Aaron PV
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/ HJT 异质结结构的钝化机制 /
1 硅异质结太阳电池的开路电压和钝化
1.1 开压与界面态密度和界面复合
假定界面复合是太阳电池中载流子复合的主要机制，开压表达式
- 表面复合速率 - 晶硅侧有效价带态密度 - 有效界面势垒高度，为晶硅侧的能带弯曲量与费米能级与导带底（或价带顶）能量差的代数和 对于异质结 对于n-a-Si:H/p-c-Si异质结，
【表面钝化效果好的表现】
微观上，表现为界面态密度降低、界面复合减少 宏观上，表现为少子寿命增加及电池i-Voc上升
【开路条件下，无外部电流时，光生电流与复合电流是平衡的】
在厚度为的太阳电池中，光生电流密度与少子寿命关系
- 平均过剩载流子浓度 有效少子寿命 , - 为载流子产生速率 电池的implied-Voc可从电子、空穴的费米能级分裂确定：【以p型硅片为例】
- 受主浓度， - 本征载流子浓度 - 载流子在pn结处的浓度
【对称样品，表面少子寿命】
- 少子扩散系数， - 表面复合速率 界面复合速率与界面态的关系
1.2 SRH复合与钝化
SRH复合, Shockley-Read-Hall, 即通过半导体禁带中的缺陷态进行的间接复合，常用于描述非平衡载流子通过复合中心的复合 导带中的电子落入复合中心的缺陷能级(Et) 之后，电子再落入价带与空穴复合
【SRH复合率Us】
- 分别为电子和空穴的俘获截面 - 载流子热运动速率（300K时，约为） - 为与 重合时导带的平衡电子浓度， 为重合时的平衡空穴浓度
【降低界面复合率的途径】
降低界面态密度 ，饱和表面悬挂键——化学钝化，实现 降低界面处自由电子或空穴的浓度——场钝化，实现
2 本征非晶硅的钝化
2.1 a-Si:H中和c-Si表面的隙态 gap state
表面态与费米能级的钉扎pinning密切相关 金半接触中，钉扎位置决定着肖特基势垒高度 对于异质结器件，低表面态对确保a-Si:H/c-Si异质结的整流特性rectifying非常重要
【富缺陷的a-Si:H材料中】
费米能级钉扎在禁带中央 midgap附近的窄带能级内
由于共价键的断裂，缺陷是两性的 amphoteric，非别为
带正电的态 带负电的态 中性态常标记为态
c-Si体材料中，悬挂键只存在于位错线上
2.2 化学界面钝化
非晶硅薄膜，H的引入，钝化薄膜内部悬挂键，去除了与悬挂键相关的隙态 c-Si表面，H饱和表面悬挂键 a-Si:H薄膜沉积后低温退火处理有利于减少缺陷
刚沉积后少子寿命 30 μs vs 退火后少子寿命 4 ms （10^15注入水平）
2.3 钝化动力学
【拉伸指数拟合】stretched-exponential
- 为有效少子寿命的饱和值 - 分散度参数(dispersion parameter) - 有效时间常数
【H能量与位置关系】 氢以三种构造形式存在：
处于相对高能位的陷阱态T，trap state 处于低能位的储备态R，reservior state 处于过度区的间隙态I，interstitial state
低伸缩频率的氢化物归属为 Si-H 高伸缩频率的氢化物在a-Si:H体内归属为Si-H2，也有可能是微孔洞中的团簇Si-H 意味着a-Si:H/c-Si界面陷阱态H的数量是足够的，部分H可以很容易通过退火激发到一个活动的状态 mobile，中止悬挂键
3 掺杂非晶硅的钝化
3.1 掺杂非晶的钝化效果
一般认为Si-H键的断裂会在薄膜中形成缺陷
Si-H键的断裂由费米能级的位置决定，而与掺杂剂的物理性质无关 a-Si:H/c-Si界面，掺杂导致缺陷形成与降低钝化性能关联，可由加热退火a-Si:H/c-Si时逸出H2的实验验证 钝化性能下降的开始点，似乎对应着光学带隙出现明显变化的位置 光学带隙的变化，意味着非晶硅材料中缺陷的形成，缺陷的形成是由Si-H键断裂导致的
【钝化质量的非对称性】
p-a-Si:H和n-a-Si:H对c-Si表面的钝化质量不同 p-a-Si:H/c-Si界面，偏离带隙中心，靠近价带顶VBM，由于Si-H键断裂使得a-Si:H带隙中 态密度较高 n-a-Si:H/c-Si界面，则靠近导带底CBM，Si-H键断裂使得a-Si:H带隙中 态密度升高
3.2 掺杂非晶硅对本征非晶硅钝化影响
本征层上沉积掺杂非晶硅，有可能在本征层中形成缺陷，影响钝化效果 掺杂非晶硅的存在使得i层中Si-H键断裂能变低
4 其他钝化方案
氢化非晶氧化硅
5 硅异质结中的场钝化效应
【场效应钝化机理】
在晶体硅表面成掺杂浓度梯度或者沉积一层带有电荷的钝化层 硅表面的能带弯曲形成一个内建电场 使得界面处存在一个势垒来积累电荷，电子和空穴的浓度变的不平衡，复合率变小
TCO/a-Si:H(p+)/c-Si(p)/c-Si(n)/a-Si:H(n+)/TCO结构串联电池
参考资料：《硅基异质结太阳电池物理与器件》
祝：Lucy小宝贝，百天快乐！
