n型TOPCon电池中通过氘化/氢化混合策略提升钝化性能

在晶体硅太阳能电池领域，隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）技术是突破效率瓶颈的关键方向，其钝化性能直接决定电池效率。目前，TOPCon结构的制备严重依赖氢化工艺来中和缺陷，但传统方法面临钝化效果提升有限、工艺复杂且机理不清晰的问题。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。

本文提出一种创新的氘化/氢化混合策略，通过在气氛退火中引入氘同位素（以D₂O形式）来优化钝化过程。研究发现，氢与氘在TOPCon结构中共存并产生协同效应，当以1% D₂O的优化比例混合时，能显著提升界面与体钝化质量，使隐含开路电压大幅增加。该方案不仅利用了氘硅键更强的稳定性，还通过简易的气氛退火工艺实现，为开发高效、兼容产业化的TOPCon太阳能电池提供了新途径。

实验方法

实验采用n型c-Si衬底，制备对称双面TOPCon结构（poly-Si(n) / SiOₓ / c-Si(n) / SiOₓ / poly-Si(n)）。

关键步骤包括热生长超薄SiOₓ层、沉积磷掺杂非晶硅、高温晶化形成多晶硅，最后进行气氛退火。

退火在氮气保护下进行，通过鼓泡法分别引入水蒸气（H₂O）、氘水（D₂O）或两者混合蒸气。系统优化退火温度、时间、升温速率及气体比例。

氘钝化的可行性验证

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(a) 制备于c-Si衬底上的TOPCon结构截面高分辨扫描透射电子显微镜图；(b) O Kα与Si Kα的EDS元素分布图；(c) 多晶硅(n)薄膜内硅原子相的选区电子衍射分析结果；(d) 和 (e) 与(a)图中所示多晶硅(n)/SiO₂区域对应的傅里叶变换衍射花样；(f) (a)图中选定区域的几何相位分析结果

(a) 仅由洗气瓶和退火炉组成的气氛退火装置示意图；(b) 分别以超纯水和D₂O作为氢源与氘源，双面钝化样品钝化性能提升的对比，以隐含开路电压为标准；(c) 水蒸气气氛退火氢化后，通过纯D₂O处理进行二次氘补充对隐含开路电压的影响；(d) 氘化工艺中气氛退火条件的优化：温度与升温速率；(e) 使用氢/氘源混合物时，D₂O比例对隐含开路电压提升的影响

微观结构分析表明，氘引入未改变TOPCon各层的晶体结构与界面形貌，说明氘化过程具有良好的结构兼容性。

电学测试显示，在优化条件下，纯氘退火可使iVOC提升约7 mV，虽略低于纯氢退火（约10 mV），但已证明氘同样具备有效钝化能力。

进一步研究发现，氘钝化的最佳退火温度（约500°C）高于氢钝化（约450°C），且对升温速率更敏感，这可能与氘-硅键合需要更高激活能有关。

氢/氘混合策略的协同效应

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(a)-(c) 经不同气氛（水蒸气、D₂O、1% D₂O）退火处理后制备的多晶硅/SiOₓ/c-Si叠层结构，通过二次离子质谱分析获得的元素分布剖面。分析元素包括：O相关（蓝色）、P相关（深黄色）、H相关（灰色）和D相关（红色）；(d) 和 (e) c-Si/SiOₓ界面区域信号的放大视图：H相关和D相关。附表显示了各峰强度水平

通过调节退火气氛中D₂O与H₂O的比例，发现当D₂O占比为1 %时钝化效果最佳，iVOC提升达15 mV，显著优于单一氢或氘处理。

SIMS分析表明，氢的快速扩散与氘的较强键合能力产生互补：氢能迅速钝化大量浅层缺陷，而氘则在界面及多晶硅体内形成更稳定的钝化结构。两者协同还能优化磷掺杂分布，形成更陡峭的浅结，有利于载流子传输并降低俄歇复合。

机理深入分析

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(a)-(d) H₂O和D₂O分子在不同硅衬底上的吸附模型；(e)-(h) 上述案例的电荷密度差图

(a) D₂O分子中D和O原子的投影态密度图作为参考；(b)-(e) 不同吸附模型（分别对应案例I–IV）下表面吸附过程后，D、H、O和Si原子的投影态密度图

(a)-(d) 不同吸附配置下吸附体系的晶体轨道哈密顿布居图谱，其为键合能量的函数

表面电势变化：KPFM显示经1% D₂O混合退火的样品表面功函数降低，表明界面态减少、能带弯曲增强，有利于场效应钝化。

键合特性：DFT计算证实，D₂O在富含悬挂键的硅表面吸附能更低、电荷转移更显著，且氘与硅的键合强度高于氢。

元素分布：SIMS显示氘处理可引起界面氧原子重排，这可能有助于缓解界面应变并优化缺陷结构。

电池性能验证

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(a) 采用新型氘化/氢化混合策略制备的、具有全背电极的N型TOPCon太阳能电池在光照下的J-V曲线。同时显示了测试太阳能电池（2 cm × 2 cm）的性能参数以及具体的电池结构示意图；(b) 太阳能电池的外量子效率（EQE）结果

基于1% D₂O混合退火工艺制备的n型TOPCon电池（全背接触结构）获得了：

效率：23.19%

开路电压：694.3 mV

短路电流密度：41.30 mA·cm⁻²

填充因子：80.87%

电池在300–900 nm短波范围内的外量子效率显著提升，进一步证实了钝化效果的改善。

本研究创新性地提出了一种用于n型TOPCon太阳能电池的氘化/氢化混合钝化策略。通过优化浓度的气氛退火引入氘（最佳条件为1% D₂O），实现了氢与氘的协同作用，显著提升了界面与体材料的钝化性能。理论计算证实，氘与硅的键合强于氢，稳定性更高，尤其能有效钝化多晶硅体内的缺陷与悬挂键。当表面存在悬挂键时，水分子可协同增强D₂O在横向与纵向的反应范围，展现出优于传统氢钝化的吸附与钝化能力。

基于此策略制备的验证电池取得了23.19%的效率，各项电学参数显著提升，证明了该方法的器件级可行性与应用潜力。该工作不仅为现有氢化工艺提供了一条有效的优化路径，也为钝化接触工程引入了氢同位素这一新维度。

未来研究将聚焦于工艺深度优化、其他氢同位素的探索以及器件长期稳定性评估。该方法与现有产线兼容，初步验证具备可扩展性，通过精准控制退火参数，有望推动其在高效率TOPCon太阳能电池的大规模生产中应用，为下一代光伏技术发展提供新动力。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

美能QE量子效率测试仪通过精准测量电池在300-900 nm短波范围内的光谱响应，为验证本研究中钝化性能的提升提供了关键实验数据。

原文参考：Enhanced passivation performance in n-type TOPCon solar cells via a novel deuteration/hydrogenation hybrid strategy