晶硅太阳能电池-氢钝化（H*）基本机理

hdy

太阳电池存在具有不同电荷状态的缺陷，氢的不同电荷状态对缺陷的钝化具有关键影响，特别是，具有某些特征的缺陷只能被具有特定电荷状态的氢钝化。研究发现氢在能带隙中同时具有受体（Ea）和供体（Ed）能级。因此，晶体硅太阳电池中可以存在正态（H+）、中性态（H0）和负态（H-）三种电荷状态的氢，氢的电荷状态主要由空穴和电子浓度决定，且三种电荷状态的氢在一定条件下可以相互转化，H+和H-可以通过获得和失去电子在不同的电荷状态之间进行转换，如下反应所示：

硅中的载流子浓度会影响氢电荷态的相互转换。当空穴大量存在时反应加剧，导致大量H+生成；相反，当电子大量存在时产生大量的H-。

此外由于H0含有一个电子和一个质子，易和电子发生作用，因此H0可以释放电子从而转化为H+，也可以通过获取电子转化为H-，H0通过和电子发生反应转化为H+或H-的具体过程如下所示：

H0在硅体内部几乎无法单独存在，这是因为H0反应活性大，极易得失电子，因此，H0在硅体内含量极少。

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氢钝化技术就是要通过注入电子或空穴来调控氢的电荷状态，然后利用这些电荷态氢去钝化电池内部的缺陷和杂质的技术。传统的氢钝化技术主要是利用金属化过程中氢原子扩散到硅体中以达到钝化效果。然而，这种方式氢原子的扩散非常有限，且会与其他较重原子的结合，不存在氢电荷态的调控。为了更好地钝化杂质，氢原子必须以相应离子的形式存在。

HEI和HPI与传统的氢钝化技术存在明显区别。HEI和HPI是通过调节温度、处理时间、注入电流或辐照度，控制进入到硅体中的氢和非平衡载流子的浓度，进而调控不同电荷态的氢，这些氢可以去钝化相应的杂质和缺陷。在一定温度条件下，介质层中的氢会从渗透到电池内部，渗透到电池N型区的氢会与此区域的大量电子结合，生成H-，而渗透到电池P型区的氢会与此区域的大量空穴结合，生成H+。当对电池进行HEI或者HPI处理，N型区和P型区会产生大量的非平衡载流子（电子/空穴），这样在N型区空穴会与H-发生反应形成H0或H+，在P型区电子会与H+发生反应形成H0或H-。在N型区氢（主要是H+）会去钝化影响N型区少数载流子（空穴）寿命的带负电的缺陷以及影响P型区少数载流子（电子）寿命的带正电的缺陷，使得电池效率得到提升。然而，早期的氢钝化，只有金属化过程中氢渗透至电池内完成初步钝化，没有进行电子或空穴的注入，因此没有氢电荷态的调控。以N型区为例，氢渗透至N型区，与多数载流子（电子）产生H-后，无法钝化带负电的缺陷，因此对电池的钝化效果有限。

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氢可以有效的钝化电池内部的金属杂质和晶体缺陷以及电池表面悬挂键等等，而氢参与钝化各种形态的缺陷和杂质的过程也逐步清晰，对整个氢钝化过程进行了总结如下图所示：

H-和H+会分别钝化电池内部带正电和带负电的缺陷和杂质，钝化过程中氢和缺陷的具体反应如下：

式中，D-表示带负电的缺陷，D+表示带正电的缺陷，{H-D}是氢和缺陷的结合体。{H-D}因为未表现明显的带电状态，因此对于载流子的捕获能力大大下降。

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参考文献

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