隨著晶體硅太陽能電池技術從PERC向TOPCon、SHJ及背接觸等高效結構演進，表面鈍化成為決定器件性能的關鍵因素。在眾多鈍化材料中，原子層沉積制備的氫化氧化鋁（AlOx:H）因其優異的化學鈍化和強場效應鈍化能力而備受關注。然而，AlOx:H通常需要經過400–500℃的高溫后退火處理才能激活其鈍化性能，這一工藝限制使其難以應用于硅異質結等溫度敏感型電池結構。采用美能全光譜橢偏儀精確測定a-SiOxH亞層納米級厚度，為研究疊層鈍化性能與厚度的關聯及結構優化提供了關鍵數據支撐。

本文提出在n型晶體硅表面構建納米級氫化非晶氧化硅/氫化氧化鋁（a-SiOx:H/AlOx:H）雙層鈍化疊層。該方案利用a-SiOxH中Al-O網絡的形成，同時通過AlOx:H層引入高密度負固定電荷實現強場效應鈍化。實驗結果表明，優化后的雙層疊層無需后退火處理即可將有效少數載流子壽命提升至5.1 ms，為高效晶體硅電池提供了一種低溫、產業兼容的鈍化解決方案。

實驗方法

Millennial Solar

實驗采用雙面拋光和制絨的n型直拉硅片。拋光片電阻率約5 Ω·cm，厚度約300 μm；制絨片電阻率約2 Ω·cm，厚度約130 μm。首先在210℃下用PECVD在硅片雙面對稱沉積a-SiOx:H層，反應氣體為CO?、SiH?和H?。然后在200℃下用熱ALD沉積AlOx:H層，鋁源為TMA，氧化劑為H?O，載氣為Ar。作為對比，還制備了僅由單層AlOx:H鈍化的樣品，并在沉積后進行450℃、30分鐘退火。

采用WCT-120測試儀在過剩載流子密度Δn=101? cm?3條件下測量樣品的有效少數載流子壽命。用美能全光譜橢偏儀測定各層厚度。用XPS研究疊層化學狀態，用TEM觀察樣品微觀結構。為獲得界面缺陷態密度和固定電荷密度，對單面沉積疊層的樣品進行高頻C-V和G-V測量，制備MIS結構（硅片/鈍化層/圓形鋁電極）。根據C-V曲線計算Qf，根據C-V和G-V曲線計算Dit。用Quokka2軟件模擬背接觸電池效率對正面復合電流密度的依賴性。

AlOx:H厚度的影響

Millennial Solar

(a) 不同AlOx:H厚度、a-SiOx:H層厚度固定為6 nm的沉積態a-SiOx:H/AlOx:H疊層；(b) 不同厚度、經沉積后退火處理的單層AlOx:H

固定a-SiOx:H層為6 nm，改變AlOx:H厚度。結果顯示，單層a-SiOx:H鈍化的樣品有效少數載流子壽命低于1.0 ms。隨著AlOx:H厚度增加，有效少數載流子壽命逐漸上升，在AlOx:H約12 nm時達到最大值約5.1 ms。超過12 nm后，有效少數載流子壽命反而下降。相比之下，經退火的單層AlOx:H在12 nm時有效少數載流子壽命僅約1.5 ms，即使增加到18 nm也僅約3.3 ms。這表明AlOxH的組合產生了任何單層無法實現的協同效應。

MIS結構樣品的測量結果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

對MIS結構樣品進行C-V和G-V測量。隨著AlOx:H厚度增加，平帶電壓Vfb先向更正方向移動，在12 nm時達到峰值，然后回移。所有Vfb均為正，表明固定電荷為負。

a-SiOx:H/AlOx:H鈍化疊層（a-SiOx:H層厚度固定為6 nm，AlOx:H層厚度變化）誘導產生的Qf和Dit的計算值

根據公式計算Qf和Dit。絕對Qf隨AlOx:H厚度先增后減，在12 nm時達到最大值約6.88×1012 cm?2。Dit在AlOx:H從3 nm增至6 nm時顯著降至101? eV?1cm?2量級，之后保持穩定。這說明Dit主要受近界面區影響，AlOx:H增厚主要通過提高Qf增強場效應鈍化。

XPS譜圖：(a) 3 nm，(b) 6 nm，(c) 9 nm，(d) 12 nm，(e) 15 nm

XPS分析顯示，AlOx:H較薄時（<6 nm），Al-OH鍵占主導；厚度增加，Al-O峰增強，Al-OH峰減弱；12 nm時Al-OH峰消失；超過12 nm，Al-OH峰再次出現。絕對Qf的變化趨勢與Al-O峰強度一致，說明形成更致密的Al-O網絡有利于提高Qf。這些結果表明，近界面區需要較薄（~6 nm）的AlOx:H以確保低Dit，而增加厚度至12 nm可最大化Qf，實現化學鈍化和場效應鈍化的協同優化。

a-SiOx:H厚度的影響

Millennial Solar

有效少數載流子壽命等高線圖

固定AlOx:H為12 nm，改變a-SiOx:H厚度。等高線圖顯示，單層a-SiOx:H的有效少數載流子壽命隨厚度增加緩慢上升，18 nm時僅略高于1 ms。疊層后，所有a-SiOx:H厚度的樣品有效少數載流子壽命均顯著提升。a-SiOx:H厚度低于6 nm時提升不明顯，達到6 nm及以上時有效少數載流子壽命飽和于約5 ms。考慮到a-SiOx:H的光學吸收，優選厚度為6 nm，可在保證鈍化效果的同時最大限度減少寄生吸收。

MIS結構樣品的測量結果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

樣品的Qf和Dit計算值

C-V和G-V測量表明，a-SiOx:H從3 nm增至6 nm時，絕對Qf從3.5×1012 cm?2幾乎翻倍，之后趨于飽和。Dit則基本穩定在約6×101? eV?1cm?2，對厚度變化不敏感。這說明a-SiOx:H厚度主要影響Qf，而非Dit。

XPS譜圖：(a) 3 nm，(b) 6 nm，(c) 9 nm

XPS顯示，3 nm a-SiOx:H的疊層同時存在Al-O和Al-OH峰，6 nm及以上時僅存Al-O峰。這與Qf的變化一致，表明足夠厚的a-SiOx:H有利于形成更純凈的Al-O網絡，增強場效應鈍化。

a-SiOx:H層氧含量的影響

Millennial Solar

有效少數載流子壽命圖

固定a-SiOx:H為6 nm、AlOx:H為12 nm，改變沉積a-SiOx:H時的CO?/SiH?流量比RCO?。結果顯示，有效少數載流子壽命對RCO?高度敏感：從0開始上升，在0.08時達到峰值約5 ms，之后下降。與a-Si:H / AlOx:H疊層相比，RCO?=0.08和0.10的a-SiOx:H / AlOx:H疊層有效少數載流子壽命顯著更高。

MIS結構樣品的測量結果：(a)高頻C-V和G-V曲線；(b) Cox和Vfb的值；(c) Gmax/ω和Cmax的值

Qf和Dit計算值

C-V和G-V測量顯示，RCO?從0增至0.08時，Vfb向更正方向移動，絕對Qf從約3×1012 cm?2增至約6×1012 cm?2，Dit從1.14×1011 eV?1cm?2降至約6×101? eV?1cm?2。RCO?超過0.08后，Qf下降，Dit上升。這說明適量氧摻入（RCO?=0.08）可同時優化Qf和Dit，過量氧則導致a-SiOx:H過氧化，降低鈍化質量。

疊層結構表征

Millennial Solar

樣品的橫截面透射電鏡圖像：(a) a-SiOx:H單層，(b) a-SiOx:H/AlOx:H雙層疊層

TEM圖像顯示，6 nm單層a-SiOx:H與硅襯底界面光滑、厚度均勻。6 nm a-SiOx:H / 12 nm AlOx:H雙層疊層中，兩層均為非晶態，界面清晰、無相互擴散，AlOxH。這種結構有利于實現穩定的協同鈍化：a-SiOx:H提供化學鈍化，其合適的氧含量和厚度促進Al-O鍵形成；AlOx:H則通過高密度負固定電荷提供強場效應鈍化。

通過Quokka2模擬獲得的背接觸太陽能電池效率對其正面復合電流密度的依賴性

Quokka2模擬顯示，電池效率隨正面復合電流密度J0,front增加而單調下降。根據實驗獲得的5.1 ms有效少數載流子壽命，計算得J0,front約為6.28 fA/cm2，對應的模擬效率仍高于J0,front=0時最大效率的98%，表明該鈍化方案在實際器件中具有良好應用前景。

在n型晶體硅片上采用納米a-SiOx:H/AlOx:H雙層疊層，無需后退火即可獲得優異鈍化性能。AlOx:H最佳厚度為12 nm，可提供高達-6.9×1012 cm?2的負固定電荷密度，使有效少數載流子壽命達5 ms。XPS顯示，這得益于Al-OH的抑制和Al-O網絡的形成。a-SiOx:H厚度主要影響Qf，對Dit影響有限。沉積a-SiOx:H時，RCO?=0.08可同時優化Qf和Dit，過量氧則降低鈍化質量。優選6 nm a-SiOx:H結合12 nm AlOx:H，可在保證鈍化效果的同時減少寄生吸收。TEM證實該疊層結構保形、非晶、界面清晰。該方案為高效晶體硅電池提供了一種簡便、無需退火的鈍化途徑。

美能全光譜橢偏儀

Millennial Solar

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術

秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒

原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05 nm

美能全光譜橢偏儀精確測定a-SiOxH亞層的納米級厚度。憑借其寬光譜范圍和優異的測量精度，確保了雙層疊層厚度的可控性，為系統研究各亞層厚度對鈍化性能的影響提供了可靠的數據支撐。正是基于其準確的厚度標定，本研究得以優選出6 nm a-SiOx:H/12 nm AlOx:H的最佳結構，在不經過后退火的情況下實現了5.1 ms的高效鈍化性能。

原文參考：Preparation of nano a-SiOx:H/AlOx:H bilayer stack without post-deposition annealing to obtain efficient surface passivation on n-type crystalline silicon