编辑推荐：
本文聚焦于氢化纳米晶硅碳（nc - SiC:H）基透明钝化接触（TPC）的晶体硅（c - Si）太阳能电池。研究发现热退火受接触温度限制难以修复溅射损伤，而光浸泡（LiSo）可有效修复，使开路电压（VOC）超 735mV ，认证效率达 24.17%±0.29%，为提升太阳能电池性能提供新策略。
研究背景
透明钝化接触（TPC）概念为减少硅异质结（SHJ）太阳能电池正面氢化非晶硅（a - Si:H）的寄生吸收提供了有效方案。此前研究展示了利用氢化纳米晶硅碳（nc - SiC:H）基 TPC 层的背结晶体硅（c - Si）太阳能电池，其认证功率转换效率（PCE）接近 24%，短路电流密度（JSC）高达 40.87mA/cm2。nc - SiC:H 采用热丝化学气相沉积（HWCVD）技术制备，该技术具有设备简单、成本低等优势。然而，TPC 太阳能电池的开路电压（VOC）仍落后于传统 SHJ 太阳能电池，即使隐含开路电压（iVOC）相似。研究发现，在 nc - SiC:H 层上溅射掺锡氧化铟锡（ITO）后，钝化性能会恶化，这一现象在多种钝化接触材料中均有报道。目前，虽有多种解释溅射损伤的假设，但潜在机制仍不明确。同时，研究人员尝试通过软 ITO 溅射工艺或热退火减轻溅射损伤，但 TPC 太阳能电池经热退火后，iVOC和VOC仍存在约 12mV 的差异，表明其损伤和修复过程与传统 SHJ 太阳能电池不同，需进一步研究。
实验设计
本文使用多种样品进行不同表征和研究。TPC 方案由湿化学制备的氧化硅（SiOx）隧穿钝化层、低导电 nc - SiC:H (n) 层和高导电 nc - SiC:H (n) 层组成，研究还涉及相同的 TPC 太阳能电池和 SHJ 太阳能电池的背面结构（本征和 p 型 a - Si:H 堆栈，即 a - Si:H (i)/a - Si:H (p)）。TPC - SHJ 细胞前体用于制备 TPC 太阳能电池；TPC - TPC 对称样品和 SHJ - SHJ 对称样品分别用于评估 TPC 侧和 SHJ 侧的钝化；双面电池结构用于展示 TPC 太阳能电池和 SHJ 太阳能电池中溅射损伤和修复的性能演变及异同。
热退火修复溅射损伤的局限性
研究人员首先研究了 TPC 电池制造和后处理过程，以了解溅射过程后钝化质量不可恢复的损伤。TPC 电池前体的iVOC约为 742.4mV ，但 ITO 沉积后的溅射损伤显著降低了钝化质量，经丝网印刷（SP）后的 TPC 太阳能电池VOC约为 714mV ，后续 230°C、20min 的热退火对VOC的提升仅 4mV ，iVOC和VOC仍相差 24.4mV 。对比 TPC - SHJ 细胞前体和对称 TPC 样品发现，退火对 TPC 样品的溅射损伤有修复能力，但 TPC - SHJ 前体结构中的 a - Si:H (i)/a - Si:H (p) 堆栈是限制层。进一步研究发现，230°C 热退火的多余热量会降低 c - Si 衬底与背面 SHJ 接触界面的钝化效果。SHJ 太阳能电池在退火温度超过 180°C 时，VOC会下降；TPC 对称样品在 190°C 和 210°C 退火时，无法完全治愈溅射损伤，TPC 完全恢复钝化所需的最低退火温度为 220°C，这会对 SHJ 太阳能电池造成不可挽回的损害，延长退火时间也无法恢复钝化质量。尝试在 ITO 溅射前引入退火过程或采用特定的热预处理组合，均不能完全解决问题，表明 230°C 的后沉积退火温度对于修复 TPC 结构中的溅射损伤不可替代。
光热协同处理的效果
由于热退火无法完全恢复钝化质量，研究转向直接光浸泡（LiSo）处理。实验中，样品暴露于相当于约 50 个太阳光谱辐照度的发光二极管（LED）光源下，同时用热板加热到稳定温度。研究发现，SHJ 对称样品对溅射过程不太敏感，而 TPC 对称样品在 ITO 溅射后iVOC下降约 60mV ，表明 TPC 接触受溅射影响更大。在不同温度下对样品进行 LiSo 处理发现，175°C 的 LiSo 处理对 SHJ 对称样品的钝化有轻微增强，而高于 190°C 则会降低钝化效果。对 TPC 对称样品在 175°C 进行 LiSo 处理，其iVOC在第一次 180s 处理后从 699mV 恢复到 738mV ，接近初始值，后续处理进一步提升至 741mV 和 742mV ，证明了 LiSo 对 TPC 结构溅射损伤的修复潜力。对 TPC 太阳能电池直接进行 175°C、360s 的 LiSo 处理，与其他处理方式对比，其效率提升约 1.2%，VOC平均增加到 732mV ，最佳样品达到 736mV ，与iVOC的差距缩小到约 8mV 。LiSo 处理还提高了填充因子（FF），降低了串联电阻（Rs），改善了 pseudo - fill factor（pFF），表明 LiSo 能修复 TPC 太阳能电池的溅射损伤，提高钝化质量。
光和热在修复过程中的作用
LiSo 处理显著提高了VOC，使最终 TPC 太阳能电池效率超过 24%，最佳电池认证效率为 24.15%，VOC为 735mV 。为了解 LiSo 修复 TPC 太阳能电池溅射损伤的机制，研究分别对样品进行仅加热（175°C 无光照）、正常 LiSo（175°C 光热结合）和仅光照（30°C 有光照）处理。结果表明，SHJ (i/p) 结构对称样品溅射损伤小，LiSo 在 175°C 时可提高iVOC；TPC 侧样品溅射损伤大，仅加热和仅光照处理只能部分减轻溅射影响，175°C 的 LiSo 处理能完全恢复溅射损伤。从载流子传输角度看，仅加热处理时，FF的提高仅源于Rs的降低；正常 LiSo 处理时，pFF的提高和Rs的降低均对FF提升有贡献；仅光照处理时，pFF的增加是FF提高的主要原因，Rs无明显变化。这表明Rs的降低主要归因于 LiSo 的热效应，而高强度光在提高pFF中起重要作用，光热协同效应有助于修复 TPC 太阳能电池的溅射损伤。
氢原子运动的影响
溅射损伤与 c - Si 衬底和覆盖接触界面处深缺陷的产生有关，这些深缺陷很可能是 Si 悬挂键。在 a - Si:H 中，悬挂键的产生与 Si - H 键和 Si - Si 键的重新形成有关，溅射能量可破坏这些键，导致氢原子运动和悬挂键的产生与传输，影响钝化质量。热退火在合适温度范围内可提供能量使氢原子回到界面与悬挂键结合，修复钝化质量，但温度过高会导致 SHJ 结构中氢原子逸出，降低钝化质量。TPC 结构中，氢原子修复损伤的来源可能是 nc - SiC:H 层或SiOx层，由于 nc - SiC:H 层的特殊微观结构，氢原子在其中的运动比在非晶硅中更困难，需要更高能量。LiSo 通过高强度光照产生电子 - 空穴对，注入的载流子与悬挂键结合，库仑力吸引氢原子移动并与悬挂键结合，同时电子 - 空穴对复合提供能量使氢原子克服能垒移动，热在 LiSo 中也有助于氢原子从更深层移动到界面，光热协同作用是修复 TPC 太阳能电池溅射损伤的关键。
综上所述，本文研究表明热退火难以完全修复 TPC 太阳能电池的溅射损伤，而热辅助 LiSo 处理在合适温度下可有效修复损伤，提高VOC和电池效率。光热协同作用在修复过程中起着关键作用，氢原子运动与溅射损伤、热退火和 LiSo 过程密切相关，该研究为提升 TPC 太阳能电池性能提供了重要参考。
