梯度氢化碳化硅层提升透明钝化接触太阳能电池性能的机理研究

这篇研究通过创新性地引入梯度氢化碳化硅（nc-SiC:H(n)）层，解决了透明钝化接触（TPC）太阳能电池中填充因子（FF）和开路电压（VOC ）的平衡难题。作者团队利用热丝化学气相沉积（HWCVD）技术调控层间氢含量与结晶度，实现了24.11%的认证效率，为高效硅基太阳能电池设计提供了新思路。

　　

引言

提升太阳能电池的功率转换效率（η）是降低光伏发电成本的核心路径。随着PERC电池逐步退出市场，TOPCon和硅异质结（SHJ）电池成为主流技术。然而，TOPCon因多晶硅（poly-Si）的光吸收限制难以应用于正面，而SHJ电池的透明导电氧化物（TCO）层存在寄生吸收问题。本研究聚焦透明钝化接触（TPC）结构，通过氢化n型纳米晶碳化硅（nc-SiC:H(n)）的双层堆叠设计，探索效率突破的可能性。

透明钝化接触结构设计

TPC电池采用湿化学法生长1-1.5 nm的SiO_X
界面层，结合HWCVD沉积的nc-SiC:H(n)双层结构：低温沉积的钝化层（高氢含量）确保界面化学钝化，高温沉积的导电层（高结晶度）优化电荷传输。但钝化层的低电导率导致填充因子（FF）受限，形成效率瓶颈。

梯度层创新方案

通过动态调节HWCVD催化灯丝温度（T_f
），研究团队开发了从钝化特性向导电特性渐变的梯度层。实验显示，灯丝电流变化速率（R_fil
）决定梯度层厚度：低速（0.04 A/s）导致氢逸散和低效钝化，而高速（2 A/s）实现氢含量与电导率的优化平衡。引入超薄（<5 nm）钝化种子层后，界面氢浓度提升至双层的1.5倍，同时氮掺杂信号在梯度层中提前出现，表明导电性能的早期激活。

微观结构解析

飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）揭示梯度层的氢分布特征：种子层使界面氢信号强度接近双层结构，而氮信号随T_f
升高快速饱和。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实，梯度层的Si-H键强度在界面区比导电单层高30%，解释了其优异的钝化能力。值得注意的是，导电层中氮掺杂主要存在于晶粒内部，而钝化层的氮因低温沉积未充分活化。

性能突破与潜力

结合梯度层与热辅助光浸泡处理，TPC电池实现733.5 mV的V_OC
和81.46%的FF，效率达24.11%。相较于传统双层结构，梯度层方案使FF绝对值提升0.6%，V_OC
增加4 mV以上。若进一步优化溅射损伤和边缘复合，效率有望逼近SHJ电池的24.5%水平。

方法学细节

研究使用Czochralski法生长的n型硅片，通过二氧三氯（DIO₃
）清洗和皮拉尼亚溶液氧化预处理。HWCVD沉积采用甲基硅烷/氮气前驱体，灯丝温度从1,700°C（钝化层）梯度升至1,950°C（导电层）。后道工序包含PECVD沉积本征/p型a-Si:H层、ITO溅射及银浆丝网印刷。

未来方向

建议探索梯度层沉积过程中的氢化处理暂停策略，或通过原子探针断层扫描（APT）解析纳米尺度电学特性分布。此外，空间分辨光致发光测量可动态监测超薄种子层的钝化效果。

（注：全文数据均源自作者团队的实验验证，未引用外部文献标注及图表索引）