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n型TOPCon电池中通过氘化/氢化混合策略提升钝化性能
日期:2025-12-12浏览量:230
在晶体硅太阳能电池领域,隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术是突破效率瓶颈的关键方向,其钝化性能直接决定电池效率。目前,TOPCon结构的制备严重依赖氢化工艺来中和缺陷,但传统方法面临钝化效果提升有限、工艺复杂且机理不清晰的问题。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应,帮助优化界面工程和背接触设计,从而提升电池的量子效率和整体性能。
本文提出一种创新的氘化/氢化混合策略,通过在气氛退火中引入氘同位素(以D₂O形式)来优化钝化过程。研究发现,氢与氘在TOPCon结构中共存并产生协同效应,当以1% D₂O的优化比例混合时,能显著提升界面与体钝化质量,使隐含开路电压大幅增加。该方案不仅利用了氘硅键更强的稳定性,还通过简易的气氛退火工艺实现,为开发高效、兼容产业化的TOPCon太阳能电池提供了新途径。
实验方法
实验采用n型c-Si衬底,制备对称双面TOPCon结构(poly-Si(n)/SiOₓ/c-Si(n)/SiOₓ/poly-Si(n))。关键步骤包括热生长超薄SiOₓ层、沉积磷掺杂非晶硅、高温晶化形成多晶硅,最后进行气氛退火。退火在氮气保护下进行,通过鼓泡法分别引入水蒸气(H₂O)、氘水(D₂O)或两者混合蒸气。系统优化退火温度、时间、升温速率及气体比例。
氘钝化的可行性验证
(a) 制备于c-Si衬底上的TOPCon结构截面高分辨扫描透射电子显微镜图;(b) O Kα与Si Kα的EDS元素分布图;(c) 多晶硅(n)薄膜内硅原子相的选区电子衍射分析结果;(d) 和 (e) 与(a)图中所示多晶硅(n)/SiO₂区域对应的傅里叶变换衍射花样;(f) (a)图中选定区域的几何相位分析结果

(a) 仅由洗气瓶和退火炉组成的气氛退火装置示意图;(b) 分别以超纯水和D₂O作为氢源与氘源,双面钝化样品钝化性能提升的对比,以隐含开路电压为标准;(c) 水蒸气气氛退火氢化后,通过纯D₂O处理进行二次氘补充对隐含开路电压的影响;(d) 氘化工艺中气氛退火条件的优化:温度与升温速率;(e) 使用氢/氘源混合物时,D₂O比例对隐含开路电压提升的影响
微观结构分析表明,氘引入未改变TOPCon各层的晶体结构与界面形貌,说明氘化过程具有良好的结构兼容性。电学测试显示,在优化条件下,纯氘退火可使iVOC提升约7 mV,虽略低于纯氢退火(约10 mV),但已证明氘同样具备有效钝化能力。
进一步研究发现,氘钝化的最佳退火温度(约500°C)高于氢钝化(约450°C),且对升温速率更敏感,这可能与氘-硅键合需要更高激活能有关。
氢/氘混合策略的协同效应
(a)-(c) 经不同气氛(水蒸气、D₂O、1% D₂O)退火处理后制备的多晶硅/SiOₓ/c-Si叠层结构,通过二次离子质谱分析获得的元素分布剖面。分析元素包括:O相关(蓝色)、P相关(深黄色)、H相关(灰色)和D相关(红色);(d) 和 (e) c-Si/SiOₓ界面区域信号的放大视图:H相关和D相关。附表显示了各峰强度水平
通过调节退火气氛中D₂O与H₂O的比例,发现当D₂O占比为1% 时钝化效果最佳,iVOC提升达15 mV,显著优于单一氢或氘处理。SIMS分析表明,氢的快速扩散与氘的较强键合能力产生互补:氢能迅速钝化大量浅层缺陷,而氘则在界面及多晶硅体内形成更稳定的钝化结构。两者协同还能优化磷掺杂分布,形成更陡峭的浅结,有利于载流子传输并降低俄歇复合。
机理深入分析
(a)-(d) H₂O和D₂O分子在不同硅衬底上的吸附模型;(e)-(h) 上述案例的电荷密度差图
(a) D₂O分子中D和O原子的投影态密度图作为参考;(b)-(e) 不同吸附模型(分别对应案例I–IV)下表面吸附过程后,D、H、O和Si原子的投影态密度图
(a)-(d) 不同吸附配置下吸附体系的晶体轨道哈密顿布居图谱,其为键合能量的函数
表面电势变化:KPFM显示经1% D₂O混合退火的样品表面功函数降低,表明界面态减少、能带弯曲增强,有利于场效应钝化。
键合特性:DFT计算证实,D₂O在富含悬挂键的硅表面吸附能更低、电荷转移更显著,且氘与硅的键合强度高于氢。
元素分布:SIMS显示氘处理可引起界面氧原子重排,这可能有助于缓解界面应变并优化缺陷结构。
电池性能验证
(a) 采用新型氘化/氢化混合策略制备的、具有全背电极的N型TOPCon太阳能电池在光照下的J-V曲线。同时显示了测试太阳能电池(2 cm × 2 cm)的性能参数以及具体的电池结构示意图;(b) 太阳能电池的外量子效率结果
基于1% D₂O混合退火工艺制备的n型TOPCon电池(全背接触结构)获得了:
效率:23.19%
开路电压:694.3 mV
短路电流密度:41.30 mA·cm⁻²
填充因子:80.87%
电池在300–900 nm短波范围内的外量子效率显著提升,进一步证实了钝化效果的改善
本研究创新性地提出了一种用于n型TOPCon太阳能电池的氘化/氢化混合钝化策略。通过优化浓度的气氛退火引入氘(最佳条件为1% D₂O),实现了氢与氘的协同作用,显著提升了界面与体材料的钝化性能。理论计算证实,氘与硅的键合强于氢,稳定性更高,尤其能有效钝化多晶硅体内的缺陷与悬挂键。当表面存在悬挂键时,水分子可协同增强D₂O在横向与纵向的反应范围,展现出优于传统氢钝化的吸附与钝化能力。
基于此策略制备的验证电池取得了23.19 % 的效率,各项电学参数显著提升,证明了该方法的器件级可行性与应用潜力。该工作不仅为现有氢化工艺提供了一条有效的优化路径,也为钝化接触工程引入了氢同位素这一新维度。
未来研究将聚焦于工艺深度优化、其他氢同位素的探索以及器件长期稳定性评估。该方法与现有产线兼容,初步验证具备可扩展性,通过精准控制退火参数,有望推动其在高效率TOPCon太阳能电池的大规模生产中应用,为下一代光伏技术发展提供新动力。
联系电话:400 008 6690
美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应,并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。
▶兼容所有太阳能电池类型,满足多种测试需求
▶光谱范围可达300-2500nm,并提供特殊化定制
▶氙灯+卤素灯双光源结构,保证光源稳定性
美能QE量子效率测试仪通过精准测量电池在300-900 nm短波范围内的光谱响应,为验证本研究中钝化性能的提升提供了关键实验数据。
原文参考:Enhanced passivation performance in n-type TOPCon solar cells via a novel deuteration/hydrogenation hybrid strategy









































































