摘 要：對太陽電池而言，較低的接觸電阻率是實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵參數(shù)，特別是對于載流子選擇接觸的結(jié)構(gòu)，比如晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池。接觸電阻率（[ρc]）通常用Cox-Strack方法（簡稱CSM）或轉(zhuǎn)移長度方法（TLM）計算得到。無論是哪種方法，均需要在特定金屬電極圖案下測得，而難于在真實的太陽電池器件中測得。對于硅基異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池而言，接觸電阻率（[ρc]）包含銀（Ag）電極與氧化銦錫（ITO）的接觸電阻率[ρc1]，以及ITO與p或n型摻雜非晶硅的隧穿接觸電阻率[ρc2]。為此，要精確測得[ρc1]和[ρc2]，需分別制備特定結(jié)構(gòu)以便測量。該文提出一種新的TLM測試方法，在實際的HJT太陽電池器件上，同時測量出電子在Ag/ITO界面的接觸電阻率[ρc1]值2.5～3.1 mΩ·cm"ITO與n型摻雜非晶硅的隧穿接觸電阻率[ρc2]值21～24 mΩ·cm2。這兩個值與文獻報道基本一致。

關(guān)鍵詞：硅太陽電池；異質(zhì)結(jié)；接觸電阻；隧穿接觸；電子

中圖分類號：TN36 """""""""" """"""""文獻標志碼：A

0 引 言

作為光伏市場的主流，晶硅電池正在快速向高效化、薄片化方向發(fā)展。晶硅異質(zhì)結(jié)（heterojunction with intrinsic thin layer，HJT）電池技術(shù)有最簡單的工藝制程，高的電池效率、富有競爭力的平準化度電成本以及更好的技術(shù)升級和降本的潛力，成為一個非常值得研究的技術(shù)方向。HJT太陽電池的基本結(jié)構(gòu)是：Ag/ITO/a-Si（p）/a-Si（i）/c-Si（n）/a-Si（i）/a-Si（n）/ITO/Ag［1-2］。決定晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池轉(zhuǎn)換效率高低的一個重要因素是串聯(lián)電阻[Rs]的大小。載流子在兩個界面的輸運接觸電阻率，即銀電極（Ag）與氧化銦錫［3］（indium tin oxide，ITO）界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]以及ITO與摻雜非晶硅a-Si（p或n型摻雜）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]的大小，則是影響[Rs]的關(guān)鍵因素［4-8］。

Cox-Strack方法（CSM）［9-11］和傳輸長度方法（transfer length method，TLM）［12-13］已被廣泛用于通過電流-電壓（I-V）特性獲得歐姆接觸的[ρc]［14-19］。已有多個研究組利用上述方法對HJT太陽電池進行Ag/ITO界面的接觸電阻率[ρc1]以及ITO/a-Si（p或n型摻雜）界面的隧穿接觸電阻率[ρc2]的測量研究。然而，要精確測得[ρc1]和[ρc2]，需要單獨制作特定結(jié)構(gòu)進行測量，而難于在真實的太陽電池器件中測得。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種新的TLM方法，可在實際的HJT電池上同時測出電子在Ag/ITO界面的接觸電阻率[ρc1]，以及ITO/a-Si（n）界面的隧穿接觸電阻率[ρc2]。

1 測試模型與方法

1.1 TLM法

從理論上看，界面接觸電阻率[ρ]定義為：

[ρ=?J?V-1V=0] （1）

式中：[J]——電流密度，A/cm2；[V]——跨界面的電壓降，V。

[ρ]與實際接觸面積無關(guān)，雖然[ρ]有一個理論上的定義，但不容易直接從實驗測量中。為此，從實驗的角度來看，特定的界面接觸電阻率定義為接觸電阻[Rc]和接觸面積[A]的乘積（或等效接觸面積[A*]，此時接觸下的電流密度分布不均勻如TLM模型中的情況）：

[ρc=Rc·A] 或 [ρc=Rc·A*] （2）

式中：[ρc]——特定的界面接觸電阻率，Ω·cm"由[Rc]導出；[Rc]——接觸電阻。這里[Rc]除了界面電阻，還包括各種寄生貢獻，這些寄生項取決于[Rc]的特定測量值。在大多數(shù)情況下，晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的[Rc]包含金屬電極與基底（通常是n型硅片）之間的所有材料（通常包含本征非晶硅、n或p摻雜非晶硅、ITO這3類材料）的接觸電阻和體積電阻。

TLM測量接觸電阻率的原理如圖1所示?？倻y試電阻（[RT]）可表示為：

[RT=Rshw·L+2Rc] （3）

[Rc=Rsh?LTw?cothLfLT] （4）

[LT=ρcRsh] （5）

當[LT?Lf]時， [cothLfLT≈LTLf]。

[Rc=ρcLf·w] （6）

式中：[Rsh]——基底表面導電層的方塊電阻；[Lf]——矩形電極的寬度；[w]——矩形電極的長度電極；[L]——兩個相鄰電極之間的間隙距離；[LT]——傳輸長度。通常，[Lf]≈200 μm，[LTgt;1] mm，滿足要求[LT?Lf]的條件。

在圖1a中，通過測量相鄰電極之間的電阻值[RT]及其對應的相鄰電極之間的間隙距離[L]，做出如圖1b，基于式（3）作線性外推，與縱軸[RT]的截距即為[2Rc]。再依據(jù)式（6）即可求出接觸電阻率[ρc]。

1.2 新TLM測試法

在晶硅異質(zhì)結(jié)HJT電池Ag/ITO/a-Si（n或p）/a-Si（i）/c-Si（n）上設(shè)計如圖2所示結(jié)構(gòu)，其中[Lf]為金屬Ag電極的寬度，[w]是金屬Ag電極的長度，P是兩個相鄰電極之間的間隙距離，[x]是相鄰ITO/a-Si（n或p）結(jié)構(gòu)單元的邊緣間距，這里顯然xlt;P?？偨佑|電阻率[ρc]為Ag/ITO的接觸電阻率[ρc1]與ITO/a-Si（p或n型摻雜）的隧穿接觸電阻率[ρc2]之和。參照TLM計算的式（6），有如下近似關(guān)系：

[Rc1=ρc1Lf·w] （7）

[Rc2=ρc2P-x·w] （8）

[Rc=Rc1+Rc2=ρc1Lf?w+ρc2P-x·w] （9）

式中：[Rc1]——Ag電極與ITO層的接觸電阻，Ω；[Rc2]——ITO與p或n型摻雜非晶硅層a-Si的接觸電阻，Ω；[ρc1]——Ag電極與ITO層的接觸電阻率，Ω·cm2；[ρc2]——ITO與p或n型摻雜非晶硅層a-Si的接觸電阻率，Ω·cm2。

每一個晶硅異質(zhì)結(jié)HJT電池制備完成后，在相鄰副柵電極間的ITO/a-Si（n或p）/a-Si（i）膜上開出不同寬度[x]的間距，同時應用TLM法測出對應的[Rc]。作出[Rc-x]關(guān)系圖，并按照式（9）進行擬合，即可得到Ag電極與ITO層的接觸電阻率[ρc1]，以及ITO與p或n型摻雜非晶硅層a-Si的接觸電阻率[ρc2]，如圖3所示。

2 實 驗

2.1 晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）電池制備

1000片邊長為182 mm、電阻率為0.5～3 Ω?cm、起始厚度為150 μm的n型CZ單晶硅片，經(jīng)過氫氧化鉀（KOH）溶液在80 ℃腐蝕形成尺寸為2～5 μm的隨機金字塔絨面。使用等離子體增強化學氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）方法在硅片兩面沉積本征非晶硅薄膜，厚度分別為5～10 nm。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用PECVD方法在硅片兩面沉積p和n型摻雜的非晶硅，厚度各為6～10 nm。 ITO通過磁控濺射（Sputtering）沉積到硅片兩面，其厚度為80～90 nm。然后在兩面絲網(wǎng)印刷銀漿形成電極金屬柵線，其正、背面主柵間距皆為17.6 mm，副柵間距皆為1.84 mm。形成的電池結(jié)構(gòu)如圖4所示，電池平均效率為25.06%，其他I-V測試參數(shù)如表1所示。

2.2 新TLM法測試

在晶硅異質(zhì)結(jié)HJT電池制備完成后，隨機選取10片電池，每片電池共切成5片寬10 mm、長182 mm的長條形。首先在每長條電池上的正面（即n型摻雜面）或者背面（即p型摻雜面）相鄰副柵電極間，通過激光（大族激光器 HANS LASER HS50，50 W）將ITO/a-Si（n）/a-Si（i）膜（即n型摻雜面）或ITO/a-Si（p）/a-Si（i）膜（即p型摻雜面）開出[x=0]、0.6、1.4 、1.6、1.8 mm共5種寬度隔離槽，深至硅片，非測試面保持電池結(jié)構(gòu)不變。本文所使用的激光波長為532 nm，功率15 W，環(huán)境溫度25 ℃，樣品結(jié)構(gòu)和實物示意如圖5和圖6a所示。圖6b掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）截面圖顯示，15 W激光刻蝕深度約2 μm，從而確保表面ITO層（厚度80～90 nm）、本征和摻雜非晶硅層（共20 nm以內(nèi)）已被刻蝕去除徹底。

每一種寬度隔離槽的電池片共10條，針對每一條電池片，利用TLM法（測量設(shè)備為PV-Tools TLM-Scan），通過測量相鄰副柵電極之間的電阻值[RT]及其對應的副柵電極之間的間隙距離[L]，做出如圖1b，基于式（3）作線性外推，與縱軸[RT]的截距即為[2Rc]。

3 結(jié)果與分析

3.1 電子接觸電阻率ρc1和ρc2

首先，在晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）電池n非晶摻雜面，用新TLM法測試了電子在Ag/ITO界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]以及ITO/a-Si（n）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]的大小。隨機抽取10片作為一輪，其測試擬合的結(jié)果如圖7所示。其中，電子在Ag/ITO界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]為3.1 mΩ·cm"ITO/a-Si（n）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]為21 mΩ·cm2。

為驗證新TLM法測試重復性，共進行5輪重復測試，每輪測試均采用隨機的10片電池，電子在Ag/ITO界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]值為2.5～3.1 mΩ·cm"在ITO/a-Si（n）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]為21～24 mΩ·cm"體現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)集中性，測試結(jié)果列于表2。

表3匯總了近些年多個研究小組報道的Ag/ITO/a-Si（n）/a-Si（i）/c-Si（n）結(jié)構(gòu)下電子接觸電阻率[ρc1]和[ρc2]的結(jié)果。其中，電子在Ag/ITO界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]測試值有3篇文獻，均為傳統(tǒng)TLM測試方法測得，分別為1.2～2.5［20］、4［21］和3.3 mΩ·cm2 ［7］，這些值與本文采用新TLM法測得值2.5～3.1 mΩ·cm2非常接近。

針對電子在ITO/a-Si（n型摻雜層）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]的文獻報道分兩類：一類是基于電池I-V特性模擬值，分別為≈20［17］、18［18］和15～20 mΩ·cm2 ［19］；另一類是基于傳統(tǒng)TLM和CSM法測得的Ag/ITO/a-Si（n）/a-Si（i）/c-Si（n）結(jié)構(gòu)下電子接觸電阻率[ρc1+ρc2]的值，分別為55 ［15］、28［5］、25［16］ 和≈30 mΩ·cm2 ［17］。將上述值減去前述的[ρc1≈3] mΩ·cm"則其合理的[ρc2]值為52、25、22和27 mΩ·cm"與本文中所測21～24 mΩ·cm2非常接近。

需說明的是，電子在ITO/a-Si（n型摻雜層）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]的值受ITO材料功函數(shù)、a-Si（n型摻雜層）有效摻雜濃度、a-Si（i）厚度等諸多膜層性質(zhì)影響。在非優(yōu)化的上述膜層結(jié)構(gòu)下，[ρc2]值有可能超過本文所測量值，比如文獻［15］等。

3.2 空穴接觸電阻率ρc1和ρc2

參照測量電子接觸電阻率[ρc1]和[ρc2]的方法，針對晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）電池p非晶摻雜面，也用新TLM法給出了空穴載流子接觸電阻[Rc]與開窗寬度[x]的關(guān)系圖，如圖8所示。與電子Rc-x的關(guān)系圖（圖7）不同，空穴載流子的[Rc]隨著開窗寬度[x]的增大呈現(xiàn)下降趨勢，不滿足式（10）。即在實際的晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）電池上，采用新TLM法無法測量并擬合得到空穴接觸電阻率[ρc1]和[ρc2]。造成該現(xiàn)象的原因是，n型硅基底與p型摻雜非晶硅形成PiN結(jié)具有電流單向?qū)ǖ奶匦?，ITO被激光去除后，電極間無法通過N型硅片基底形成電流通路，因此TLM法不再適用，如圖9所示。

4 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)TLM測量接觸電阻率基礎(chǔ)上，針對晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池HJT的結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種新的TLM測試方法，在實際的HJT太陽電池器件上同時測量出電子在銀電極與ITO的接觸電阻率[ρc1]，ITO與n型摻雜非晶硅的隧穿接觸電阻率[ρc2]，可得出以下結(jié)論：

1） 在Ag/ITO/a-Si（n）/a-Si（i）/c-Si（n）結(jié)構(gòu)下，電子在Ag/ITO界面的金屬半導體接觸電阻率[ρc1]值為2.5～3.1 mΩ·cm"與多篇文獻報道的值1.5～4.0 mΩ·cm2非常接近。

2） 在Ag/ITO/a-Si（n）/a-Si（i）/c-Si（n）結(jié)構(gòu)下，電子在ITO/a-Si（n型摻雜層）界面隧穿接觸電阻率[ρc2]值為21.0～24.0 mΩ·cm"與多篇文獻報道的值15.0～52.0 mΩ·cm2也很接近。

3） 上述方法對于空穴在晶硅異質(zhì)結(jié)（HJT）電池p非晶摻雜面并不適用，主要原因是n型硅基底與p型摻雜非晶硅形成PiN結(jié)具有電流單向?qū)ǖ奶匦?，ITO被激光去除后，電極間無法形成電流通路。

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MEARSUREMENT OF ELECTRON CONTACT RESISTIVITY OF

CRYSTAL SILICON HETEROJUNCTION （HJT） SOLAR CELLS

Wu Jian 1-3，Li Shuo2

（1. CSI Solar Co.， Cell Ltd.， Suzhou 215129， China；

2. CSI Research Institute of Technology （Jiaxing） Co.， Ltd.， Jiaxing 31401""China；

3. CSI Solar Co.， Ltd.， Suzhou 215129， China）

Abstract：For solar cells， low enough contact resistivity is a key parameter for achieving high conversion efficiency， especially for carrier selective contact structures such as crystalline silicon heterojunction （HJT） solar cells. Contact resistivity [ρc] is usually calculated by Cox Strack method （CSM） or Transfer Length Method （TLM）. It is necessary to use some specific metal electrode patterns with either of the methods， which is difficult for real solar cell devices. For silicon heterojunction （HJT） solar cells， contact resistivity [ρc] consists of the silver electrode and ITO contact resistivity [ρc1] and the tunneling contact resistivity [ρc2] of ITO with p-or n-type doped amorphous silicon. Therefore， it is necessary to use different specific structures for accurate measurement of [ρc1] and [ρc2]. In this article， we propose a new TLM method using which we could simultaneously measures the electrons contact resistivity between silver electrodes and ITO [ρc1]， as well as between ITO and n-type doped amorphous silicon [ρc2] on actual HJT solar cell devices. The electrons contact resistivity value for [ρc2] is 2.5-3.1 mΩ·cm""and the electron tunneling contact resistivity [ρc2] value is 21-24 mΩ·cm""which are quite consistent with literature reports.

Keywords：silicon solar cells； heterojunctions； contact resistance； tunneling contact； electron