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摘要：随着晶体硅太阳电池技术的不断发展，硅片的厚度不断降低，电池表面钝化对提高太阳能电池转化效率变得尤为重要。本文首先阐述了硅片的表面特性，然后介绍了表面钝化膜在晶体硅太阳电池中的应用，并针对表面钝化介质薄膜进行研究。表面钝化技术是提高晶体硅电池转换效率最有效的手段之一，今后晶体硅电池表面钝化技术仍将是国内和国际研究的热点之一。
关键词：晶体硅太阳电池；电池表面；钝化技术；钝化膜
引 言
高效率、低成本是太阳能电池研究最重要的两个方向。对于晶体硅太阳能电池来说，随着晶体硅制造技术的提升，基体硅片的体载流子寿命不断提高，已经不再是制约电池效率提升的关键因素。而电池表面的钝化对转换效率的影响越来越明显。太阳能电池的生产过程中，基体硅片的成本占整个生产成本的比例最高，为降低生产成本，尽快实现光伏电价“平价上网”，提高市场竞争力，硅片薄化是必然的趋势，随之产生的问题就是电池表面复合严重，这就为太阳能电池表面钝化技术提出了挑战。因此，为了在硅片薄化的过程中仍然保持电池的高转化效率，对晶体硅太阳电池表面钝化技术的研究是必不可少的。
1 硅片表面特性
对于硅片来说，表面复合就是指硅片的表面存在的复合过程，在整个复合的过程中，硅片中存在的部分粒子会受到硅片表面复合状态
的影响，而受到相应的变化。硅片的表面主要会有以下三个方面的特点：首先是硅片的表面会进行外来的带有正、负电荷杂质的吸附，这就会使其表面存在杂质，从而也就会形成复合中心；其次是硅片运用的过程中必然会涉及到硅片的切割，一旦进行切割必然会对硅片表面
造损伤，这就会使得硅片表面存在较多的缺陷甚至是畸变，这也会导致硅片表面增加复合中心；三是对于硅晶体本身来说，由内向外延
伸的过程中，晶体表面会存在悬挂的粒子，这些粒子的存在也容易使得表面出现复合中心。
2 表面钝化膜在太阳电池中的应用
2.1 降低载流子复合，提高转化效率
晶体硅太阳电池中由于少子复合使得光生载流子损失严重，从而导致太阳电池效率降低。而硅片中少子寿命在很大程度上受硅片表面状态的影响。理想硅片的表面态密度和硅的原子密度数量级1015cm-2一致。但实际上，硅表面一般都存在天然氧化层，该氧化层内表面硅原子的未饱和键被天然氧化层中的原子填补后表面态密度将会降低（在1011 ～1012cm-2范围内）。而氧化层外表面由于与外界环境接触吸附了些许杂质离子，故而也存在表面态，密度一般在1013cm-2以上。内表面态与体内电子交换速率很快，而外表面态交换速率很慢，并且外表面态对外界环境相当敏感，所以制备时不易被控制。这是影响电池硅片表面性能稳定性的主要因素。
太阳电池的有效少数载流子寿命τeff由硅片体寿命τbulk、上表面有效寿命τtsurface和背表面有效寿命τbsurface共同决定，其关系式如下
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在保证效率的前提下，可以通过尽量减薄太阳电池的厚度来降低成本。而当硅片厚度减薄时，其表面的有效寿命远小于体寿命，此时的有效少子寿命约等于表面有效寿命，因此，表面复合对有效少子寿命的影响非常明显。研究人员通过大量实验已经证明，表面态密度越高表面复合速率也将越大，因此要提高表面光生载流子的收集率就要降低表面态密度，从而减小表面态的复合。为了减小表面态密度，就必须对晶体硅太阳电池进行前、后表面钝化。
2.2 表面钝化膜的减反射效果
太阳能电池减反膜的主要作用是减少或消除太阳能电池硅表面的反射光，增加透光量，提高太阳能电池光电转换效率。目前，用作太阳电池减反膜的材料主要有SiO2（折 射 率1.4～1.5）、SiNx（1.9）、ＭｇＦ2（1.3～1.4）、TiO2（2.3）、ZnS（2.3～2.4）、Ａ1２O3（1.8～1.9）、Ta2O3（2.1～2.3）、Nb2O3（2.2 ～2.3），Ａ1２O3的折射率在1.8和1.9之间是很理想的减反射膜材料。而且，钝化膜制备过程中还能对硅片产生氢钝化的作用，能显著改善硅太阳电池的光电效率。
在实际的晶体硅太阳能电池工艺中，氮化硅薄膜作为一种常见的钝化膜，其折射率在1.8～2.5，因此如果将氮化硅作为前表面钝化膜，并将其折射率控制在2.0左右，既能起到很好的钝化作用又能起到较好的减反射效果。
3 表面钝化介质薄膜研究
3.1 SiNx膜钝化
SiNx膜具有很好的氢钝化和减反射作用，能达到良好的体钝化效果，且随着折射率的增加钝化效果越好。业内常采用叠层SiNx膜结构来实现太阳能电池正面钝化与减反的效果，而太阳能电池背面通过控制硅烷、氨气的比例沉积具有较低折射率的SiNx膜，增强对光的长波段的吸收，减少消光损失，提高电池对光的利用率。研究表明，低折射率的SiNx中氢原子含量和厚度的增加，介质膜钝化效果增强，还能减弱介质膜钝化衰减现象。一般常用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术制备氮化硅薄膜。
3.2 SiOx膜钝化
SiOx膜钝化层具有良好的致密性，可以降低硅片背表面的少子复合速率，提高了电池的开路电压和短路电流，并且可以有效的阻碍金属杂质进入硅机体内。产业化过程中，SiOx薄膜钝化主要采用的是热氧化法，对于热氧化法来说，可分为干氧氧化、湿氧氧化以及水汽氧化三种方法，这是根据氧化的氛围进行划分的，最为常见的就是干氧氧化和湿氧氧化两种。在实际的氧化过程中，主要就是将硅片放置于高温石英炉管中，然后在其中的氧化物质作用下就会产生 SiOx薄膜。
3.3 AlOx膜钝化
与氧化硅、氮化硅等相比，AlOx膜的固定负电荷密度高达1013/cm2，可提供非常好的场效应钝化作用。而为了完全满足背面钝化条件，产业化的高效电池会在氧化铝介质层附上SiNx、SiOx等保护膜，使其与金属铝背场隔离。同时，在氧化铝原子层沉积过程引入氢源，形成高氢介质氧化铝膜，退火时，释放H扩散到P型硅表层与悬挂键结合，饱和硅片表层悬挂键，可进一步增强场效钝化作用，降低载流子复合，提高少子寿命，提高光电转化效率。业界大多采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积镀膜，可在同一设备中完成氧化铝、氮化硅等多层膜的沉积，但其沉积膜质量要比原子层沉积（ALD）略差，且TMA耗量更高。
3.4 电池表面钝化接触技术研究
就现在的电池表面钝化接触技术的研究中，由德国研发的一项技术也在其中起着重要的作用，这就是隧穿氧化层钝化接触技术。该
项技术在实际的应用过程中主要是采用一层非常薄的氧化薄膜以及多晶硅层组成的，在其中能够有效的实现粒子的选择性通过，不同的粒子由于其不同的穿透能力而出现穿透钝化层或者被阻挡的现象，这也就能够进一步实现电池表面的钝化，从而也就能够有效的提升电池的转化效率。对于该项技术的研究，现在还存在一些争议，主要是认为其中薄膜以及多晶硅层对于钝化的接触性会产生一定的影响。
4 存在的问题与展望
对于晶体硅太阳能电池表面钝化的方法是非常多的，我国太阳能电池表面钝化技术发展至今也已经取得了较大的成就，但是其中仍
存在一定的问题，影响其继续前进。例如，对于 SiNx表面钝化来说，其短光波在表面还会造成较大的吸收导致复合速率产生，对于该速
率还需要不断的进行降低；另外，在制备 SiNx薄膜时，薄膜的性质、沉积条件以及工作的压力、频率等都会对薄膜产生一定的影响，这在未来的研究中还需要不断的完善。
结束语
综上所述，随着现在我国经济的不断发展，我国的科学技术水平也在不断的提升，尤其是在新能源的技术研发方面，我国的研究者也做出了较多的努力。随着现在对于太阳能电池技术的不断研发，晶体硅太阳能电池表面钝化技术在不断的创新发展，同时对于新材料的使用也在不断的增多，这在一定程度上有效的提升了我国太阳能电池转化效率，对于我国新能源的应用来说有着重要的作用。就现在我国太阳能电池的发展来说，其中还存在一定的问题需要得到完善，这样才能够更好的实现新能源应用的飞跃式发展。
参考文献
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