摘要：电注入式氢钝化的普及始于单晶PERC硅太阳电池的抗光衰研究。随着掺镓硅片的推广，硅太阳电池光致衰减问题的研究热度已逐渐趋于平缓，而电注入式氢钝化对硅太阳电池的改善效果却引起广泛关注，其对转换效率的提升具有显著影响。通过对硅太阳电池的电荷注入及加热辅助，改变工艺过程中硅太阳电池体内的准费米能级状态和氢的电荷状态，修复电池内部的缺陷，以实现提效目的。本文通过对单晶PERC及多晶PERC硅太阳电池的电注入工艺进行详细的研究，得出电注入提效的相关规律以及注意事项。同时，也初步尝试了对TOPCON电池和HJT电池的电注入提效处理，并获得了相当可观的改善效果。

关键词：电注入式；氢钝化；抗光衰；提效；

1 引言

目前，光伏产业在世界范围内蓬勃发展，但光伏技术的发展仍面临着降低成本和提高转换效率两大问题。特别是多晶硅中含有大量的金属杂质和缺陷，严重阻碍了光伏效率的提高[1-2]。为了获得高质量的mc-Si太阳电池，通常引入氢原子钝化太阳电池表面和体内的晶体杂质和缺陷。

自1976年以来，人们对硅体内氢的性质和相互作用进行了广泛的研究，并取得了显著的效果[3-4]。硅中的活性电荷氢，能与几乎所有的杂质和缺陷相互作用[5]，促使电池的转换效率达到所需水平。传统的氢钝化技术利用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积SiNx: H 层中的氢，在金属化过程中，氢原子扩散到硅体内，达到钝化效果[6]。然而，氢原子的扩散非常有限，为了与其他较重的杂质原子结合，要更好地钝化杂质，氢原子必须以离子的形式存在。许多研究发现氢在禁带中同时具有受主和施主能级[7]. 因此，氢的正（H+）、中性（H0）和负（H-）状态可以存在于硅太阳电池中，其上的氢离子浓度主要是取决于费米能级的位置[8]。不同电荷态的氢可以钝化不同类型的杂质，而氢的钝化能力也已经成为影响性能改善效果的一个重要因素。氢钝化是一种通过在适当的温度、电流密度和合理的时间内注入氢来控制氢的荷电状态的过程。氢钝化可以有效地提高电池少数载流子的寿命，提高电池的质量[9]。最近的研究发现这个过程也可以减少光致衰减（LID）。实现氢钝化的方法主要有两种：（1）光子注入氢钝化和（2）电子注入氢钝化。光子注入氢钝化可以在硅电池中通过光子注入产生非平衡载流子，从而促使氢的电荷态变化[10-11]。然而，对于光子注入氢钝化，激发过程需要大功率光源，如激光。显然，基于激光的氢钝化技术，设备价格昂贵，维护成本高。

电子注入式氢钝化通过电子注入可以达到与光注入工艺相同的效果，为氢钝化技术的发展开辟了新的方向。电子注入式工艺通过对p型硅太阳电池施加正向偏压，将非平衡少数载流子电子直接注入到硅中。通过电子注入式氢钝化的处理，可以通过过量的载流子和合适的温度来调节氢的荷电状态。对于电子注入式氢钝化，影响其改善效果的主要因素有三个：注入电流、注入温度和注入时间。因此，进一步提高硅太阳电池的功率转换效率需要控制电注入式氢钝化的影响因素并加以优化。

2　实验设备及原理

实验使用苏州昊建自动化系统有限公司开发的第二代电注入设备“Anti-LID2020”。设备采用9腔串联式结构。400片电池片堆叠后依次经过9个注入腔进行电注入式修复处理，每个注入腔可以分别控制注入电流、温度、时间。最后进入冷却腔冷却。

电池在注入腔中的模拟图如图1所示。堆叠的电池片通过载片盒在滚轮上传输至注入腔，通过上下电极在竖直方向上的运动，将电池片压紧并通电。

a. 模型图

图1　电注入氢钝化设备模型及实物图

堆叠的电池片温度均匀性，包含片内温度均匀性和片间温度均匀性，对电注入式氢钝化是非常重要的。在大电流下，电池片将产生大量热量而使电池片温度升高。堆叠电池片上下端散热较快，中间段散热慢。因此设备采用“5点控温、4点温度平衡”的方法进行温度控制，如图2所示。“5点控温”即，第1点，上电极，带PID自整定；第2点，下电极，带PID自整定；电池堆由上至下分布第3、第4、第5点的温度反馈控温。“4点温度平衡”即，在电池堆由上至下分布有4排压缩空气出口，通过CDA压力流量恒定平衡控温。

图2　5点控温、4点温度平衡

3 电注入式修复对晶体硅太阳电池的提效

3.1　单晶PERC

使用电注入式晶体硅太阳电池氢钝化修复设备对单晶PERC电池进行处理，处理工艺如下：数量400片，注入电流14A，温度210℃，注入时间400s/腔×9腔。处理前后硅电池电性能对比如表1所示。

表1单晶PERC某批次电注入修复处理对比

通过对比数据可以看到，该批次的单晶PERC电池经过电注入修复后，转换效率的绝对值提升了0.12%abs.效果非常明显。

通过大量电荷地连续注入，以及温度的升高，促使PECVD沉积的氮化硅层中含有的大量氢扩散至硅片表面及体内，并且通过注入的电荷和准费米能级的变化来调控氢的电荷状态，使之与各类缺陷发生钝化，从而提高少子寿命。通过LBIC的测量，可以反应出经过电注入修复处理，对硅片体内少子寿命的改善情况，如图3所示。

单晶PERC电池的氢钝化最早普及应用是为了抑制电池的光致衰减（LID）。随着掺Ga硅片的使用，LID已经不需要考虑了。氢钝化抑制LID的使命已经完成，从上面的数据可以看到氢钝化提升转换效率的功效开始凸显，特别是电注入式缺陷修复设备工艺简单稳定。

之前所述的单晶PERC电池使用电注入式缺陷处理，其初始效率并不高。对于高档次的电池，经过处理后结果如表2所示（注入电流14A，温度210℃，注入时间400s/腔×9腔）。

表2 单晶PERC某高效率批次电注入修复处理对比

a. 处理前 b. 处理后

图3 单晶PERC电池电注入修复前后LBIC测量结果对比

通过两批高低档次电池经过处理后的前后对比，低档次的有较高幅度的效率提升；高档次电池有一定的效率提升，但提升幅度没有低档次电池高。产生这类差异的原因主要是因为，低档次电池片内的固有缺陷较多，因此在电注入处理过程中，大量氢可以钝化这些杂质或者缺陷，从而实现效率的较大幅度提升。而高档次电池片本身就是因为电池内部缺陷密度低而做到了高转换效率。在电注入的过程中，大量的氢进入后钝化掉仅有的少量缺陷，因此效率提升幅度不大。

氢钝化处理包括：电注入式和光注入式两种。光注入式由于极强光源的使用，因此电池片的处理时间往往仅几十秒。而电注入式由于通入的电流有限，因此注入的时间非常长。为了保证产量，电注入式往往数百片为一叠，同时注入。以上述两批电池结果为例，每片电池总计注入时间为400s/腔×9腔，即60 min，处理时间还是偏长。由于目前硅片质量、工艺把控等越来越完善，正常情况下电池片内的缺陷密度非常小，因此适当缩短工艺时间仍然可以保证较好的钝化及效率提升效果，如图4所示（注入电流14 A）。

图4 某批次单晶PERC电池不同注入时间下效率提升情况对比

在相同注入条件下（14 A），注入总时间从60 min缩短至54 min和48 min，对于该批次单晶PERC电池而言，效率提升的影响不大。这说明在这些时间内已足够完成缺陷的修复。同时从侧面说明，对于单晶PERC太阳电池注入时间的延长不会引入负面效果。同时，从图4中也可以看到，对于该批次单晶PERC注入总时间缩短至27 min时，效率提升幅度较长时间注入的有所不及。故不可过于追求短时间，而应该对于不同电池条件适当探索一下注入条件，注入时间略微延长一点对于效率的提升有一定的保证。

由于掺Ga硅片的使用，单晶PERC的LID已经无需过度关注，但是热辅助光致衰减（LeTID）仍然存在。最直接的表现就是在组件制备过程中，光焊机通过强光加热电池，使压在电池上的焊带表面锡融化，完成焊接工作。再这样高温高光强的条件下，对于高效电池而言，极少量的破坏就是非常明显的效率下降。

使电池片通过光焊机处理，仅光照（加热），并未覆盖焊带--光焊机空跑处理，对比前后效率的变化，可以从一个方面反映电池的LeTID情况。有别于效率提升直接考查转换效率前后的差值这种绝对变化量。LeTID或者“光焊机空跑处理”对比的是转换效率变化的相对值，即处理前转换效率与处理后的转换效率相减后，再与初始效率相比，。通常情况下，这种处理后转换效率是下降的，故计算出的衰减是正值；如若计算得到负值，衰减为负，代表效率还有提升。对同一档次单晶PERC电池，进行电注入处理，之后进行“光焊机空跑处理”，考查其效率衰减情况。需要指出的是，在计算衰减时，使用的初始效率是指空跑光焊前的效率，非电注入处理前的效率。某批次单晶PERC电池经过不同条件的电注入工艺，后再经过光焊机空跑处理，电池效率衰减情况如图5所示。

图5 某批次单晶PERC电池经过不同条件的电注入工艺，后再经过光焊机空跑处理，电池效率衰减情况

从图5可以看出经过上述条件的电注入处理，“空跑光焊”后的效率衰减略有改善，即电注入处理对电池LeTID有所改善。同时通过图5也可以看到两个情况。首先，相同注入电流和温度下，当注入时间达到一定水平后，对LeTID的改善趋于稳定。其次，注入电流较高时（14A）电池的LeTID特性可能略差于注入电流较低的情况（12A）。

高注入电流条件下电池的LeTID有变差的趋势，分析认为，可能是高电流条件下电池产生热量较大，虽然温控点仍然在稳定温度，但是难以保证电池局部点的温度略微偏高。根据此推测，设计电池在同样注入水平下，控制不同腔内温度，考查电池LeTID情况（如图6所示）。仍然通过“空跑光焊”的方法进行处理。

图6 某批次单晶PERC电池经过同样注入水平下，控制不同腔内温度后，再经过光焊机空跑处理，电池效率衰减情况

由此可见，对于单晶PERC电池LeTID的改善可以通过适当控制温度来改进，同时也可以通过降低注入电流来辅助。

如果需要降低温度，那么势必会降低在注入过程中的反应速率，再加之注入电流也会适当降低，故需要考虑适当延长注入时间。以某22.6%档次的高效PERC电池为实验对象，设置注入电流10A、温度200℃，在不同注入时间下，电池效率绝对提升值和“空跑光焊”后效率相对衰减值如图7所示。

图7 注入电流10A、温度200℃，在不同注入时间下，电池效率绝对提升值和“空跑光焊”后效率相对衰减值

通过图7可以发现在较低的注入电流（10A）和温度（200℃）下，当延长注入时间时，电池注入后效率提升幅度和LeTID都会有较好的改善。同时对比表2中的数据，同样都是高档次电池，降低注入电流以后，电池处理后的效率提升量也有小幅度增加。故，适当降低注入电流水平，对电池转换效率的提升和LeTID的改善都会有益。当然过度降低注入电流必然需要更长的时间，这对生产效率产生了破坏，是不可取的。

电注入式晶体硅太阳电池缺陷修复工艺，对单晶PERC电池的转换效率提升有所帮助，同时对单晶PERC的LeTID特性有所改善。注入电流、温度和时间是影响效率提升和LeTID改善的关键，适当降低注入电流、温度，同时延长注入时间对改善电池特性十分有益。但是当注入时间达到一定范围后，电池性能的改善会趋于稳定，加之要考虑到产量的需求，因此需要根据具体情况匹配对应电注入工艺。

3.2　多晶PERC

电注入氢钝化对单晶PERC电池起到了非常显著的作用。对于体内存在更大缺陷密度的多晶电池而言，电注入工艺应该也具备提升转换效率的功效。经过大量实验发现，多晶PERC电注入的提效工艺相对于单晶PERC，需要更高的注入电流和更高的温度。某一批次多晶PERC经过如下处理工艺：数量400片，注入电流16A，温度260℃，注入时间360s/腔×9腔；处理前后电池的电性能对比如表3所示。

表3多晶PERC某批次电注入修复处理对比

通过对比数据可以看到，该批次的多晶PERC电池经过电注入修复后，转换效率的绝对值提升了0.06%abs.

与单晶PERC同样的规律，当效率比较低时，使用相同电注入工艺后提升幅度会较大，如表4所示（400片，注入电流16A，温度260℃，注入时间360s/腔×9腔）。

表4多晶PERC某批次低效档电注入修复处理对比

由于多晶电池的效率档次分布要远高于单晶电池，并且存在不同效率档次电池对电注入工艺需求不同，对多晶PERC电池的电注入电流、温度等参数进行了探究，其中高效档次取得是20.3%-20.5%，低效档次取得是19.9%-20.1%。

图8 多晶PERC高效档次和低效档次在不同注入电流下的效率提升情况

（注入温度均为260℃，时间为360s/腔×9腔）

对于高效档次在注入温度和时间不变的前提下，注入电流相对于低效档次需要略微降低一点，其最大效率提升幅度才可以与低效档次的最大效率提升幅度保持一致。无论是高效档次还是低效档次，当电流过高时，提效的幅度会降低。

图9 多晶PERC高效档次和低效档次在不同注入电流下的效率提升情况

（注入温度均为260℃，时间为360s/腔×9腔）

在图9（a）和（b）中，无论注入在相同注入电流和时间条件下，高效率档次的电池总是在相较于低效档次更低的温度条件下，能够达到提效幅度最大。当然无论是高效档次电池还是低效档次电池，当注入电流较低时（14A），需达到提效幅度最大时的温度要高于入电流较高时（16A），即注入电流与注入温度要相配合，注入电流高，注入温度适当下调；注入电流低，则注入温度要适当升高。

从单晶PERC电注入的结果看，只要注入时间足够，较长的注入时间对电池性能不会产生过多的影响。但是在多晶PERC上，注入的时间不可以过长，过长后电池提效的幅度会有所缩减，如表5所示。

表5 高效多晶PERC在不同电注入修复处理的对比

综上所述，电注入工艺对多晶PERC电池的效率提升也有显著效果。相对于单晶PERC电池，多晶PERC的电注入工艺中，注入电流、温度都略高。要达到提效最大幅度时，对于高档次多晶PERC相较于低档次多晶PERC需要的注入电流和温度都稍低；同时无论高档次还是低档次，注入时间过长会缩减提效幅度。故多晶PERC电池的电注入工艺相较于单晶更为复杂。受片源等方面的影响，多晶PERC电池的电注入工艺需要对电流、温度、时间进行相应的调整。

3.3　TOPCON

继PERC电池完全推广之后，TOPCON电池极有可能成为下一代技术。对于TOPCON电池的电注入提效，我们也做了初步的探索，发现有如下规律：首先相对于单晶PERC，注入的时间有明显加长；其次相对于单晶PERC，注入温度要显著提高。这些情况可能是由于氧化层的致密性要高于SiNx: H层导致的。当然，如果温度过高，可能会造成钝化层，或者钝化层与硅片间的界面损伤，从而导致效率提升幅度下降。图10就展示了在注入电流为12A，注入时间为450s/腔×9腔的条件下，不同腔室温度对转换效率提升的影响。

图10 注入电流为12A，注入时间为450s/腔×9腔的条件下，不同腔室温度对转换效率提升的影响

从图10中可以看到，对于该技术路线制备的TOPCON电池而言，适当的电注入工艺可以使转换效率绝对提升到0.2%以上，得到一个非常可观的结果。

目前TOPCON电池存在多种技术路线，每一种技术路线可能在钝化层上产生略微的差异，进而需要对电注入工艺进行适当的调整。从现有的数据看，使用电注入工艺对TOPCON电池转换效率的提升有非常高的应用前景。

3.4　HJT

对于HJT电池，由于非晶硅对于高温非常敏感，故温度须控制在200℃以下，由此不可使用过高的电流产生过多的热量，同时需要进一步加大工艺时间。通过适当处理，可以使电池效率提升0.3%-0.6%。由图11的PL图像可以看出，经过电注入后，HJT电池的缺陷范围明显缩小。

图11 电注入氢钝化前后PL图像对比

4　结论

电注入工艺对于电池的效率提升仍然有巨大的帮助。通过电荷地注入及加热，改变工艺过程中电池的准费米能级状态和氢的电荷状态，使之修复电池内部的缺陷，从达到提效的目的。本文通过对单晶PERC、多晶PERC电池电注入工艺进行了详细的研究，得出一些电注入提效的规律以及注意事项。

对于单晶PERC，在合理的注入工艺下，电池效率可以提高0.05abs.-0.12abs.；同时适当降低注入电流和温度可以改善电池的LeTID特性。

为了保证电池提效效果和LeTID改善效果达到一定程度，注入时间不可过短。为了综合提效、LeTID及产能等因素，需要对电流、温度和时间进行适当优化调整。

对于多晶PERC电池，相对于单晶PERC电池，多晶PERC的电注入工艺中，注入电流、温度都略高。在合理的注入工艺下，大规模量产条件下电池效率可以提高0.03