线激光扫描光照浸泡：硅异质结太阳能电池效率提升的新突破

本文聚焦硅异质结（SHJ）太阳能电池，研究发现通过高强度线激光扫描进行光照浸泡（LS），可使电池效率绝对提升 1.3%，还能深入探究 LS 动力学，有望取代退火工艺。该研究为 SHJ 太阳能电池性能优化提供新方向。

　　

研究背景

太阳能电池是当前能源供应的重要组成部分，硅异质结（SHJ）太阳能电池技术利用氢化非晶硅（a-Si:H）层钝化晶体硅（c-Si）晶片来吸收光线，通过掺杂 a-Si:H 层作为载流子选择性接触以及透明导电氧化物层与银栅实现良好电接触 。近期，（强化）光照浸泡（LS）成为提升 SHJ 太阳能电池效率的技术，通过改善表面钝化和 / 或降低串联电阻来实现。多数情况下，太阳能电池需在强光（强度远大于 1 个太阳）照射和适度升温（60°C - 295°C）下进行 LS 处理，该处理也被称为 “光照退火”“光热过程（LETP）” 或 “强化光照浸泡”。本研究采用 “线激光光照浸泡（3LS）”，利用扫描强线激光实现高光子通量照明和升温，探究其对 SHJ 太阳能电池的影响。

实验设计

研究通过改变激光功率和扫描速度（vscan）来研究 3LS 对 SHJ 太阳能电池的影响。实验使用了不同结构的样品，包括来自 Jülich 可再生能源研究中心（FZJ）的具有 ITO/ni/N/ip/ITO 结构（ITO 样品）和 i/N/i 结构的样品，以及在 Tsukuba 的国立先进工业科学技术研究院（AIST）制备的不同厚度（100 - 300μm）的样品。同时，为了将光照强度和温度效应分离，还进行了额外加热实验。此外，将 3LS 应用于不同研究机构制备的太阳能电池，并与标准全区域 LS 处理进行比较。

实验结果

1. 激光功率的影响：在 3LS 过程中，强线激光可仅通过激光照射将样品加热到合适温度。实验发现，通过线激光扫描可实现 LS 效应，且该效应高度局部化。当激光电流I ≤ 9.5A（激光功率 <0.1W）时，平均光致发光（PL）载流子寿命（τPL）无变化；I ≥ 10A 时，τPL随激光功率增加而增加，在I为 11A（ITO 样品）和 11.25A（i/N/i 样品）时达到最大值，之后继续增加I，τPL会急剧下降 。
2. 激光功率与晶圆温度的关系：通过比较热电偶、温度指示器和红外（IR）相机三种测量方法，发现 IR 相机测量的温度在 3LS 过程相关工作范围内（约 10.4 - 11.6A）与激光电流呈良好线性相关。在I ≈ 11A 时，3LS 处理获得最高τPL增强，对应温度约 250°C，与先前报道的 LS 温度相符。当I ≈ 11.5A 时，τPL大幅下降，此时晶圆温度约 375°C，过高温度会导致氢从样品中逸出并在 a-Si:H/c-Si 界面产生缺陷 。
3. 退火和 LS 效应对载流子寿命的影响解耦：测量不同少数载流子密度（MCD）下的载流子寿命τS发现，退火和 LS 处理后，最大τS向更高 MCD 略微移动，3LS 处理使最大τS显著增加，表明 3LS 在退火基础上进一步改善了表面钝化 。
4. Si - H 键构型：利用拉曼散射光谱研究发现，随着激光电流增加，Si - H 峰高度显著下降，表明氢开始大量逸出的温度是实现有效 LS 的上限。同时，2,100cm?1峰比 2,000cm?1峰下降更多，说明纳米空洞内表面键合的氢在较低温度下逸出 。
5. 激光扫描速度的影响：改变激光扫描速度发现，最大τPL随vscan增加向更高I移动，且最大可实现的τPL降低。研究揭示了 LS 效应中存在氢扩散和氢逸出两个相反过程，前者有利于表面钝化，后者则有害。实验还发现，使用接近 250°C 的温度可实现最快的 LS 过程并获得最大载流子寿命，且总处理时间和处理温度决定了载流子寿命的增加，最小总处理时间取决于微观 LS 过程的速率 。
6. 激光扫描期间和之后额外加热的影响：通过热板改变样品台温度发现，当激光电流为 11A 时，样品温度随热板温度升高而升高，导致τPL降低；当激光电流为 10A 和 10.5A 时，τPL随热板温度升高而增加，在热板温度为 200°C 时达到最大 。此外，3LS 处理后载流子寿命在约 160°C 以下稳定，高于此温度会下降。在高光照强度下，光照强度变化主要通过温度变化影响载流子寿命 。
7. 晶圆厚度的影响：研究发现，随着晶圆厚度增加，实现最大载流子寿命所需的激光电流也增加。3LS 处理可使不同厚度晶圆的载流子寿命提高 10% - 30%，但 AIST 样品的相对载流子寿命增益低于 FZJ 样品，这是因为 AIST 样品初始载流子寿命较高 。
8. 3LS 在 SHJ 太阳能电池中的应用：将 3LS 应用于 AIST 制备的 SHJ 太阳能电池，发现所有太阳能电池在 LS 后效率均提高，3LS 还能有效修复溅射损伤。与标准 LS 处理相比，3LS 处理使 FZJ 太阳能电池的效率绝对提高 1.3%，VOC增加 25mV，FF增加 1.2% 绝对，显示出 3LS 在提高太阳能电池效率方面的优势 。

研究结论

本研究表明，室温下使用线激光扫描可实现有效的 LS 效应，该效应高度局部化，适用于常用晶圆厚度。研究确定了影响 LS 效应的三个关键参数：光照强度、温度和处理时间。与标准 LS 相比，3LS 能更显著地提高太阳能电池参数，其较高的效率提升可能归因于极高的光照强度。此外，研究还提出了一个完全由热驱动的模型来解释 LS 过程中表面钝化增加的微观机制，认为氢扩散在 LS 效应中起主要作用 。未来可通过提高处理温度并在含氢气氛中进行 LS 来加速该过程，同时还需进一步研究 LS 过程、退火效应和表面钝化之间的相互作用，以充分理解其对太阳能电池性能的影响 。在太阳能电池生产中，优化 LS 过程对实现 SHJ 太阳能电池的最高效率至关重要，本研究为该领域提供了有价值的参考。