1. 研究背景
当前技术挑战
- P型硅太阳能电池
在光伏产业中占有重要地位，特别是在PERC（Passivated Emitter and Rear Contact）技术中，但它面临一些局限性，如界面缺陷和载流子寿命问题，特别是在使用掺硼（B）的p型硅基片时。 为了进一步提高太阳能电池的效率，隧道氧化物钝化接触（TOPCon）技术被提出，其中使用了隧道氧化物和钝化层来提高电池的载流子传输性质和界面钝化效果。 - 掺镓（Ga）的p型硅
因其在光照下的稳定性而成为研究重点，与掺硼（B）硅相比，掺镓的硅基片在某些条件下能够显著减少缺陷引起的性能退化。
研究目的
文章的目标是深入研究p型TOPCon电池中掺硼（B）与掺镓（Ga）硅基片的界面缺陷和载流子运输性质。通过比较两种不同掺杂类型的硅基片，分析界面缺陷对电池性能的影响。
2. 研究思路
实验设计
硅基片制备：
文章使用了两种p型硅基片：掺硼（B）和掺镓（Ga）硅基片，分别通过化学机械抛光和标准清洗流程进行预处理。
SiOx和p+聚硅层的沉积：
采用低压化学气相沉积（LPCVD）方法在硅基片上沉积SiOx和p+聚硅层，SiOx层厚度约为1.2-1.5nm，p+聚硅层的厚度约为180nm。
特性测试：
- 载流子寿命
使用准稳态光电导率法（QSSPC）测量有效载流子寿命，并分别评估表面和体内载流子寿命。 电化学容差-电压（ECV）测量：通过ECV方法评估不同掺杂水平下的活性硼浓度。 - 开路电压（iVOC）
通过QSSPC方法测量iVOC，分析不同掺杂的影响。 - 原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）
用于研究表面缺陷和局部光电压。 - 电流-电压（I-V）特性
在黑暗和光照条件下测量I-V曲线，分析电荷传输特性。
研究重点
分析掺硼（B）和掺镓（Ga）硅基片上p+聚硅/SiOx层的缺陷状态与载流子动力学的关系。 探讨不同掺杂类型的硅基片在光照和暗态下的电流-电压特性变化。
3. 结果与讨论
3.1 硅基片对表面缺陷的影响
- 掺硼（B）硅基片
KPFM图像显示，掺硼硅基片上p+聚硅/SiOx层的表面存在更多的缺陷，特别是在晶界（GBs）处。图像中的接触电势差（CPD）图展示了在暗态下表面缺陷区域的电势较低，说明这些区域存在更多的电子和孔的俘获。 - 掺镓（Ga）硅基片
相比掺硼硅，掺镓硅基片的p+聚硅/SiOx层显示出较少的缺陷，尤其是在晶界处。KPFM测量表明，掺镓硅基片的表面缺陷较少，且在光照条件下表面电势的变化较小。
3.2 载流子寿命与iVOC
- QSSPC测量
表明，掺镓硅基片的p+聚硅/SiOx层表现出更高的表面和体内载流子寿命，且iVOC值高于掺硼硅基片。 掺硼硅基片的p+聚硅/SiOx层由于表面重组速率较高，导致较低的载流子寿命和较差的界面钝化效果。 - ECV测量
确认了两种硅基片的掺杂浓度分布，但未能直接解释差异，表明缺陷是导致性能差异的主要原因。
3.3 电流-电压特性
- 掺硼硅基片
在暗态下，I-V曲线表现为欧姆接触，且在不同的电压扫描速率下，呈现较大的迟滞现象，表明存在较多的内在缺陷。 - 掺镓硅基片
I-V曲线表现为肖特基接触，且电流-电压关系呈现出更为线性的特性，暗示掺镓硅基片的电荷传输更为有效。
3.4 光照下的I-V特性
在光照条件下，掺硼硅基片的I-V曲线展现出较强的迟滞现象，表明光照下生成的载流子与表面缺陷的相互作用较为显著。 对比之下，掺镓硅基片在光照下的I-V曲线变化较小，表明光照下生成的载流子与缺陷的相互作用较少，电荷传输性能更好。
4. 研究结论
研究揭示了掺硼（B）和掺镓（Ga）硅基片对p+聚硅/SiOx层的缺陷状态和电荷载流子传输特性的显著影响。 掺镓硅基片的p+聚硅/SiOx层在表面和体内载流子寿命上均表现出更优的性能，且光照下的电荷传输更加稳定。 相比之下，掺硼硅基片由于更多的表面缺陷，导致较差的载流子传输性能和较低的iVOC值。 这些结果为开发高效p-TOPCon太阳能电池提供了有价值的参考，表明掺镓硅基片在提升p-TOPCon太阳能电池性能方面具有潜力。
5. 图文解析
图1：QSSPC结果与iVOC测量
图1a：样品结构示意图
图1a展示了所制备的样品结构，包括p+聚硅（p+ poly Si）、SiOx层和掺硼（B）或掺镓（Ga）p型硅基片。
该结构展示了多层膜（SiOx和p+聚硅层）在p型硅基片上的沉积，代表了典型的p-TOPCon结构。
图1b：QSSPC结果——有效载流子寿命
图1b显示了QSSPC实验的结果，其中呈现了不同掺杂类型硅基片上的有效载流子寿命（随着少数载流子密度的变化）。
结果表明，掺镓硅基片的表面和体内载流子寿命较掺硼硅基片更稳定，且较高的表面寿命和体寿命表明掺镓硅基片具有更好的表面钝化性能。
图1c：iVOC测量结果
图1c展示了在SiNx沉积层作用下的iVOC测量结果，证明SiNx层能够通过减少表面缺陷来提高p+聚硅的表面钝化效果。
掺镓硅基片的iVOC值超过700mV，显示出显著的钝化效果。
图1d：ECV测量——活性硼浓度分布
图1d展示了通过ECV方法获得的活性硼浓度分布。
两种硅基片（掺硼与掺镓）的硼浓度有细微差异，尽管p+聚硅层的掺硼浓度较为一致。
图2：AFM与KPFM结果
图2a：AFM和KPFM实验装置示意图
图2a描述了用于AFM和KPFM的实验装置，包括光照和暗态下对p+聚硅/SiOx/掺硼和掺镓硅基片的表面进行测量的装置布置。
图2b和2c：AFM表面形貌
图2b和2c展示了不同掺杂类型硅基片（掺硼和掺镓）的表面3D AFM形貌图。尽管表面粗糙度有所不同，但两者的形貌差异并不显著。
掺镓硅基片的表面相比掺硼硅基片较为光滑，这可能与其更少的缺陷密切相关。
图3：KPFM测量结果
图3a和3b：暗态和光照下的CPD图
图3a和3b展示了掺硼硅基片在暗态和光照条件下的接触电势差（CPD）图。
图中显示，晶界（GBs）处的CPD值较低，这表明在晶界处存在较多缺陷，可能导致载流子的复合。
在光照条件下，光生载流子可以部分弥补这些缺陷，导致CPD差异减小。
图3c和3d：CPD分布曲线和统计分析
图3c展示了暗态和光照条件下的CPD分布曲线，表明在光照下，掺硼硅基片的晶界和内部晶粒之间的CPD差距减小。
图3d的统计分析进一步证明了这一现象，表明光照有助于减少晶界处的缺陷影响。
图4：掺镓硅基片的KPFM测量
图4a和4b：掺镓硅基片在暗态和光照下的CPD图
与掺硼硅基片不同，掺镓硅基片的CPD图在两种条件下变化较小，表明其表面缺陷较少。
图4c和4d：CPD分布曲线和统计分析
图4c展示了掺镓硅基片在暗态和光照条件下的CPD分布曲线。结果表明，在光照和暗态下的CPD差距较小，表明掺镓硅基片表面缺陷较少。
图4d的统计分析进一步证实了这一点，表明掺镓硅基片具有更少的缺陷，且在光照条件下，缺陷影响较小。
图5：I-V特性测量
图5a展示了用于I-V测量的实验装置。通过施加不同的电压波形，测量p+聚硅/SiOx层在不同掺杂类型硅基片上的电流-电压特性。
图6a：暗态下的I-V曲线
图6a展示了掺硼和掺镓硅基片的暗态I-V曲线。掺镓硅基片表现出更高的电流，表明其电荷传输性能更好，且由于较少的缺陷，电流在更小的电压下流动。
图6b和6c：不同扫描速率下的I-V特性
图6b和6c分别展示了掺硼和掺镓硅基片在不同扫描速率下的I-V特性。尽管扫描速率变化不大，但掺硼硅基片表现出较大的滞后现象，这与较多的缺陷有关。
图7：大电压范围内的I-V特性
图7a和7b：大电压下的I-V曲线
图7a和7b展示了掺硼和掺镓硅基片在较大电压范围（±1V到±5V）内的I-V特性。掺硼硅基片在更高电压下表现出更明显的滞后现象，进一步证明了其较高的缺陷密度。
图7c和7d：光照下的I-V特性
图7c和7d展示了在光照条件下，掺硼和掺镓硅基片的I-V特性。掺硼硅基片在光照下的I-V曲线变化较大，表明光生载流子与缺陷相互作用更为显著。相比之下，掺镓硅基片的I-V曲线变化较小，表明光生载流子与缺陷的相互作用较小。
