前沿科技｜双层磷掺杂多晶硅钝化接触结构：TOPCon太阳能电池效率再突破

文献来源及作者机构

标题：Bilayered Phosphorus-Doped Polysilicon Passivating Contact Structures for TOPCon Solar Cell Applications期刊：Progress in Photovoltaics: Research and Applications

关键词

双层多晶硅｜磁控溅射｜钝化接触｜硅太阳能电池｜TOPCon

摘要

传统单层多晶硅（SGL）钝化接触结构在TOPCon太阳能电池中存在金属原子渗透、掺杂均匀性不足等问题。本研究通过磁控溅射技术引入氧化硅（SiOₓ）中间层，构建双层多晶硅（Bi）结构，显著提升了钝化质量和载流子选择性。实验表明，Bi结构在860°C激活温度下，开路电压（Voc）和短路电流（Isc）分别提升1.4mV和60mA，电池效率平均提高0.06%，为TOPCon技术商业化提供了新思路。

研究背景

TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）技术因高转换效率（>26%）和低成本工艺成为光伏领域的研究热点。其核心结构为超薄SiOₓ层+重掺杂多晶硅层，但传统单层多晶硅存在两大瓶颈：

金属渗透：银浆电极中的金属原子易沿晶界扩散，损害钝化效果；性能平衡难题：高掺杂浓度提升导电性，但会导致寄生吸光增加，且高温下磷原子扩散难以控制。创新点：通过双层多晶硅设计，利用SiOₓ层分隔功能，实现掺杂浓度与结晶度的分区调控。

实验方法

材料制备：使用磁控溅射系统沉积非晶硅（a-Si）前驱层，并插入等离子氧化生成的SiOₓ中间层；分为两组：Bi-1（内层含磷掺杂）、Bi-2（内层无磷掺杂）。工艺优化：退火激活温度（860–880°C），结合氢钝化技术增强界面质量；采用ECV（电化学电容-电压）、ToF-SIMS（飞行时间二次离子质谱）分析磷分布，HRTEM（高分辨透射电镜）观察微观结构。性能测试：通过准稳态光电导（QSSPC）测量开路电压；结合光致发光成像评估金属接触区的复合电流密度（J0）。

实验结果与讨论

钝化质量与磷原子分布的深度解析（图1-2）

钝化效果对比：双层结构（Bi-1）在共烧后的平均Voc（隐含开路电压）达740.7 mV，较单层结构（SGL，738.8 mV）提升近2 mV（图1）。关键机制：嵌入的SiOₓ层作为氢原子“仓库”，在共烧过程中释放氢至硅界面，修复未饱和悬挂键，显著增强钝化效果。温度敏感性：当退火温度升至880°C时，SGL的Voc从738.8 mV骤降至734.2 mV（降幅4.6 mV），而Bi-1仅下降1.5 mV（739.2 mV→737.7 mV），表明双层结构对高温工艺的容忍度更高。磷分布调控：ECV与SIMS分析：Bi结构中SiOₓ层有效阻隔磷扩散（图2a）。Bi-2组：界面处激活磷浓度仅为1.65×10¹⁹ cm⁻³（SGL为9.42×10¹⁹ cm⁻³），俄歇复合速率降低约40%。Bi-1组：磷浓度梯度更平缓（7.73×10¹⁹ cm⁻³），在钝化与载流子传输间取得平衡。反常现象：Bi-2组在高温（880°C）下外层磷浓度未显著增加。作者推测外层磷原子反向扩散至内层，导致激活受限（图2a紫色曲线）。结晶特性的微观证据（图3-4）

拉曼光谱的启示（图3）：SGL vs. Bi结构：SGL的拉曼峰位于520 cm⁻¹（单晶硅特征峰），而Bi结构峰位左移（518 cm⁻¹），表明结晶度下降。温度影响：Bi-1在880°C时峰位右移（519 cm⁻¹），说明外层多晶硅结晶度提升，但内层仍保持无序（图3绿线）。HRTEM显微成像（图4）：结构分层：SiOₓ层（厚度~5 nm）将多晶硅分为内外两层（图4a）。晶格差异：外层：有序排列的（111）和（002）晶面（图4d），利于载流子传输；内层：非晶态主导（图4f），无序晶界阻碍金属原子渗透（图4c箭头处）。穿透现象：局部区域（图4c左）多晶硅晶粒穿透SiOₓ层，可能导致磷泄漏，需工艺优化。电性能提升（图5、7）

复合电流的显著降低：非金属区（J0,pass）：Bi-1从10.7 fA/cm²降至6.9 fA/cm²（降幅35%），归因于氢钝化增强与界面缺陷减少。金属区（J0,metal）：Bi-1从59.1 fA/cm²降至34.7 fA/cm²（降幅41%），SiOₓ层阻挡银原子扩散至硅体（图6示意图）。效率提升与瓶颈：效率突破：Bi-1组平均效率达25.63%（+0.06%），主要贡献来自Isc（+60 mA）和Voc（+1.4 mV）。关键限制：接触电阻率（ρc）从1.5 mΩ·cm²增至2.7 mΩ·cm²，导致填充因子（FF）下降0.4%。作者指出，内层多晶硅的低结晶度是主因（图5）。温度优化尝试：将退火温度升至880°C，ρc小幅降至2.4 mΩ·cm²，但Voc和Isc同步下降，说明高温可能加剧界面缺陷（图7）。4.讨论：双层结构的科学意义与工业价值功能分区的创新性：外层“高速公路”：高结晶度与高掺杂保障载流子快速传输；内层“防火墙”：无序结构与SiOₓ层阻挡金属渗透，降低寄生吸收。氢钝化的双刃剑效应：Bi结构对氢钝化更敏感，共烧后Voc提升显著，但需控制氢含量以避免界面过度饱和。规模化潜力：磁控溅射与等离子氧化均为成熟工艺，Bi结构可直接整合至现有TOPCon产线，无需重大设备升级

图表分析

图1：不同退火温度下Bi与SGL的开路电压对比，Bi结构氢钝化响应更优；

图2：ECV与SIMS显示SiOₓ层阻隔磷扩散，Bi-2内层磷浓度阶梯式分布；

图2b（SIMS磷分布）Bi-1组总磷含量高于SGL，但激活比例低，说明SiOₓ层通过磷-空位复合“锁住”非活性磷原子。图3：拉曼光谱揭示Bi结构内层结晶度降低；

图4：HRTEM显示SiOₓ分隔内外多晶硅层，内层晶界无序；

图5：Bi-1的复合电流密度（J0）显著低于SGL；

图6（Ag扩散示意图）Bi结构内层晶界曲折，大幅延长Ag扩散路径，降低渗透概率。

图7：Bi-1组Voc和Isc同步提升，推动效率增长。

结论

双层多晶硅结构通过SiOₓ层的物理分隔与化学调控，实现了钝化质量、载流子传输与光学性能的协同优化。尽管接触电阻略有增加，但其工艺兼容性和高温稳定性为TOPCon电池的大规模生产提供了新方向。未来可通过优化内层掺杂工艺或引入梯度结构，进一步提升效率。

关键知识点

TOPCon核心优势：隧穿氧化层+多晶硅钝化接触，兼顾高效率和低成本；双层结构设计：SiOₓ层作为扩散屏障，分区调控掺杂与结晶；氢钝化效应：氢原子修复界面缺陷，提升钝化质量；工业兼容性：磁控溅射与丝网印刷工艺可直接适配现有产线。