随着晶体硅太阳能电池技术从PERC向TOPCon、SHJ及背接触等高效结构演进表面钝化成为决定器件性能的关键因素。在众多钝化材料中原子层沉积制备的氢化氧化铝AlOx:H因其优异的化学钝化和强场效应钝化能力而备受关注。然而AlOx:H通常需要经过400–500℃的高温后退火处理才能激活其钝化性能这一工艺限制使其难以应用于硅异质结等温度敏感型电池结构。采用美能全光谱椭偏仪精确测定a-SiOx:H与AlOx:H亚层纳米级厚度为研究叠层钝化性能与厚度的关联及结构优化提供了关键数据支撑。本文提出在n型晶体硅表面构建纳米级氢化非晶氧化硅/氢化氧化铝a-SiOx:H / AlOx:H双层钝化叠层。该方案利用a-SiOx:H层提供良好的化学钝化并促进上层AlOx:H中Al-O网络的形成同时通过AlOx:H层引入高密度负固定电荷实现强场效应钝化。实验结果表明优化后的双层叠层无需后退火处理即可将有效少数载流子寿命提升至5.1 ms为高效晶体硅电池提供了一种低温、产业兼容的钝化解决方案。实验方法实验采用双面抛光和制绒的n型直拉硅片。抛光片电阻率约5 Ω·cm厚度约300 μm制绒片电阻率约2 Ω·cm厚度约130 μm。首先在210℃下用PECVD在硅片双面对称沉积a-SiOx:H层反应气体为CO₂、SiH₄和H₂。然后在200℃下用热ALD沉积AlOx:H层铝源为TMA氧化剂为H₂O载气为Ar。作为对比还制备了仅由单层AlOx:H钝化的样品并在沉积后进行450℃、30分钟退火。采用WCT-120测试仪在过剩载流子密度Δn10¹⁵ cm⁻³条件下测量样品的有效少数载流子寿命。用美能全光谱椭偏仪测定各层厚度。用XPS研究叠层化学状态用TEM观察样品微观结构。为获得界面缺陷态密度和固定电荷密度对单面沉积叠层的样品进行高频C-V和G-V测量制备MIS结构硅片/钝化层/圆形铝电极。根据C-V曲线计算Qf根据C-V和G-V曲线计算Dit。用Quokka2软件模拟背接触电池效率对正面复合电流密度的依赖性。结果与讨论AlOx:H厚度的影响(a) 不同AlOx:H厚度、a-SiOx:H层厚度固定为6 nm的沉积态a-SiOx:H/AlOx:H叠层(b) 不同厚度、经沉积后退火处理的单层AlOx:H固定a-SiOx:H层为6 nm改变AlOx:H厚度。结果显示单层a-SiOx:H钝化的样品有效少数载流子寿命低于1.0 ms。随着AlOx:H厚度增加有效少数载流子寿命逐渐上升在AlOx:H约12 nm时达到最大值约5.1 ms。超过12 nm后有效少数载流子寿命反而下降。相比之下经退火的单层AlOx:H在12 nm时有效少数载流子寿命仅约1.5 ms即使增加到18 nm也仅约3.3 ms。这表明AlOx:H和a-SiOx:H的组合产生了任何单层无法实现的协同效应。MIS结构样品的测量结果(a)高频C-V和G-V曲线(b) Cox和Vfb的值(c) Gmax/ω和Cmax的值对MIS结构样品进行C-V和G-V测量。随着AlOx:H厚度增加平带电压Vfb先向更正方向移动在12 nm时达到峰值然后回移。所有Vfb均为正表明固定电荷为负。a-SiOx:H/AlOx:H钝化叠层a-SiOx:H层厚度固定为6 nmAlOx:H层厚度变化诱导产生的Qf和Dit的计算值根据公式计算Qf和Dit。绝对Qf随AlOx:H厚度先增后减在12 nm时达到最大值约6.88×10¹² cm⁻²。Dit在AlOx:H从3 nm增至6 nm时显著降至10¹⁰ eV⁻¹cm⁻²量级之后保持稳定。这说明Dit主要受近界面区影响AlOx:H增厚主要通过提高Qf增强场效应钝化。XPS谱图(a) 3 nm(b) 6 nm(c) 9 nm(d) 12 nm(e) 15 nmXPS分析显示AlOx:H较薄时6 nmAl-OH键占主导厚度增加Al-O峰增强Al-OH峰减弱12 nm时Al-OH峰消失超过12 nmAl-OH峰再次出现。绝对Qf的变化趋势与Al-O峰强度一致说明形成更致密的Al-O网络有利于提高Qf。这些结果表明近界面区需要较薄~6 nm的AlOx:H以确保低Dit而增加厚度至12 nm可最大化Qf实现化学钝化和场效应钝化的协同优化。a-SiOx:H厚度的影响有效少数载流子寿命等高线图固定AlOx:H为12 nm改变a-SiOx:H厚度。等高线图显示单层a-SiOx:H的有效少数载流子寿命随厚度增加缓慢上升18 nm时仅略高于1 ms。叠层后所有a-SiOx:H厚度的样品有效少数载流子寿命均显著提升。a-SiOx:H厚度低于6 nm时提升不明显达到6 nm及以上时有效少数载流子寿命饱和于约5 ms。考虑到a-SiOx:H的光学吸收优选厚度为6 nm可在保证钝化效果的同时最大限度减少寄生吸收。MIS结构样品的测量结果(a)高频C-V和G-V曲线(b) Cox和Vfb的值(c) Gmax/ω和Cmax的值样品的Qf和Dit计算值C-V和G-V测量表明a-SiOx:H从3 nm增至6 nm时绝对Qf从3.5×10¹² cm⁻²几乎翻倍之后趋于饱和。Dit则基本稳定在约6×10¹⁰ eV⁻¹cm⁻²对厚度变化不敏感。这说明a-SiOx:H厚度主要影响Qf而非Dit。XPS谱图(a) 3 nm(b) 6 nm(c) 9 nmXPS显示3 nm a-SiOx:H的叠层同时存在Al-O和Al-OH峰6 nm及以上时仅存Al-O峰。这与Qf的变化一致表明足够厚的a-SiOx:H有利于形成更纯净的Al-O网络增强场效应钝化。a-SiOx:H层氧含量的影响有效少数载流子寿命图固定a-SiOx:H为6 nm、AlOx:H为12 nm改变沉积a-SiOx:H时的CO₂/SiH₄流量比RCO₂。结果显示有效少数载流子寿命对RCO₂高度敏感从0开始上升在0.08时达到峰值约5 ms之后下降。与a-Si:H/AlOx:H叠层相比RCO₂0.08和0.10的a-SiOx:H/AlOx:H叠层有效少数载流子寿命显著更高。MIS结构样品的测量结果(a)高频C-V和G-V曲线(b) Cox和Vfb的值(c) Gmax/ω和Cmax的值Qf和Dit计算值C-V和G-V测量显示RCO₂从0增至0.08时Vfb向更正方向移动绝对Qf从约3×10¹² cm⁻²增至约6×10¹² cm⁻²Dit从1.14×10¹¹ eV⁻¹cm⁻²降至约6×10¹⁰ eV⁻¹cm⁻²。RCO₂超过0.08后Qf下降Dit上升。这说明适量氧掺入RCO₂0.08可同时优化Qf和Dit过量氧则导致a-SiOx:H过氧化降低钝化质量。叠层结构表征样品的横截面透射电镜图像(a) a-SiOx:H单层(b) a-SiOx:H/AlOx:H双层叠层TEM图像显示6 nm单层a-SiOx:H与硅衬底界面光滑、厚度均匀。6 nm a-SiOx:H/12 nm AlOx:H双层叠层中两层均为非晶态界面清晰、无相互扩散AlOx:H均匀覆盖a-SiOx:H。这种结构有利于实现稳定的协同钝化a-SiOx:H提供化学钝化其合适的氧含量和厚度促进Al-O键形成AlOx:H则通过高密度负固定电荷提供强场效应钝化。通过Quokka2模拟获得的背接触太阳能电池效率对其正面复合电流密度的依赖性Quokka2模拟显示电池效率随正面复合电流密度J0,front增加而单调下降。根据实验获得的5.1 ms有效少数载流子寿命计算得J0,front约为6.28 fA/cm²对应的模拟效率仍高于J0,front0时最大效率的98%表明该钝化方案在实际器件中具有良好应用前景。在n型晶体硅片上采用纳米a-SiOx:H/AlOx:H双层叠层无需后退火即可获得优异钝化性能。AlOx:H最佳厚度为12 nm可提供高达-6.9×10¹² cm⁻²的负固定电荷密度使有效少数载流子寿命达5 ms。XPS显示这得益于Al-OH的抑制和Al-O网络的形成。a-SiOx:H厚度主要影响Qf对Dit影响有限。沉积a-SiOx:H时RCO₂0.08可同时优化Qf和Dit过量氧则降低钝化质量。优选6 nm a-SiOx:H结合12 nm AlOx:H可在保证钝化效果的同时减少寄生吸收。TEM证实该叠层结构保形、非晶、界面清晰。该方案为高效晶体硅电池提供了一种简便、无需退火的钝化途径。美能全光谱椭偏仪美能全光谱椭偏仪全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数如厚度和物理参数如折射率n、消光系数k先进的旋转补偿器测量技术无测量死角问题。粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量先进的光能量增强技术高信噪比的探测技术。秒级的全光谱测量速度全光谱测量典型5-10秒。原子层量级的检测灵敏度测量精度可达0.05nm。美能全光谱椭偏仪精确测定a-SiOx:H和AlOx:H亚层的纳米级厚度。凭借其宽光谱范围和优异的测量精度确保了双层叠层厚度的可控性为系统研究各亚层厚度对钝化性能的影响提供了可靠的数据支撑。正是基于其准确的厚度标定本研究得以优选出6 nm a-SiOx:H/12 nm AlOx:H的最佳结构在不经过后退火的情况下实现了5.1 ms的高效钝化性能。原文参考Preparation of nano a-SiOx:H/AlOx:H bilayer stack without post-deposition annealing to obtain efficient surface passivation on n-type crystalline silicon