了解钝化技术：提升光伏电池效率的途径

一、为什么光伏电池需要钝化？

效率是光伏电池永恒的追求，因为这一关键指标直接决定了其在能源市场的竞争力和应用前景。在不断提升效率的过程中，我们必须克服光伏电池运行过程中面临的各种障碍——其效率损失主要来源于两个方面：光学损耗和电学损耗。

光学损耗主要由电池表面金属栅格线的遮挡造成。当阳光照射到电池上时，被金属栅格线遮挡的区域无法有效吸收光子并将其转化为电能，导致光能浪费。

相比之下，电损耗则更为复杂。一部分损耗源于金属栅线与硅片之间的接触电阻。当电子穿过金属栅线与硅片之间的界面时，材料特性的差异会产生电阻，阻碍电子的顺畅流动，从而导致能量损失。另一部分损耗则源于电子和空穴的复合。在硅片中，光生载流子（电子和空穴）产生后，如果它们在到达电极之前复合，则无法对光生电流做出贡献，从而降低电池效率。电子和空穴的复合可能发生在硅片的体材料中，但在硅片表面以及硅片与金属的接触点更为普遍。例如，硅片表面存在大量的悬空键和缺陷，这些缺陷会成为载流子的陷阱，导致电子和空穴在此处复合。这会显著缩短载流子寿命，并降低电池性能。

因此，钝化技术对于提高光伏电池效率至关重要，其主要作用是降低电损耗，尤其是减少电子-空穴复合。简而言之，钝化技术是在硅片表面或特定区域涂覆一层特殊的材料。这层材料可以“覆盖”硅表面容易导致电子-空穴复合的缺陷。例如，氧化铝 (Al₂O₃) 和氮化硅 (SiNₓ) 等材料会在硅片表面形成薄膜。以氧化铝薄膜为例，它具有很高的稳定性，能够与硅片表面的缺陷结合，从而降低电子和空穴的复合率。这延长了硅片中光生载流子（电子和空穴）的寿命——即少数载流子寿命。

实验表明，氧化铝钝化后，少数载流子寿命可从几十微秒增加到几百微秒。更长的少数载流子寿命可直接提高开路电压（VOC）——开路电压是电池性能的关键指标，与输出功率密切相关。通常，开路电压每提高10mV，电池的光电转换效率可提高0.4%至0.6%。

隧道氧化层钝化接触（TOPCon）技术是另一个例子，它在硅晶片和金属之间插入一层超薄的氧化硅层和一层重掺杂的多晶硅薄膜。这层薄膜就像一条“快速平滑的电子通道”：电子可以快速穿过它，同时减少复合损失。这提高了电池的填充因子（FF）——该指标反映了电池实际输出功率与其理论最大输出功率的比值。更高的填充因子意味着电池的实际输出功率更接近其理论最大值，从而提高整体效率。采用TOPCon技术的光伏电池可以实现82%–84%的填充因子，效率提高1–2个百分点。

二、钝化技术原理

要了解钝化技术的工作原理，首先需要掌握载流子复合机制。硅片是光伏电池的核心材料。当受到光照时，硅片价带中的电子吸收光子能量并跃迁到导带，产生电子-空穴对。这些电子和空穴必须分离并收集才能形成电流——但实际上，它们很容易复合。

载流子复合主要有三种类型：

1. 辐射复合：当电子和空穴复合时，它们会释放一个光子。在太阳能电池中，这代表能量损失。
2. 俄歇复合：在复合过程中，多余的能量会转移到另一个载流子，使其跃迁到更高的能级。这种复合更容易发生在载流子浓度高的区域。
3. 缺陷态复合：这是最常见且影响最大的复合类型。硅片（包括表面和内部）含有各种缺陷，例如不完整的晶体结构和杂质原子。这些缺陷会在硅的带隙内形成能级，充当“复合中心”。电子和空穴可以通过这些复合中心复合，从而显著缩短载流子寿命。

由于硅晶片晶体结构的突变，其表面存在高密度的悬空键。这些悬空键如同“陷阱”，容易捕获载流子，导致表面复合速率远高于晶片内部。此外，当硅晶片与金属电极接触时，金属杂质原子会扩散到晶片表面，增加表面缺陷，加剧复合。

钝化技术旨在降低载流子复合率，提高电池性能。它主要分为两类：化学钝化和场效应钝化。

1. 化学钝化

化学钝化利用化学物质与硅片表面的缺陷和悬空键发生反应，从而降低表面态密度并最大限度地减少复合中心。例如，通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在硅片上沉积氮化硅（SiNₓ）薄膜。在此过程中，SiNₓ薄膜中的氢原子与硅表面的悬空键结合形成Si-H键，从而“填充”悬空键并显著降低表面态密度。同时，带负电荷的SiNₓ薄膜在硅表面产生电场，排斥少数载流子（n型硅片中的空穴，p型硅片中的电子），降低它们在表面复合的概率。

2. 场效应钝化

场效应钝化技术通过在硅片表面产生电场来改变载流子分布并降低复合率。TOPCon技术中的隧道氧化层钝化接触结构就是一个典型的例子。首先在TOPCon电池背面沉积一层超薄的二氧化硅（SiO₂）层（厚度约为1-2 nm）。该层具有量子隧穿效应：电子可以穿过它，而空穴则不能。然后在二氧化硅层上沉积一层重掺杂多晶硅（Poly-Si）。多晶硅含有大量自由电子，在SiO₂-Poly-Si界面处形成积累层。该积累层中的电子在SiO₂表面产生电场，排斥空穴并降低该区域的电子-空穴复合。同时，重掺杂多晶硅层为电子提供了优异的导电路径，使其能够快速转移到金属电极。这避免了硅与金属直接接触造成的高复合损失。通过氧化硅层和重掺杂多晶硅层的共同作用，TOPCon电池实现了优异的钝化和接触性能，从而提高了效率。

三、光伏电池的常见钝化技术

1. 氧化铝（Al₂O₃）背面钝化

氧化铝（Al₂O₃）背钝化广泛应用于高效光伏电池，例如钝化发射极和背接触（PERC）电池技术。在电池制造过程中，通常采用原子层沉积（ALD）技术来沉积Al₂O₃钝化膜。ALD工艺的工作原理类似于“积木式”构建：反应气体逐个原子地沉积在硅表面。首先，引入铝源气体（例如三甲基铝），在硅表面形成单层铝原子。然后，氧源气体（例如臭氧）与铝反应生成氧化铝。如此循环数百次，最终生长出厚度为5-10 nm的Al₂O₃薄膜。

氧化铝具有绝缘性和稳定性，可防止硅片背面发生电荷复合。它能饱和硅表面的悬空键，降低表面缺陷密度。此外，Al₂O₃薄膜中的固定负电荷会在硅表面形成强电场，排斥少数载流子（n型硅片中的空穴），从而降低表面复合率。

实验表明，采用Al₂O₃背面钝化的PERC电池可将背面复合率降低至10–100 cm/s。这可使开路电压提高20–30 mV，改善短路电流密度，并提高填充因子，最终使光电转换效率提高1–2个百分点。如今，Al₂O₃背面钝化技术已相当成熟；随着ALD设备的改进和工艺优化，成本不断降低，使其在大规模生产中得到越来越广泛的应用。

2. 氮化硅（SiNₓ）钝化

氮化硅（SiNₓ）钝化是一种历史悠久且应用广泛的技术，能够显著提升光伏电池的光学和电学性能。SiNₓ钝化膜通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法制备。在PECVD反应腔内，反应性气体（例如硅烷、氨气）在射频（RF）电场的作用下被电离成等离子体。这些反应性粒子发生反应，并在硅片表面沉积SiNₓ薄膜。通过调节气体流速、射频功率和沉积温度等参数，可以控制SiNₓ薄膜的成分、厚度以及光学/电学性能——典型的薄膜厚度范围为60-80 nm。

SiNₓ薄膜具有优异的透光性，在可见光范围内平均透光率超过90%，确保不会阻碍电池对光的吸收。在电学方面，SiNₓ薄膜中的氢原子对于钝化硅表面至关重要。在沉积过程中，大量氢原子被掺入薄膜中，并与硅表面的悬空键结合形成Si-H键，从而降低表面态密度。此外，带负电荷的SiNₓ薄膜会在硅表面产生电场，最大限度地减少少数载流子复合。

过去，SiNₓ钝化技术常用于晶体硅太阳能电池以提高效率。如今，它仍然被广泛应用于许多高效单晶硅电池的正面钝化，兼具抗反射涂层和钝化层的功能。实验数据表明，SiNₓ钝化后，硅片的表面态密度可降低至10¹²–10¹³ cm⁻²，表面复合率可降低至10²–10³ cm/s。这提高了开路电压，并改善了短路电流密度（由于更好的光吸收和载流子收集），从而提升了电池的整体性能。SiNₓ钝化工艺简单、成本低廉，非常适合大规模生产，并且仍然是光伏产业的关键技术之一。

3. 隧道氧化层钝化接触（TOPCon）技术

拓普康（TOPCon）技术是一种近年来发展迅速的高效光伏电池技术，其独特的钝化接触结构是其核心优势。拓普康电池通常采用n型硅片。电池背面：

1. 首先通过热氧化或等离子体氧化生长一层超薄的二氧化硅（SiO₂）层（厚度为1-2 nm）。该层具有量子隧穿效应——允许电子通过，同时阻挡空穴。
2. 然后，利用化学气相沉积（CVD）在SiO₂层上沉积一层厚度为100-200 nm的重掺杂多晶硅（Poly-Si）层。重掺杂多晶硅含有大量自由电子，在SiO₂-Poly-Si界面处形成电子积累层。

TOPCon的钝化接触结构通过三种关键机制减少复合：

1. 隧穿效应：超薄SiO₂层使电子能够通过量子隧穿效应穿过，同时阻挡空穴，从而最大限度地减少电子-空穴复合损失。通过优化SiO₂层的厚度和质量，可以最大限度地提高电子隧穿概率，同时阻挡空穴，从而降低复合电流。
2. 场钝化效应：重掺杂多晶硅层中的电子在SiO₂表面产生强电场，排斥空穴。这使得空穴难以接近SiO₂-硅界面，从而显著降低该区域的电子-空穴复合。采用TOPCon结构，电池背面复合率可降低至10–100 cm/s，远优于传统的直接金属-硅接触结构。
3. 优异的电子导电性：重掺杂多晶硅层为电子提供了高效的导电路径。电池背面的金属栅格线与多晶硅层接触（而非直接与硅片接触），避免了金属杂质引起的表面复合损失。多晶硅层的高导电性使得电子能够快速转移到金属电极，从而提高电池的填充因子和输出功率。

目前，业界主要采用两种方法来沉积超薄SiO₂隧道层和掺杂多晶硅层：低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）：

低压化学气相沉积 (LPCVD)：能够精确控制薄膜生长并制备高质量薄膜。然而，其缺点包括石英管寿命短（需要频繁更换）、成本高以及炉管内易受灰尘影响（影响背面隧道层的质量）。

等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)：可实现低温沉积和高生产效率。然而，其可能存在“针尖缺陷”和钝化效果不均匀等问题，需要通过工艺和设备优化来解决。

随着技术的进步，拓普康光伏组件的效率不断提高：实验室效率已超过26%，量产效率达到约24%～25%，已成为光伏行业的主流技术之一。

4. 异质结（HJT）技术

异质结（HJT）技术——正式名称为晶体硅异质结太阳能电池技术——具有独特的结构和显著优势。其电池结构由沉积在晶体硅晶片两侧的非晶硅薄膜和透明导电氧化物（TCO）薄膜组成：

-非晶硅薄膜与晶体硅形成异质结，有效降低了表面复合。此外，非晶硅薄膜的本征层起到钝化层的作用，最大限度地减少了载流子复合。

-透明导电氧化物（TCO）薄膜既透明又导电：它允许光线通过，同时将电池产生的电流导出。

异质结晶体管（HJT）技术具有高电池效率（量产效率达24%–25%，实验室效率更高）、低工艺温度（减少对硅片的损伤）以及与其他技术兼容，可进一步提高效率。尽管其成本相对较高，但随着技术的发展，成本正在逐步降低，这使得HJT在光伏市场极具发展前景。