在晶體硅太陽能電池領(lǐng)域，隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術(shù)是突破效率瓶頸的關(guān)鍵方向，其鈍化性能直接決定電池效率。目前，TOPCon結(jié)構(gòu)的制備嚴(yán)重依賴氫化工藝來中和缺陷，但傳統(tǒng)方法面臨鈍化效果提升有限、工藝復(fù)雜且機(jī)理不清晰的問題。美能QE量子效率測試儀可用于精確測量太陽電池的EQE與光譜響應(yīng)，幫助優(yōu)化界面工程和背接觸設(shè)計(jì)，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本文提出一種創(chuàng)新的氘化/氫化混合策略，通過在氣氛退火中引入氘同位素（以D?O形式）來優(yōu)化鈍化過程。研究發(fā)現(xiàn)，氫與氘在TOPCon結(jié)構(gòu)中共存并產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)以1% D?O的優(yōu)化比例混合時(shí)，能顯著提升界面與體鈍化質(zhì)量，使隱含開路電壓大幅增加。該方案不僅利用了氘硅鍵更強(qiáng)的穩(wěn)定性，還通過簡易的氣氛退火工藝實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)高效、兼容產(chǎn)業(yè)化的TOPCon太陽能電池提供了新途徑。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用n型c-Si襯底，制備對(duì)稱雙面TOPCon結(jié)構(gòu)（poly-Si(n) / SiO? / c-Si(n) / SiO? / poly-Si(n)）。

關(guān)鍵步驟包括熱生長超薄SiO?層、沉積磷摻雜非晶硅、高溫晶化形成多晶硅，最后進(jìn)行氣氛退火。

退火在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，通過鼓泡法分別引入水蒸氣（H?O）、氘水（D?O）或兩者混合蒸氣。系統(tǒng)優(yōu)化退火溫度、時(shí)間、升溫速率及氣體比例。

氘鈍化的可行性驗(yàn)證

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(a) 制備于c-Si襯底上的TOPCon結(jié)構(gòu)截面高分辨掃描透射電子顯微鏡圖；(b) O Kα與Si Kα的EDS元素分布圖；(c) 多晶硅(n)薄膜內(nèi)硅原子相的選區(qū)電子衍射分析結(jié)果；(d) 和 (e) 與(a)圖中所示多晶硅(n)/SiO?區(qū)域?qū)?yīng)的傅里葉變換衍射花樣；(f) (a)圖中選定區(qū)域的幾何相位分析結(jié)果

(a) 僅由洗氣瓶和退火爐組成的氣氛退火裝置示意圖；(b) 分別以超純水和D?O作為氫源與氘源，雙面鈍化樣品鈍化性能提升的對(duì)比，以隱含開路電壓為標(biāo)準(zhǔn)；(c) 水蒸氣氣氛退火氫化后，通過純D?O處理進(jìn)行二次氘補(bǔ)充對(duì)隱含開路電壓的影響；(d) 氘化工藝中氣氛退火條件的優(yōu)化：溫度與升溫速率；(e) 使用氫/氘源混合物時(shí)，D?O比例對(duì)隱含開路電壓提升的影響

微觀結(jié)構(gòu)分析表明，氘引入未改變TOPCon各層的晶體結(jié)構(gòu)與界面形貌，說明氘化過程具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性。

電學(xué)測試顯示，在優(yōu)化條件下，純氘退火可使iVOC提升約7 mV，雖略低于純氫退火（約10 mV），但已證明氘同樣具備有效鈍化能力。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氘鈍化的最佳退火溫度（約500°C）高于氫鈍化（約450°C），且對(duì)升溫速率更敏感，這可能與氘-硅鍵合需要更高激活能有關(guān)。

氫/氘混合策略的協(xié)同效應(yīng)

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(a)-(c) 經(jīng)不同氣氛（水蒸氣、D?O、1% D?O）退火處理后制備的多晶硅/SiO?/c-Si疊層結(jié)構(gòu)，通過二次離子質(zhì)譜分析獲得的元素分布剖面。分析元素包括：O相關(guān)（藍(lán)色）、P相關(guān)（深黃色）、H相關(guān)（灰色）和D相關(guān)（紅色）；(d) 和 (e) c-Si/SiO?界面區(qū)域信號(hào)的放大視圖：H相關(guān)和D相關(guān)。附表顯示了各峰強(qiáng)度水平

通過調(diào)節(jié)退火氣氛中D?O與H?O的比例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)D?O占比為1 %時(shí)鈍化效果最佳，iVOC提升達(dá)15 mV，顯著優(yōu)于單一氫或氘處理。

SIMS分析表明，氫的快速擴(kuò)散與氘的較強(qiáng)鍵合能力產(chǎn)生互補(bǔ)：氫能迅速鈍化大量淺層缺陷，而氘則在界面及多晶硅體內(nèi)形成更穩(wěn)定的鈍化結(jié)構(gòu)。兩者協(xié)同還能優(yōu)化磷摻雜分布，形成更陡峭的淺結(jié)，有利于載流子傳輸并降低俄歇復(fù)合。

機(jī)理深入分析

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(a)-(d) H?O和D?O分子在不同硅襯底上的吸附模型；(e)-(h) 上述案例的電荷密度差圖

(a) D?O分子中D和O原子的投影態(tài)密度圖作為參考；(b)-(e) 不同吸附模型（分別對(duì)應(yīng)案例I–IV）下表面吸附過程后，D、H、O和Si原子的投影態(tài)密度圖

(a)-(d) 不同吸附配置下吸附體系的晶體軌道哈密頓布居圖譜，其為鍵合能量的函數(shù)

表面電勢變化：KPFM顯示經(jīng)1% D?O混合退火的樣品表面功函數(shù)降低，表明界面態(tài)減少、能帶彎曲增強(qiáng)，有利于場效應(yīng)鈍化。

鍵合特性：DFT計(jì)算證實(shí)，D?O在富含懸掛鍵的硅表面吸附能更低、電荷轉(zhuǎn)移更顯著，且氘與硅的鍵合強(qiáng)度高于氫。

元素分布：SIMS顯示氘處理可引起界面氧原子重排，這可能有助于緩解界面應(yīng)變并優(yōu)化缺陷結(jié)構(gòu)。

電池性能驗(yàn)證

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(a) 采用新型氘化/氫化混合策略制備的、具有全背電極的N型TOPCon太陽能電池在光照下的J-V曲線。同時(shí)顯示了測試太陽能電池（2 cm × 2 cm）的性能參數(shù)以及具體的電池結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 太陽能電池的外量子效率（EQE）結(jié)果

基于1% D?O混合退火工藝制備的n型TOPCon電池（全背接觸結(jié)構(gòu)）獲得了：

效率：23.19%

開路電壓：694.3 mV

短路電流密度：41.30 mA·cm?2

填充因子：80.87%

電池在300–900 nm短波范圍內(nèi)的外量子效率顯著提升，進(jìn)一步證實(shí)了鈍化效果的改善。

本研究創(chuàng)新性地提出了一種用于n型TOPCon太陽能電池的氘化/氫化混合鈍化策略。通過優(yōu)化濃度的氣氛退火引入氘（最佳條件為1% D?O），實(shí)現(xiàn)了氫與氘的協(xié)同作用，顯著提升了界面與體材料的鈍化性能。理論計(jì)算證實(shí)，氘與硅的鍵合強(qiáng)于氫，穩(wěn)定性更高，尤其能有效鈍化多晶硅體內(nèi)的缺陷與懸掛鍵。當(dāng)表面存在懸掛鍵時(shí)，水分子可協(xié)同增強(qiáng)D?O在橫向與縱向的反應(yīng)范圍，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)氫鈍化的吸附與鈍化能力。

基于此策略制備的驗(yàn)證電池取得了23.19%的效率，各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)顯著提升，證明了該方法的器件級(jí)可行性與應(yīng)用潛力。該工作不僅為現(xiàn)有氫化工藝提供了一條有效的優(yōu)化路徑，也為鈍化接觸工程引入了氫同位素這一新維度。

未來研究將聚焦于工藝深度優(yōu)化、其他氫同位素的探索以及器件長期穩(wěn)定性評(píng)估。該方法與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容，初步驗(yàn)證具備可擴(kuò)展性，通過精準(zhǔn)控制退火參數(shù)，有望推動(dòng)其在高效率TOPCon太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用，為下一代光伏技術(shù)發(fā)展提供新動(dòng)力。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

美能QE量子效率測試儀通過精準(zhǔn)測量電池在300-900 nm短波范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)，為驗(yàn)證本研究中鈍化性能的提升提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

原文參考：Enhanced passivation performance in n-type TOPCon solar cells via a novel deuteration/hydrogenation hybrid strategy