n型硅中光诱导和高温诱导退化的表现：由于暂时性恢复而带来的初始寿命提升

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Manifestation of Light- and Elevated-Temperature-Induced Degradation in n-Type Silicon: Initial Lifetime Improvement Due to Temporary Recovery

n型TOPCon硅电池存在与p型类似的LeTID缺陷及临时恢复（TR）现象，首次证实TR在n型中的存在，并发现其负激活能（-0.51eV）及与Δn的强非线性关系（kTR∝Δn3·1?）。研究表明快烧工艺参数（峰值温度、冷却速率）直接影响缺陷形成，约50%缺陷在快烧阶段已形成。通过对比p型与n型材料，验证了相同工艺优化（如降温速率调整）可有效缓解两种类型的LeTID问题。

　　在光伏技术迅速发展的背景下，科学家们不断探索新的材料和结构以提高太阳能电池的效率和稳定性。近年来，随着行业从传统的p型硅基太阳能电池向新型n型隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池的快速转型，研究者开始关注这一新型技术中可能存在的退化问题。特别是，p型硅中广泛讨论的光和高温诱导退化（LeTID）现象是否会影响n型TOPCon太阳能电池，成为当前研究的重要课题。本文旨在通过系统性实验，探讨n型硅中LeTID缺陷的形成机制及其可逆性，即所谓的临时恢复（TR）现象，并揭示其对太阳能电池性能的影响。

### LeTID与TR现象概述

LeTID是一种在p型硅中被广泛研究的退化现象，其特征在于在光照和高温条件下，太阳能电池的性能会显著下降，而这种下降并非不可逆。相反，当温度降低或在低温下注入电荷载流子时，这种退化现象会部分逆转，这种逆过程被称为临时恢复（TR）。TR现象的存在为理解LeTID提供了重要的线索，因为它表明退化过程具有可逆性，并且可能与特定的缺陷结构有关。TR的反应速率与温度呈反向依赖关系，即随着温度的降低，TR速率常数显著增加，这种行为与常规的阿伦尼乌斯型反应不同，表现出负的活化能。此外，TR速率常数还与电荷载流子过剩浓度呈超线性关系，这在p型硅中已被证实。然而，TR现象在n型硅中的存在尚未得到充分验证，这使得对n型TOPCon太阳能电池的退化机制理解存在一定的不确定性。

### n型硅中TR现象的首次确认

在本研究中，科学家们首次在n型硅中观察到TR现象。通过对比不同快烧工艺条件下样品的退化行为，研究人员发现，在特定的低温和高载流子注入条件下，n型硅样品的性能能够部分恢复，这与TR的定义相符。这种恢复过程的可重复性表明，TR不仅存在于p型硅中，也适用于n型硅。进一步的实验数据表明，TR速率常数在n型硅中对温度的依赖呈现出负的活化能，这一特征与p型硅中的TR行为一致。此外，TR速率常数与Δn（即电荷载流子过剩浓度）之间的关系也表现出显著的超线性特征，表明TR在n型硅中的行为与p型硅存在相似之处，但其依赖性更强。例如，在n型硅中，当Δn增加时，TR速率常数的变化幅度远大于p型硅中的变化。这一发现不仅加深了对TR机制的理解，也为进一步研究n型硅中LeTID的形成提供了新的视角。

### LeTID缺陷的形成与影响

研究发现，在n型硅中，LeTID缺陷的形成不仅与退化过程有关，还可能在快烧工艺过程中就已经存在。通过分析快烧工艺对样品性能的影响，研究人员发现，快烧过程中的温度峰值和冷却速率对LeTID缺陷的形成具有重要影响。例如，较高的温度峰值会导致更多的氢分子进入硅基体，从而增加LeTID缺陷的形成概率；而较慢的冷却速率则有助于氢分子的扩散，从而减少缺陷的积累。这种发现表明，LeTID缺陷的形成与氢的分布密切相关，而氢的浓度又受到工艺参数的调控。因此，优化快烧工艺参数，如控制温度峰值和冷却速率，可能是减少LeTID缺陷形成的有效手段。

此外，研究还表明，LeTID缺陷的存在对太阳能电池的性能具有多方面的影响。首先，这些缺陷会降低电池的初始效率，这在快烧后的样品中尤为明显。其次，如果某些工艺条件无意中增强了TR现象，可能会导致电池效率的短暂提升，但同时也可能增加长期退化的风险。例如，在某些实验条件下，TR过程可能被误认为是一种优化手段，从而误导了对退化机制的理解。因此，在进行稳定性测试时，必须考虑到TR的潜在影响，以确保测试结果的准确性和可靠性。

### TR行为的实验验证

为了进一步验证TR现象在n型硅中的存在，研究人员设计了一系列实验。他们首先对样品进行了退化处理，随后在低温条件下注入电荷载流子，观察其性能是否能够恢复。实验结果表明，在25°C的条件下，通过激光照射或LED光源照射，样品的性能确实能够部分恢复，这与TR的定义一致。研究人员还发现，TR速率常数与Δn之间的关系在n型硅中表现出更强的依赖性，即随着Δn的增加，TR速率常数的增幅远高于p型硅。这种超线性关系表明，TR在n型硅中的行为可能受到更复杂的机制影响，或者与材料本身的特性有关。

通过多次重复退化和TR循环，研究人员还观察到TR过程的可重复性。这意味着，TR不仅是一个单次发生的逆过程，而是一个可以在不同条件下反复出现的现象。这种可重复性对于理解LeTID的动态行为至关重要，因为它表明退化和恢复过程可能是一个持续的循环，而非一次性的事件。同时，TR过程的可重复性也为开发新的退化缓解策略提供了依据，因为如果TR可以被有效触发，那么它可能成为一种有效的修复手段。

### TR在n型硅中的意义与挑战

TR现象的确认不仅为理解LeTID提供了新的视角，也对太阳能电池的设计和制造提出了新的挑战。首先，TR的存在意味着退化过程并非完全不可逆，因此在评估太阳能电池的稳定性时，必须考虑TR的潜在影响。其次，TR的可重复性表明，某些工艺条件可能在无意中促进了退化和恢复的循环，这可能导致电池性能的波动，进而影响其长期可靠性。此外，TR速率常数与Δn之间的超线性关系表明，n型硅中的退化行为可能比p型硅更加复杂，需要更深入的研究以揭示其背后的物理机制。

### 退化缓解策略的适用性

尽管TR现象在n型硅中已被确认，但研究者还发现，许多在p型硅中已被证明有效的退化缓解策略同样适用于n型硅。例如，通过调整快烧工艺的温度峰值和冷却速率，可以显著减少LeTID缺陷的形成。具体而言，降低快烧温度峰值可以减少氢分子的扩散，从而减少缺陷的积累；而延长冷却时间或引入冷却平台则有助于氢分子的逸出，降低退化风险。这些策略的有效性已在本研究中得到验证，表明它们可以用于n型硅太阳能电池的制造过程中，以提高其长期稳定性。

此外，研究还指出，某些快速再生过程，如在高温下进行光注入，可以有效地将LeTID缺陷转移到无害的再生状态。这一发现为开发新的退化缓解方法提供了方向，即通过特定的热和光条件，将退化过程中的缺陷进行修复。然而，需要注意的是，这些策略的实施需要精确控制工艺参数，以避免对电池性能造成不必要的影响。例如，虽然降低氢浓度可以减少LeTID缺陷的形成，但氢在缺陷钝化中也起着重要作用，因此必须在减少缺陷和维持材料性能之间找到平衡。

### 实验方法与数据处理

为了系统地研究LeTID和TR现象，研究人员采用了多种实验方法，包括光致发光（PL）和光电导衰减（PCD）测量。PL测量用于评估样品的载流子寿命，而PCD测量则用于分析表面复合速率的变化。通过将这些测量数据与快烧工艺条件进行对比，研究人员能够更准确地识别LeTID缺陷的形成机制。例如，快烧后的样品表现出明显的载流子寿命下降，而TR处理后寿命有所恢复，这表明LeTID缺陷确实存在，并且可以通过TR过程部分逆转。

在数据处理方面，研究人员采用了多种方法来量化退化和恢复的程度。例如，他们使用了寿命等效缺陷密度（ΔN_leq）作为评估指标，该指标能够反映退化和恢复过程中的缺陷变化。通过将ΔN_leq与不同工艺条件下的实验数据进行对比，研究人员能够识别出哪些工艺参数对LeTID缺陷的形成和恢复具有显著影响。此外，他们还通过绘制阿伦尼乌斯图，分析TR速率常数与温度之间的关系，从而确认TR在n型硅中的行为特征。

### 实验结果的对比分析

通过对比p型和n型硅的实验数据，研究人员发现，尽管两者在退化和恢复行为上存在一定的相似性，但n型硅中的退化程度通常较低，且TR过程的可逆性更强。这一发现可能与n型硅的物理特性有关，例如其载流子浓度和材料结构的差异。此外，研究还指出，TR速率常数在n型硅中对Δn的依赖性更强，这表明n型硅中的退化行为可能受到更复杂的电荷载流子动态影响。

值得注意的是，快烧工艺中的温度峰值和冷却速率对LeTID缺陷的形成具有决定性作用。例如，当温度峰值升高时，LeTID缺陷的形成量显著增加，而较慢的冷却速率则有助于减少缺陷的积累。这些结果表明，快烧工艺的优化是减少LeTID缺陷形成的关键因素之一。此外，研究人员还发现，TR过程在n型硅中表现出更强的可逆性，这意味着通过适当的工艺调整，可以有效缓解LeTID带来的性能损失。

### 实验结论与未来展望

综上所述，本研究首次在n型硅中确认了TR现象的存在，并揭示了其与LeTID缺陷之间的关系。研究发现，TR在n型硅中表现出负的活化能和对Δn的超线性依赖，这与p型硅中的TR行为具有相似性，但其依赖性更强。此外，LeTID缺陷在n型硅中可能在快烧工艺过程中就已经形成，这表明快烧工艺对材料性能的影响需要更加谨慎的评估。

研究还表明，许多在p型硅中已被证明有效的退化缓解策略同样适用于n型硅，这为新型太阳能电池的制造提供了重要的参考。例如，通过调整快烧温度峰值和冷却速率，可以显著减少LeTID缺陷的形成。此外，TR过程的可重复性表明，某些工艺条件可能在无意中促进了退化和恢复的循环，这需要在实际应用中加以控制。未来的研究可以进一步探索TR机制在n型硅中的具体表现，以及如何通过优化工艺参数来实现更有效的退化缓解。此外，TR行为的可重复性也为开发新的稳定性测试方法提供了依据，因为如果TR过程被纳入测试流程，可以更全面地评估太阳能电池的长期性能。