摘要
硅异质结（SHJ）太阳能电池由于其低温加工、步骤简洁、显著的温度系数以及高双面能力，越来越受到人们的关注。SHJ太阳能电池的高效性和薄晶片特性使其成为理想的高效太阳能电池。然而，由于钝化层的复杂性和前期清洁的困难，实现良好钝化的表面是困难的。在本文中，探讨了表面缺陷消除和钝化技术的进展和分类。此外，回顾和总结了过去五年中高效SHJ太阳能电池的表面清洁和钝化技术。
一、介绍
太阳能和可再生能源领域，特别是在全球范围内实现碳中性的背景下，对使用可再生能源的讨论。文本主要讨论了太阳能的优势、全球太阳能使用趋势、以及硅片太阳能电池在光伏市场中的主导地位。同时，文本还提到了PERC技术以及PC技术在提高太阳能电池效率方面的重要性，并提到了一种有希望的PC技术——异质结接触。使用超薄硅片（<100 µm）的潜力。文本说明了硅片是太阳能电池总成本中最重要的部分，而随着硅片厚度的降低，制造太阳能电池的成本和资本支出也会相应降低。同时，文本还提到了使用超薄硅片可以获得更高的开路电压（VOC），证明了在SHJ结构中使用超薄硅片的优越性。
二、概况
异质结最早是在1948年提出的。在1974年，Fuhs等人首次提出了通过在非晶硅单晶上沉积非晶硅来制备异质结结构的方法。这种结构最重要的特点是结合了晶体硅和薄膜电池的优点。将a-Si:H(i)薄膜应用于a-Si:H/c-Si异质结太阳能电池的先驱。a-Si:H(i)层的插入大大降低了界面载流子的复合，从而提高了PCE。SHJ太阳能电池的结构示意图如图1a所示。经过纹理化和清洁后，在硅片的两面都沉积了a-Si:H(i)层。然后在正面或背面沉积硼掺杂的非晶硅（a-Si:H(p)）薄膜以形成发射极，与衬底形成pn结以引起能带弯曲，从而实现电荷分离。在晶片的另一侧沉积a-Si:H(n)薄膜以形成背面或正面表面场（BSF或FSF），其作用是排斥少数载流子，从而减少载流子复合。如图1b所示的能带图，每个a-Si:H/c-Si界面都存在能带偏移。导带边缘（EC）的不连续性等于电子亲和力的差异（χc-Si=4.05 eV和χa-Si:H=3.9 eV），而价带边缘（EV）的不连续性取决于电子亲和力和带隙的差异。因此，在价带边缘存在较大的能带偏移（~0.36 eV），而在导带边缘存在较小的能带偏移（~0.15 eV）。掺杂非晶薄膜沉积后，在两侧沉积透明导电氧化物（TCO）层作为减反射层和横向导电层。最后，采用电极制造方法，如丝网印刷，其中通常印刷低温固化银浆。
图1 （a）由n型c-Si衬底制成的SH太阳能电池的结构示意图。（b）n型SH太阳能电池异质结结构的示意图带图。箭头指向电子和空穴的传输方向。E;表示费米能级。AEc和AEy分别代表导带偏移和价带偏移。a-Si:H/TCO界面的能带弯曲未绘制（为了简单起见）。对于前发射极和后发射极太阳能电池，光线分别从左侧和右侧入射。
三、臭氧清洁
臭氧（O3）溶解在去离子水中具有强氧化性，可以单独用来消除有机污染物。臭氧和酸性溶剂（例如HF和/或HCl）的混合物可有效去除有机和金属污染。图2展示了一个基于臭氧的清洗系统，其中臭氧由发生器产生，并在静态混合器中与酸性溶剂混合。然后，将混合的O3/HF/HCl溶液通过再循环泵送入工艺槽。溶液的温度由工艺槽中的温度检测器监测，而臭氧浓度则由臭氧传感器调节。
图2 臭氧的清洗过程示意图
作为某些湿化学清洁工艺的替代方法，臭氧清洁被广泛研究，使人们能够以较低的成本和最小的环境污染生产高效的太阳能电池。在KOH、RCA1和HCl/O3清洗方法中，HCl/O3表现出最佳的金属污染物去除能力，并且对于有机污染物的去除效率相同。通过在工艺结束时使用DHF浸渍来实现化学钝化，得到氢终止界面。HF/O;清洗方法可以产生与RCA方法类似的疏水表面。使用室温O,/HF /HCl进行10分钟的处理得到的钝化质量高于RCA程序，其有效载流子寿命（tef）为5.8毫秒。在经过双面(a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H())20纳米厚本征层钝化的结构上，Teff为7.3毫秒，表现出740毫伏的开路电压（Voc）。
过氧化氢参与了纹理处理前和纹理处理后的清洗，约占典型化学品总成本的50%。如图3所示，通过使用臭氧基清洁，可以在RCA清洁工艺中避免使用臭氧。通过在预清洁步骤中使用O3，和在后清洁步骤中使用O3/HCl/HF去除有机和金属污染物，大大减少了化学品的消耗，并减轻了化学品的环境污染。与传统的RCA湿化学清洁相比，目前广泛使用的臭氧清洁方法可以将成本降低13％，而进一步优化臭氧清洁工艺可以降低成本30％。
图3 三种表面清洁技术用于特定化学品和工艺的比较。为了更好地理解，展示了沉积前的所有清洁步骤。左侧箭头的方向表示清洁顺序。SDR和Tex的缩写分别表示锯齿化去除和纹理化。等离子蚀刻（PE）是一种去除硅氧化层的干蚀刻方法。
当晶片暴露在空气中几秒钟时，最终的DHF浸渍所实现的钝化被认为是不稳定的，这是由于硅氢键被逐渐替换为氧硅键。干清洗方法已被研究用于拉伸天然氧化层同时避免再氧化。如图3所示，在RCA清洁工艺之后，硅片被直接放置到PECVD腔中以从硅表面去除天然氧化层。Moreno等人报道了一种两步法（410秒），使用硅四氟化物（SiF），然后进行短暂的氢等离子体暴露，以取代HF清洁，从而实现了高达1.55毫秒的有效载流子寿命。此外，氢等离子体基的一步法已被开发为HF清洁方法的替代方法。等离子体中的活性物质与表面氧化层反应形成挥发性产物，然后被泵出腔室。Tang等人使用短时间（20秒）的氢等离子体清洁来去除氧化层，在经过热退火后实现了3.7毫秒的有效载流子寿命，这与传统的HF清洁相当。Xu等人也证实了在a-Si:H(i)沉积之前使用氢等离子体处理可以作为HF清洁的可行替代方法。此外，经过H，等离子体蚀刻后的表面高度氢化，这可以防止在a-Si:H沉积和热退火期间的异质外延生长，并且在双面涂覆12纳米厚a-Si:H()的样品上获得了2.5毫秒的有效载流子寿命。
四、结论
在这项研究中，探索和总结了表面清洁方法和钝化技术。臭氧基清洁不仅能够实现高质量的钝化，导致高达749 mV的Voc，而且与RCA方法相比具有成本效益。这些特性使其成为未来光伏领域表面清洁的趋势技术。预计使用堆叠钝化层将成为高效太阳能电池中广泛使用的做法，以改善化学钝化和场效应钝化，因为它能够在导电性和透明度之间取得平衡。
此外，具有较大带隙和较高掺杂效率的纳米晶合金材料被发现优于传统的掺杂a-Si:H材料，导致高达750 mV的高Voc。无掺杂材料在SH]太阳能电池中表现出相当大的载流子选择性接触潜力。通过总结高效太阳能电池的特性，我们的目的是引导读者发现更先进的表面清洁和钝化技术，这对高效SHII太阳能电池的发展是有益的。
