作者：C. C. Lee、Y. H. Chu、H. Z. Wang、J.Y. Chang、Tomi Li、I-Chen Chen，National Central University，Taiwan 　 

這些年來，對晶硅（c-Si）和氫化非晶硅（α-Si:H）組成的異質結太陽電池的關注不斷增加。與常規的c-Si同質結比較，α-Si:H/c-Si異質結有幾個優點：⑴ 太陽電池效率高，超過23%；⑵ 抑制了高工作溫度時的效率下降；⑶ 太陽電池加工比較簡單，能在低于200℃的溫度下進行。這種低溫等離子加工技術很容易擴大規模，因而能大大降低制造成本。但是，大多數工藝研究是用等離子增強化學汽相淀積（PECVD）進行的，由于離子轟擊可能引起更多的表面缺陷。因此，結界面處較高的載流子復合幾率會使短路電流密度(JSC)減少。

為了避免這一點，在本研究工作中，采用了電子回旋共振化學汽相淀積（ECR-CVD）制備異質結太陽電池。ECR-CVD具有以下幾個好處：改善淀積工藝的控制、對生長薄膜的離子損傷少、等離子密度高以及有可能得到高淀積速率。許多作者已經報道了用ECR-CVD在低溫下淀積微晶(μc)和外延Si薄膜。另一方面，由于α-Si:H層的側向導電性相當差，因此在電池設計中，必須加入支撐透明導電氧化物（TCO）。已經證明，用能在450℃時生長同質外延n+Si發射層，不需要TCO層就能得到約15%的效率。用名義上不摻雜的，單晶襯底上1μm厚μc-Si吸收層和p+發射層，不用抗反射層（ARC）能達到1.5%的效率。

這里證明了，T=170℃時能獲得高質量的p型同質外延發射層。制造Si太陽電池時不用TCO層和背表面場結構。這種無本征非晶層的初始Si薄膜晶體太陽電池的轉換效率在0.63cm2已達到6.8%。我們進一步用TEM測量研究界面質量，確認其界面結構減少了界面的缺陷密度。優化ECR-CVD系統的生長條件后，制備了有光學抗反射TCO層的氫化微晶硅氧化物（μc-SiOx:H）異質結太陽電池。其轉換效率高達12%。這證明了這種簡單加工方法的技術潛力。

實驗和結果
實驗中采用的ECR-CVD系統是單一晶片系統（8英寸），系統的示意圖可見圖1。等離子室有過模圓柱形微波腔、一端開口。2.45GHz微波通過工作在TE11模式的圓柱波導引入腔內。腔室用大型電磁鐵圍繞，產生靜態的發散軸向磁場，如圖1所示。晶片支架位于距等離子室孔25cm處。用渦輪分子泵把等離子室抽到高真空，殘余氣體壓強接近3×10-6Torr。本研究中只報導生長p+薄膜，用的摻雜氣體是硼（B），在氫氣中體積濃度為0.5%。工藝氣體經ECR區上的進氣口引入工作氣體（H2），經位于基座上方的噴淋頭引入工藝氣體SiH4/Ar/B2H6。

用ECR-CVD在n-型直拉 (CZ) c-Si(100)襯底上淀積20nm-60nm厚度的摻B氫化硅(Si:H)薄膜。襯底厚度是200μm。淀積參數如下：襯底溫度170℃；源氣體：硅烷(SiH4)，氫 (H2)，二硼烷（B2H6）；SiH4流量1sccm；總氣體壓強10 mTorr；微波功率600W。H2/SiH4流量比為50；B2H6/ SiH4流量比在1-5%之間變化。本研究中，p+摻雜層的薄膜厚度在玻璃襯底上用表面輪廓儀和橢偏光譜儀（SE）測量。對于所用的最高摻雜水平，淀積速率調整到24nm/min左右。用傅里葉變換紅外光譜分析SiH和SiH2化學鍵之間的比例。然后，我們獲得摻雜層的小微結構參數R*（SiH2/SiH2+SiH*100%)～9%。為了優化p-層(μc-Si)，我們進一步用透射電子顯微鏡（TEM）檢驗界面結構和單元厚度，用霍爾測量法檢查載流子濃度。

圖2示出了樣品薄膜典型的TEM截面觀察結果。在此樣品中，當薄膜厚度達到50nm時，就停止生長以便觀察薄膜生長情況。在給出的條件下，觀察到在Si襯底上的外延生長，如圖2顯示的那樣。TEM顯微照片表明，外延生長了薄層，初始階段中表面是平滑的，這證實了降低應力的成核過程，與期望的情況一樣。界面上沒有看到孿晶與層錯。但是，這些結構缺陷在薄膜的體區域是存在的，在此樣品中，它們的缺陷密度顯著減小。有報道說，c-Si表面覆蓋氫促進了低溫下Si薄膜的外延生長。由于現在的樣品是在硅烷的高氫稀釋比(H2/SiH4=50)的條件下制備的，我們推測，即使在ECR-CVD中B摻雜比(B2H6/SiH4)高時也實現了c-Si表面覆蓋氫。

制造Si太陽電池時，用ECRCVD在n型c-Si襯底的前表面淀積20nm厚的外延p發射層。圖3(a)是μc-Si:H(p)/c-Si(n)平面Si太陽電池的結構示意圖，最終的電池結構為銦錫氧化物（ITO）/ ITO)/μc-Si (p+外延層)/c-Si (n)，示于圖3(b)。采用電阻率為1～10Ω-cm，厚度為200μm的n型CZ晶片（100）。淀積工藝前，硅晶片用ACE/IPA清洗除去油漬，并用DI水沖洗5分鐘。為了除去SiO2并實現表面鈍化，硅晶片用2%氫氟酸浸泡1分鐘。硅襯底上生長摻雜層后，用電子槍蒸發淀積Ti/Ag背電極和前電極。另一片用濺射法在襯底溫度150℃時制備了附加的銦錫氧化物（ITO）透明電極。這樣，我們就用簡化的清洗工藝完成了全部平面Si 異質結太陽電池的制作，沒有非晶固有層。這些平面異質結太陽電池的效率特性用太陽模擬器AM-1.5，100mW/cm2下測量。

首先，用ECR-CVD我們得到～1020cm-3 高載流子濃度的20nm p外延層，無ITO層的μc-Si:H(p)/c-Si(n) 平面Si太陽電池的轉換效率接近6.8%（面積為0.63cm2），Jsc是17.4mA，Voc是511mV， FF達到63.4%，見圖4(a)。進而，我們認為在同一薄膜厚度下Voc和Jsc有可能比用PECVD制備的更好，這是由于在ECR-CVD系統中摻雜層與硅襯底間的界面上離子轟擊較少。我們優化了用ECR-CVD制備的高質量μc-SiOx:H薄膜的摻雜濃度。這樣，無本征非晶層時平面異質結太陽電池的轉換效率將上升到約10%。采用由μc-SiOx:H生長制備的p+層，獲得的最佳Voc是0.526V，最佳效率是11.66%（Jsc，30.88 mA/cm2；FF，71.73%）。由于提高了p+層的摻雜效率，可以采納薄(20nm) p+μc-SiOx:H層獲得高Voc。從而，短路電流密度Jsc也顯著高于有用μc-SiOx:H生長制備的較厚p+層的電池所得到。這個結果可以歸因于缺陷密度較低，從而減少了用μc-SiOx:H生長制備的p+層內的復合損失。摻雜效率提高的原因是補償硼摻雜的結晶缺陷密度減少。

結論
我們成功地用ECR-CVD淀積了～1020cm-3高載流子濃度的20nm p+型μc-SiOx:H。制備這種平面異質結太陽電池不用表面絨化、本征非晶層和BSF結構，轉換效率達到11.66%（面積0.63cm2），同時，Jsc為30.88mA、Voc為526mV、FF達到71.73%。盡管ECR-CVD有很高的淀積速率1～3nm/sec，但是，我們仍然能成功地調節摻雜層的淀積速率降至0.5nm/sec以下，并改變薄非晶摻雜層（厚度約5～20nm）內的摻雜濃度。通過對本研究中平面異質結太陽電池表面摻雜濃度、層厚及其透明導電層（TCO）相關的生長控制的優化，我們將不斷提高轉換效率到約15%。