摘要
隧穿氧钝化接触（TOPCon）技术被广泛认为是下一代产业化高效晶硅太阳能电池的主要解决方案。其由硅衬底、超薄隧穿氧化硅和掺杂多晶硅组成。掺杂多晶硅薄膜作为TOPCon结构中起场钝化作用的功能层，通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备原位掺杂非晶硅薄膜，随后进行高温退火晶化制备。无论在实验室还是工业生产中，常规高温管式炉退火（800-1100℃）是一种标准的退火处理工艺，通常可以获得非常好的钝化效果。然而，高温退火处理后的非晶硅薄膜易发生爆膜，导致硅表面复合严重，钝化性能严重下降，同时多晶硅薄膜本身具有严重的寄生吸收，这些都使得最终的器件性能下降严重。为了提高非晶硅薄膜在退火后的钝化性能，减少无效的寄生吸收和退火过程中的爆膜，进一步提高晶硅太阳能电池的光电转换效率，本文开发了一种新型的掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)材料对传统的掺杂多晶硅薄膜进行替代，并且进行分步晶化处理，成功地实现了界面应力的调控，不仅避免了退火过程中薄膜爆膜问题，获得了优异钝化效果，并且基本消除了中长波的寄生吸收。本文研究了退火温度、碳含量（采用r=CH4/SiH4来控制，r越多，C含量越多）对n型TOPCon接触的光学性能、电学性能和钝化性能的影响以及C含量对TOPCon界面的影响，主要结论如下： （1）C元素的存在增强了薄膜中短波光谱范围内的紫外寄生吸收，不利于将其作为窗口层；但C元素和较高的退火温度有助于减少掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)在波长大于600nm后的光谱范围内的红外寄生吸收，且在晶化退火温度相同时，r越高，红外寄生吸收越低，其值趋于零，同样当r相同时，退火温度越高，薄膜的红外寄生吸收越弱。将新型TOPCon作为电池背面钝化结构，有助于提高电池的红外光谱响应。 （2）C元素抑制了施主杂质的激活，导致薄膜中载流子浓度和迁移率的降低，同时也使得薄膜功函数增大。通过提高退火温度，我们将薄膜方阻从最高接近200Ω/sq降低至约100Ω/sq，同时将接触电阻ρc从最高66.5mΩ/cm2控制到了5mΩ/cm2以下，完全达到了高效晶硅太阳能电池电学方面的要求。 （3）掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)相对于掺杂多晶硅薄膜，其钝化效果更为优异。其中掺碳量r=CH4/SiH4=3，且退火温度880℃时钝化效果最好，隐含开路电压（iVoc）最高＞750mV，单面反向饱和暗电流J0lt;2fA/cm2。 （4）Raman光谱和XPS能谱研究发现碳的存在会抑制薄膜的晶化，且C基本存在于非晶相中，TEM的结果证明了这一点。掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)的主要微观结构为晶硅基底中分布着SiCx非晶相。 （5）C不仅在晶化退火过程中抑制薄膜的晶化，同时C原子经过高温扩散从掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)穿过超薄隧穿氧化层进入单晶硅硅衬底，在界面衬底处形成一条非晶无序化带，本文称之为C掺杂诱导无序化。该现象是掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)防爆膜的主要原因。 （6）我们将掺碳多晶硅化物薄膜SiCx(n+)在器件层面上进行验证，其所有验证电池的效率达到23%以上，其中最高效率达到23.62%，Voc=699.10mV，Jsc=40.94mA/cm2，FF=82.53%。 综上所述，本论文在传统的高效TOPCon晶硅太阳能电池的基础上，发展出了一种新型掺碳硅化物薄膜材料，有效解决了传统的掺杂多晶硅薄膜的不足，大幅度提高了高效TOPCon晶硅太阳能电池的光电转换效率，为太阳能产业提供一个有效地进一步提高电池效率的方法。
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