n型背接触BC电池：通过SiNx/SiON叠层优化减反射与表面钝化性能

背结背接触（BJ BC）电池通过将发射极和金属接触集成于背面，显著提升了载流子收集效率。本研究采用非真空中断法制备SiNx/SiON双层结构，结合Quokka模拟，系统优化了BC电池减反射与钝化性能，在简化工艺的同时整合富硅SiNx的钝化优势与SiON的减反射特性。美能绒面反射仪用实验数据可以证明 SiNx/SiON 叠层在真实绒面结构上的减反射优势，为光学模拟结果提供最关键的现场验证。

SiNx/SiON叠层制备

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钝化性能测试采用商用n型直拉硅片（Cz-Si）(厚度200 μm，电阻率0.3 – 2 Ω · cm )；光学与电学表征使用n型单面抛光硅片(电阻率1 – 10 Ω · cm)。样品经 NaOH / NaOCl 去除切割损伤、RCA1 溶液去除有机杂质后，用稀释 HF 去除表面自然氧化层 SiO₂。

SiNx/SiON叠层中底层富硅SiNx层、顶层SiON层以及单层SiNx的（a）折射率与（b）消光系数

通过 PECVD非真空中断法 连续沉积双层薄膜，避免真空暴露导致的污染，提升工艺稳定性并降低成本。

富硅SiNₓ层：

气体比例：SiH₄Ar = 1.2512.5（1001000 sccm）；衬底温度400°C，射频功率300 W（13.56 MHz），腔压1 Torr，目标折射率n≈2.41。

SiON层：

气体比例：SiH₄N₂O:Ar = 12.66:12.5（100266:1250 sccm）；衬底温度300°C，其余参数与SiNₓ层一致，目标折射率n≈1.52。

SiNx/SiON叠层的光学性能

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基于Essential Macleod模拟的，(a)反射率与(b)吸收率曲线：对比不同富硅SiNx厚度的SiNx/SiON叠层及单层SiNx在晶体硅（c-Si）上的性能

SiNₓ（高折射率）与 SiON（低折射率）的组合实现了宽光谱减反射。模拟显示，当富硅 SiNₓ厚度从 10 nm 增至 40 nm 时，300-1100 nm 平均反射率从 20.23% 降至 3.45%，但厚度超过 40 nm 后反射率回升。

实验测得的，(a)透射率与吸收率及(b)反射率曲线：对比不同富硅SiNx厚度的SiNx/SiON叠层及单层SiNx在玻璃和随机绒面晶体硅（c-Si）上的性能

实验验证，30 nm SiNₓ/70 nm SiON 堆叠层的平均反射率低至 3.95%，显著低于单层 SiNₓ（6.81%），且在 300-500 nm 短波长范围内反射率降低更明显（3.94% vs 13.39%）。同时，该厚度下堆叠层吸收率达 6.89%，高于单层 SiNₓ（4.03%），利于光生载流子产生。

SiNx/SiON叠层的钝化性能

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为优化表面钝化质量，研究在n型直拉单晶硅（Cz n型 c-Si）双面沉积不同厚度的富硅SiNx层（折射率n=2.41）并覆盖70 nm SiON层（n=1.52）。通过有效载流子寿命（τeff）评估钝化性能，所有样品的最大τeff均出现在少数载流子密度Δn≈2.86×10¹⁴ cm⁻³处。

载流子有效寿命随过剩载流子浓度（Δn）的变化关系：对比沉积态SiNx、SiON封盖的SiNx（不同厚度）及单层SiNx（n=2.05, 厚度=78 nm）在未扩散n型晶体硅（c-Si）样品上的钝化性能

τeff随富硅SiNx厚度从10 nm增至30 nm持续提升。该现象与SiNx中氢含量的作用机制密切相关：氢通过形成Si-H键终止界面悬挂键，而Si-H键密度随SiNx厚度增加（10→30 nm）同步升高。电学表征进一步验证，30 nm厚SiNx层对应最高固定电荷密度（Qf）和最低界面态密度（Dit）。

表面复合速率（Seff）与饱和电流密度（J0）随SiNx厚度（n=2.41）的变化关系：对比SiNx膜、SiNx/SiON叠层及单层SiNx（n=2.05）在直拉法（Cz）n型晶体硅片上的钝化性能

对比不同厚度SiNx/SiON叠层与单层SiNx的钝化效果。结果表明：

表面复合速度（Seff）和饱和电流密度（J₀）均随SiNx厚度增加（10→30 nm）而降低，并在30 nm时达到最小值；

所有SiNx/SiON叠层的Seff与J₀均显著低于单层SiNx（n=2.05, d=78 nm），具体表现为：

叠层样品：Seff=4.9 cm/s, J₀=9 fA/cm²

单层样品：Seff=62.6 cm/s, J₀=58 fA/cm² 
 

性能提升归因于更厚的富硅SiNx层促进氢原子向c-Si界面扩散，从而增强钝化效果并降低载流子复合。τeff的提升直接导致Seff与J₀下降。SiNx（含SiNx/SiON叠层）最大厚度被限定为30 nm。

BJBC电池性能优化

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Quokka模拟中的BC BJ电池单元结构模型

BC BJ太阳电池的外量子效率（EQE）：对比不同富硅SiNx厚度的SiNx/SiON叠层与单层SiNx（n=2.05, 厚度=78 nm）在300-1100 nm波长范围内的性能

通过Quokka模拟外量子效率（EQE）分析表明：

在300–500 nm短波段，SiNx/SiON叠层电池（含10/20/30 nm SiNx）EQE显著提升，这直接关联于富硅SiNx厚度增加导致的光吸收增强；

在500–1000 nm波段，叠层电池呈现高EQE平台，性能排序为30 nm > 20 nm > 10 nm，这归因于：该波段反射率变化较小（绒面反射率：10 nm为3.38%，20 nm为2.82%，30 nm为2.46%）；30 nm SiNx叠层钝化效果最优；

正面钝化质量对电荷收集至关重要，因BCBJ电池的载流子主要在近正面产生而于背面收集。

BC BJ电池的归一化性能参数（Voc, Jsc, FF, Eff）：对比不同富硅SiNx厚度的SiNx/SiON叠层与单层SiNx涂层的器件表现

电池性能对比证实：

正面采用SiNx/SiON叠层的电池效率均高于单层SiNx（n=2.05, d=78 nm）；

30 nm SiNx叠层电池获得最高Jsc和Voc；

性能优势源于叠层的高透射率、低反射率及优异钝化效果，共同提升电池的Jsc、Voc及最终转换效率。

结果表明：富硅SiNx（折射率2.41）与SiON（折射率1.52）的协同作用使叠层在300-1100 nm波段平均反射率降至3.95%，表面复合速度（Seff）低至5 cm/s。相较于单层SiNx，叠层使BC BJ电池的短路电流密度Jsc提升3.4 mA/cm²，开路电压Voc增加26 mV，最终实现14.59%的效率增益。该工艺为BC电池低成本产业化提供了新路径。

美能绒面反射仪

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美能绒面反射仪RTIS通过漫反射激发电池片，然后通过8度角采用光谱仪检测。RTIS具有定位的机台和导轨，能够方便而快速地送入样品，实现电池片样品的定位，提高使用人员的工作效率。

• 光谱测试范围可达：350-1050nm
• 快速、自动任意多点测量
• 每点测试速度约0.1s，检测时间仅为传统反射率的1/10
• 精准测量反射率、膜厚等多项重要参数

美能绒面反射仪通过 8°角漫反射激发+多点矩阵扫描，实现BC电池工业级绒面硅片上 SiNx / SiON 叠层反射率的原位统计测量，其快速无损检测特性更推动该成果从实验室向产线转化。

原文参考：Optimizing anti-reflection and surface passivation for n-type back-contact back-junction silicon solar cells using SiNx/SiON stack layers: Insights from quokka simulation

 

 

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