiOx:H單層，(b) a-SiOx:H/AlOx:H雙層疊層

TEM圖像顯示，6 nm單層a-SiOx:H與硅襯底界面光滑、厚度均勻。6 nm a-SiOx:H / 12 nm AlOx:H雙層疊層中，兩層均為非晶態(tài)，界面清晰、無(wú)相互擴(kuò)散，AlOxH。這種結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)同鈍化：a-SiOx:H提供化學(xué)鈍化，其合適的氧含量和厚度促進(jìn)Al-O鍵形成；AlOx:H則通過高密度負(fù)固定電荷提供強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)鈍化。

通過Quokka2模擬獲得的背接觸太陽(yáng)能電池效率對(duì)其正面復(fù)合電流密度的依賴性

Quokka2模擬顯示，電池效率隨正面復(fù)合電流密度J0,front增加而單調(diào)下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的5.1 ms有效少數(shù)載流子壽命，計(jì)算得J0,front約為6.28 fA/cm2，對(duì)應(yīng)的模擬效率仍高于J0,front=0時(shí)最大效率的98%，表明該鈍化方案在實(shí)際器件中具有良好應(yīng)用前景。

在n型晶體硅片上采用納米a-SiOx:H/AlOx:H雙層疊層，無(wú)需后退火即可獲得優(yōu)異鈍化性能。AlOx:H最佳厚度為12 nm，可提供高達(dá)-6.9×1012 cm?2的負(fù)固定電荷密度，使有效少數(shù)載流子壽命達(dá)5 ms。XPS顯示，這得益于Al-OH的抑制和Al-O網(wǎng)絡(luò)的形成。a-SiOx:H厚度主要影響Qf，對(duì)Dit影響有限。沉積a-SiOx:H時(shí)，RCO?=0.08可同時(shí)優(yōu)化Qf和Dit，過量氧則降低鈍化質(zhì)量。優(yōu)選6 nm a-SiOx:H結(jié)合12 nm AlOx:H，可在保證鈍化效果的同時(shí)減少寄生吸收。TEM證實(shí)該疊層結(jié)構(gòu)保形、非晶、界面清晰。該方案為高效晶體硅電池提供了一種簡(jiǎn)便、無(wú)需退火的鈍化途徑。

美能全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問題

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)

秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒

原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05 nm

美能全光譜橢偏儀精確測(cè)定a-SiOxH亞層的納米級(jí)厚度。憑借其寬光譜范圍和優(yōu)異的測(cè)量精度，確保了雙層疊層厚度的可控性，為系統(tǒng)研究各亞層厚度對(duì)鈍化性能的影響提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。正是基于其準(zhǔn)確的厚度標(biāo)定，本研究得以優(yōu)選出6 nm a-SiOx:H/12 nm AlOx:H的最佳結(jié)構(gòu)，在不經(jīng)過后退火的情況下實(shí)現(xiàn)了5.1 ms的高效鈍化性能。

原文參考：Preparation of nano a-SiOx:H/AlOx:H bilayer stack without post-deposition annealing to obtain efficient surface passivation on n-type crystalline silicon