一、研究背景
近年来，晶体硅（c-Si）太阳能电池效率的不断提升在降低光伏发电成本、实现净零排放目标中扮演了重要角色。然而，随着晶体硅电池从传统的PERC（钝化发射极背面电池）向更高效的TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）和硅异质结（SHJ）电池转型，进一步降低表面复合速率成为提升效率的关键。
- 表面钝化的重要性
表面复合是光生载流子寿命的主要损失来源，而钝化技术通过减少表面悬挂键（化学钝化）和引入固定电荷形成电场（场效应钝化）来提高太阳能电池的开路电压（Voc）和转换效率。 - 铝氧化物（AlOx）钝化技术的优势
具有强负固定电荷密度（Qf）和低界面缺陷密度（Dit），是目前用于 p 型发射极表面钝化的主流解决方案。 适用于超薄膜（<5 nm），并可通过原子层沉积（ALD）技术实现高稳定性和均匀性。
- 研究空白
虽然目前已有大量研究聚焦于 AlOx 沉积和退火条件对钝化性能的影响，但关于硅表面状态（如表面氧化程度）如何影响 AlOx/Si 界面结构和钝化性能的研究仍较少。
二、研究思路
为了深入探究硅表面的氧化预处理对 AlOx 薄膜钝化性能的影响，文章设计了一系列实验，采用了以下研究方法和步骤：
1. 表面预处理
硅表面通过常规 RCA 清洗后，分别进行以下五种氧化预处理：
2. ALD 沉积和退火
3. 表征与分析
通过多种技术手段对沉积和退火后的样品进行系统表征：
三、结果与讨论
1. 硅表面的初始状态
- 表面氧化程度差异显著：
HF 处理后表面无氧化层（Si⁰占主导）。 空气暴露和 DI 水处理分别形成薄氧化层，主要包含 Si³⁺ 和 Si⁴⁺。 HCl 和氧等离子体处理形成更高氧化态（Si⁴⁺占比增大），且氧等离子体处理生成的氧化层最厚。
结论：预处理方法显著改变了硅表面的氧化态和化学终端。
2. 沉积后 AlOx 薄膜的钝化性能
- 化学钝化（Dit）：
HF 处理和空气暴露样品的 Dit 最低（分别为 7.9 × 10¹¹ eV⁻¹cm⁻² 和 6.2 × 10¹¹ eV⁻¹cm⁻²），表现出较强的化学钝化能力。 DI 水、HCl 和氧等离子体处理的样品 Dit 较高（均超过 2.5 × 10¹² eV⁻¹cm⁻²），表明表面氧化层的存在限制了 Si-O-Al 结构的形成。 - 场效应钝化（Qf）：
HF、空气、DI 水和 HCl 处理的样品表现出负 Qf（6.2 至 19 × 10¹¹ cm⁻²），其中空气预处理样品的负 Qf 最强。 氧等离子体处理样品表现出正 Qf（6 × 10¹⁰ cm⁻²），与厚氧化层抑制 AlO₆ 结构的形成有关。
结论：弱氧化或无氧化表面更有利于形成有效的化学钝化和场效应钝化结构。
3. 退火后钝化性能的提升
空气预处理样品的 τeff 从 360 μs 提升至 2298 μs； HF 处理样品的 τeff 从 240 μs 提升至 1798 μs； DI 水和 HCl 处理样品的 τeff 提升有限； 氧等离子体处理样品的 τeff 提升显著，但绝对值较低（仅 360 μs）。 复合电流密度（J₀）： 空气预处理样品 J₀ 降至 19 fA/cm²，为最佳钝化效果； HF 处理样品 J₀ 为 21 fA/cm²； DI 水和 HCl 处理样品 J₀ 较高，分别为 36 和 107 fA/cm²； 氧等离子体处理样品 J₀ 为 98 fA/cm²。
机制分析：
化学钝化：退火过程中 Si-O-Al 结构和氢原子释放进一步钝化了悬挂键，尤其在 HF 和空气预处理样品中效果显著。 场效应钝化：低氧化态表面促进了 AlO₆ 结构的生成，增强了负 Qf。
4. 对 TOPCon 太阳能电池性能的影响
在传统 TOPCon 电池生产中引入空气预处理后： J₀ 平均降低 2-3 fA/cm²； 开路电压（Voc）平均提升 3 mV； 转换效率提高 0.07%（绝对值）。 需要注意的是，空气预处理的耗时（24 小时）限制了工业化应用。
四、研究结论
五、图文解析
图1：实验流程与ALD反应腔示意图
图1a：展示了表面预处理、ALD 沉积、退火激活和性能表征的完整实验流程。五种预处理（HF、空气、DI水、HCl、O*）用于改变硅表面化学态。
图1b：ALD反应腔设计采用垂直气流，确保沉积均匀性。
意义：实验流程明确显示了预处理对 AlOx 沉积和钝化性能的作用研究。
图2：预处理后硅表面的XPS分析
图2a-e：Si 2p峰显示表面氧化程度：HF处理无氧化层（Si⁰为主），空气和DI水暴露形成薄氧化层（Si³⁺/Si⁴⁺），O*处理形成最厚氧化层（Si⁴⁺为主）。
图3：沉积后 AlOx 钝化性能
图3a：空气预处理样品 τeff 最高（360 μs），O*处理最差（5 μs）。
图3b-c：HF和空气样品 Dit 最低、负 Qf 最大，而 O*样品 Dit 高且 Qf 为正。
意义：弱氧化表面（HF、空气）有利于化学和场效应钝化的形成。
图4：AlOx 薄膜的 XPS 分析
图4a：O/Al 比值显示薄膜中存在额外氧（Al-OH）。
图4b-f：HF和空气预处理的薄膜 Al₂O₃ 含量高，Al-OH 含量低，而 DI水、HCl 和 O*样品 Al-OH 较多。
意义：HF和空气预处理有助于形成致密的Al₂O₃结构，提高钝化性能。
图5：薄膜界面结构（20循环 ALD 薄膜）
图5a-f：XPS显示 O*处理形成最厚 SiOx 层（SiOx/Si 2p3 比值最高），HF和空气样品氧化程度最低。
图6：FTIR 分析
AlO₆ 结构：HF和空气预处理样品 AlO₆ 振动峰强度最高，O*样品几乎不可检测。
意义：AlO₆ 结构是负 Qf 的主要来源，其生成与表面氧化态密切相关。
图7：退火后钝化性能
图7a：空气和HF预处理的样品 τeff 分别提升至2298 μs和1798 μs，O*样品尽管提升但效果最差（360 μs）。
图7b-c：空气样品 J₀ 最低（19 fA/cm²），O*样品最高（98 fA/cm²）。
意义：退火激活钝化性能，但氧化预处理显著影响最终结果。
图8：退火后界面特性
图8a-e：CV 曲线显示退火后负 Qf 增强，特别是空气样品 Qf 最强。
图8f：HF和空气样品 Dit 最低（<1.1 × 10¹¹ eV⁻¹cm⁻²），O*样品 Dit 高（>2 × 10¹² eV⁻¹cm⁻²）。
意义：化学钝化（低 Dit）和场效应钝化（高 Qf）共同提升性能。
图10-11：TOPCon 太阳能电池性能
图10：空气预处理降低 J₀（减少2-3 fA/cm²）。
图11：Voc 提升约3 mV，转换效率提高0.07%。
意义：空气预处理改善了电池钝化性能和效率。
