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        電注入氫鈍化技術及其在高效太陽電池領域的應用

        首頁    光衰減    電注入氫鈍化技術及其在高效太陽電池領域的應用

        據公開的文獻報道,在硅晶體中引入氫原子的方法如以下:

        (1)在太陽能電池制造過程中利用等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積氮化硅薄膜。氮化硅薄膜中富含的氫原子擴散到硅晶體的界面,鈍化了界面上的硅懸掛鍵,顯著降低了硅晶體的表面復合速率。

        (2)氫等離子體處理。通過浸沒在氫等離子體中能在硅晶體的近表面引入氫原子。無論是沉積氮化硅薄膜還是氫等離子體處理,但這些方法存在的問題是:只能在硅晶體近表層(通常小于幾微米)引入氫,而無法在基體中引入高濃度的氫原子,所以氫原子對太陽能電池基體內部的雜質和缺陷的鈍化作用非常微弱。

        電注入氫鈍化方法可以將太陽電池表面氮化硅中的氫帶入硅片體內并使之與硅中的雜質結合形成鈍化作用,其方法如下:

        首先要將太陽能電池保持在選定的合適的溫度范圍中。在一定的溫度下氮化硅中或者硅片表層中的施主-氫復合體(PH復合體為例)或受主-氫復合體分解重新釋放出氫離子,使部分氫元素以自由的氫離子形式存在。與此同時,在太陽能電池的pn結上施加偏壓,降低內建電勢。目的在于降低氫離子穿越空間電荷區時所需要跨過的勢壘高度,增加越過空間電荷區進入基體中的氫原子數量。這將極大地增加越過空間電荷區進入基體中的氫原子數量。對于p型的太陽能電池來說,需要在太陽能電池上施加正向偏壓,即所產生的電流從p區流向n區。所施加的外部電壓降低了氫負離子越過空間電荷區的勢壘。根據統計物理學理論,粒子動能的分布遵循玻爾茲曼分布,也就是說只有動能高于勢壘qV bi 的氫離子才能越過空間電荷區,這部分高能量氫離子的濃度([H - ] * )可表示為:[H - ] * [H - ]exp(-qV bi /kT),其中[H - ]表示氫離子的總濃度,k為玻爾茲曼系數,T為絕對溫度。當施加正向偏壓后V F ,空間電荷區的勢壘降低為q(Vbi -V F ),能夠越過空間電荷區的氫離子濃度表示為[H - ] * [H - ]exp[-q(V bi -V F )/kT],可見進入電池基體內的氫離子濃度以exp(qVF/kT)的倍數迅速增加。因此,隨著施加的電壓增加,本發明在太陽能電池的效果會隨之增加。但在實際的應用中,施加過小的V F ,進入基體內的氫離子數量仍然過少,對雜質和缺陷的鈍化效果不明顯。當氫離子在基體內達到一定濃度時,對雜質和缺陷的鈍化效果已經飽和了,再繼續增加V F 也是無益的,而且過大的V F 會使電池發熱嚴重,造成電極等部位燒損。

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        1 電注入引入氫鈍化的示意圖

         

        硅晶體中極少量的雜質和缺陷仍然對太陽能電池的性能產生了顯著影響,甚至制約了電池效率的進一步提高。硅晶體中的雜質除了故意摻入的摻雜劑-硼和磷之外,還包括氧、碳、氮等輕元素雜質(其中硼和氧會形成硼氧復合體,它對電子-空穴具有高復合活性)以及鐵、鈷、鎳、鉻、銅等過渡金屬雜質。另外,硅晶體中的缺陷,特別是晶界、位錯以及晶體表面的硅懸掛鍵等均能成為光生電子-空穴的“殺手”,顯著降低少數載流子的壽命從而降低了太陽能電池的轉換效率。

        在目前普遍采用的p型硅基體中,常見金屬雜質包括鐵、銅、鎳、鉻等均帶有正電荷,而電注入法可以引入帶負電的氫離子,帶負電的氫離子可以在電注入過程中不斷與帶有正電的金屬雜質離子結合形成金屬-氫復合體,同時由于電荷中和作用而使金屬雜質不再帶電,因此最載流子的復合活性顯著降低。國際上發表的眾多論文也證明了金屬雜質-氫復合體的存在(A. A. Istratov , et al. Applied Physics, 1999,69, 13A. Chowdhuri, et al. Applied Physics Letters, 2002, 80, 4241)。硅中常見的缺陷包括位錯和晶界,常常在硅中引入帶狀能級,帶狀能級中本身帶正電的懸掛鍵以及受金屬沾污而帶正電的懸掛鍵可以在電注入氫鈍化過程中得到鈍化而降低復合活性。由于這些氫鈍化作用,因此,電注入氫鈍化技術可以提高晶體硅太陽能電池的轉化效率。

        在單晶硅中,光致衰減現象比較嚴重,根本原因是光照過程中BO結合形成BO復合體,這一復合體具有較高的復合活性,會引起少子壽命的顯著下降以及太陽電池轉化效率的顯著下降。未經過光照的硅中BO的原子結構以及經過光照形成BO復合體以后的原子結構圖如圖2所示。在光照過程中,一個B原子與兩個O原子結合形成帶正電的BO復合體,并引起轉化效率的下降。電注入過程中,由于帶負電的H離子的引入,形成氫鈍化的BO復合體,結構如圖3所示,由于一個帶負電的氫離子的插入,BO復合體的結構發生轉變,同時不再帶電,因此復合活性下降,光照過程中太陽電池轉化效率的下降得到顯著抑制。

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        2 硅中BO復合體原子結構圖

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        3 氫鈍化的BO復合體原子結構圖


        2018年10月31日 17:28
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