关于 SiNx、SiOxNy 及其叠层在 c-Si 晶圆上用于太阳电池应用的钝化性能：与光学、化学和界面性质的相关性

文献来源及作者机构来源：Solar Energy Materials & Solar Cells 256 (2023) 112356作者：Hasan Hüseyin Canar, Gence Bektas, Rasjt Turan机构：土耳其中东技术大学太阳能研究中心（ODTÜ-GÜNAM）

关键词硅氮化物（SiNx）、硅氧氮化物（SiOxNy）、钝化性能、固定电荷密度、界面态密度、氢含量

摘要土耳其研究团队通过对比SiNx、SiOxNy及其堆叠结构在晶体硅（c-Si）太阳能电池中的钝化性能，发现SiOxNy具有更低的界面态密度（Dit），而SiNx则表现出更高的氢（H）含量和固定电荷密度（Qf）。通过将超薄SiOxNy与SiNx堆叠，结合两者的优势，显著提升了p型和n型硅片的表面钝化效果，并通过快速退火工艺进一步优化性能。这一研究为高效太阳能电池的钝化层设计提供了新思路。

研究背景

在硅基太阳能电池中，表面钝化是提升光电转换效率的关键。SiNx和SiOxNy作为常用钝化材料，通过化学钝化（氢原子填补界面缺陷）和场效应钝化（固定电荷抑制载流子复合）发挥作用。然而，SiNx的Dit较高，而SiOxNy的H和Qf较低，单一材料难以同时满足高钝化和低光损的需求。如何通过材料堆叠与工艺优化实现性能平衡，成为研究焦点。

实验方法

样品制备：使用工业级M2尺寸（156.75×156.75 mm²）的p型和n型硅片，经KOH腐蚀、臭氧清洗及HF处理。通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积）在不同气体流量下沉积SiNx和SiOxNy薄膜（见表1），厚度和折射率通过椭偏仪测量（见表2）。

表征技术：FTIR光谱：分析化学键（Si-H、N-H、Si-O）及氢含量。C-V测试：计算固定电荷密度（Qf）和界面态密度（Dit）。PCD测试：测量载流子寿命（τeff）和隐含开路电压（iVoc）。

实验结果及讨论

1. 光学与化学特性

折射率调控：SiOxNy的折射率（n=1.58-1.85）显著低于SiNx（n=1.96-3.02），紫外吸收也更低（图1），更适合作为减反射层。氢含量对比：SiNx的氢总量（[H]tot）高于SiOxNy（图2），且Si-H键占比随n值升高而增加，有利于钝化界面缺陷。

2. 界面钝化性能

Qf与Dit：SiOxNy的Dit（最低3.24×10⁹ eV⁻¹cm⁻²）低于SiNx，但Qf（最高2.56×10¹² cm⁻²）弱于后者（图3）。堆叠结构优势：5 nm SiOxNy/80 nm SiNx堆叠在快速退火后，Dit降至检测限以下（表4），同时Qf保持较高水平，综合钝化效果最优。

3. 载流子寿命验证

堆叠结构在p型和n型硅片上的表面复合速率（SRV）分别降至22.3 cm/s和9.91 cm/s（表7），显著优于单一材料（表6）。

结论

SiOxNy因低Dit成为界面钝化的理想选择，而SiNx的高H和Qf可有效抑制缺陷。超薄SiOxNy/SiNx堆叠结合两者优势，在快速退火后实现最佳钝化性能。该设计为工业级高效太阳能电池的钝化层优化提供了重要参考。

图表分析

表1：不同工艺参数下SiNx和SiOxNy的气体流量配比。

表2：薄膜厚度与折射率数据，显示SiOxNy的n值更低。

图1：SiNx的紫外吸收随n值升高而增强，SiOxNy几乎无吸收。

图2：SiNx的[H]tot高于SiOxNy，且Si-H键主导。

图3：SiOxNy的Dit最低，SiNx的Qf最高。

表4：堆叠结构在退火后Dit接近检测限，Qf保持稳定。

表6-7：堆叠结构载流子寿命提升3倍以上，SRV显著降低。

关键知识点

钝化机制：化学钝化（氢填充缺陷）与场效应钝化（固定电荷抑制复合）需协同作用。材料选择：SiOxNy低光损，SiNx高氢储备，堆叠结构兼顾性能。工艺优化：快速退火释放氢原子，进一步提升钝化效果。

本文改写自前沿研究，数据与结论均来自原文。关注我们，获取更多新能源技术解析！

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