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上海高研院李东栋/张姗婷、上海应物所高嶷AFM: 原子层沉积Al2O3及原位氢化技术提升钝化接触晶硅异质结太阳能电池载流子选择性

时间：2022-08-28 来源： 浏览：

上海高研院李东栋/张姗婷、上海应物所高嶷AFM: 原子层沉积Al2O3及原位氢化技术提升钝化接触晶硅异质结太阳能电池载流子选择性

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当前 以硅基薄膜作为钝化接触结构的异质结（ HJT ）和隧穿氧化层钝化接触（ TOPCon ） 太阳 电池均已突破 26% 的转换效率 。 但 这两种电池技术采用的掺杂硅薄膜 存在 较严重的 寄生光学吸收 且 设备成本较高 ，限制了晶体硅（ c -Si ）电池效率的进一步提升 。基于宽带隙金属化合物的 免掺杂 钝化接触 c -Si 异质结太阳电池 可减少 寄生 光学 吸收 且制备工艺简单，具有降本增效的巨大潜力 ，是近年来高效 c -Si 电池研究领域的热点。 但当前免掺杂钝化接触晶硅电池的最高效率仍不足 2 4% ，主要原因为基于宽带隙金属化合物结构的钝化性能仍需要进一步提升。 HJT 或 TOPCon 中 优异的 钝化层工艺难以直接应用于新型 免掺杂 钝化接触 c -Si 异质结太阳电池。因此，探索适用 免掺杂 钝化接触 c -Si 异质结太阳电池的钝化方案，提升器件载流子选择性，是 突破其性能提升瓶颈的 重要 挑战 。
近日，中国科学院上海高等研究院和上海应用物理研究所 联合晋能清洁能源科技股份公司，提出一种 Al 2 O 3 钝化隧穿层的原位氢化技术，用以提升 c -Si/Cu 2 O 界面的钝化性能和空穴载流子的选择性。 Al 2 O 3 的原位氢化策略与电池的制备工艺兼容，采用氢化 Al 2 O 3 /Cu 2 O 的钝化接触 结构，首次将基于 p 型半导体氧化物 Cu 2 O 钝化接触 c -Si 电池效率提升到 20% 以上。相 关成果以题为 “ Effective Hydrogenation Strategies to Boost Efficiency over 20% for Crystalline Silicon Solar Cell with Al 2 O 3 /Cu 2 O Passivating Contact ” 发表于 Advanced Functional Materials （ DOI : 10.1002/adfm.202207158 ）。
Al 2 O 3 采用 原子层沉积（ ALD ）方法制备，通过使用混合的 H 2 /N 2 （ 5v%/95v% ）载气将额外的 H 引入 Al 2 O 3 中 （记为 H -A l 2 O 3 ） 。实验分析和密度泛函理论  (DFT)  计算 共同 揭示了原位引入的 H 倾向于积聚在 p -Si/H-Al 2 O 3 界面处， 这 不仅可以饱和 p -Si 表面的悬 挂 键，提高化学钝化 性能，而且通过 促进 电子 从 p -Si 到 H-Al 2 O 3 的转移 提高了 H-Al 2 O 3 中的固定 负 电荷 浓 度，提升场钝化性能。 最终， 通过在 p -Si 太阳能电池中使用  H-Al 2 O 3 /Cu 2 O  作为空穴选择性钝化接触，实现了 20.35%  的光电转换效率（填充因子为 84.76% ），为已报道的同类型电池的最高水平。该工作提出了一种 ALD 过程 中 的 原位 掺 H 策略，可有效提高界面钝化 性 能和 电池 效率。原位掺 H 的方法与 新型 免掺杂 钝化接触异质结 电池的制备工艺兼容， 是 提升 此类 电池效率 和 稳定性 的普适性方法 ， 也 为其他类型的薄膜太阳电池的研究提供 了 新思路。  

图 1. （ a ） p -Si/Al 2 O 3 和 p -Si/H-Al 2 O 3 （ 100  cycle ） 薄膜 的 傅立叶变换红外（ FTIR ）光谱 ，及其 （ b-c ） Si-H n 和 -OH 信号的放大图 。（ d ）和（ e ）分别为少子寿命和电压 - 电容（ C-V ）测试 示意图 。（ f ） p -Si 、 p -Si/Al 2 O 3 和 p -Si/H-Al 2 O 3 （ 10  cycle ） 薄膜 的 少子寿命随注入浓度关系。（ g ） p -Si/ Al 2 O 3 和 p -Si/ H-Al 2 O 3 薄膜（ 100  cycle ）的 C-V 特性曲线。

 
图 2. 理论计算得到的 p -S i/ Al 2 O 3 （完美）和 p -S i/ Al 2 O 3 （ 4Si-H ） 的（ a-b ）面平均电荷差分密度 ∆ ρ 、（ c-d ） 宏观平均 势能 和面平均势能。黄色和蓝色的阴影区域分别指电子的积累和耗尽。

 
图 3. （ a ） p -Si/Al 2 O 3 /Cu 2 O 和（ b ） p -Si/H-Al 2 O 3 /Cu 2 O 原子力显微照片。 (c)  p -Si/SiO x （天然氧化层）、 p -Si/Al 2 O 3 和 p -Si/H-Al 2 O 3 的表面自由能 （橘黄色和蓝色分别表示 色散部分和极性部分 ） 。
 

图 4.  p -Si/Cu 2 O 、 p -Si/ Al 2 O 3 /Cu 2 O 和 p -Si/ H-Al 2 O 3 /Cu 2 O 薄膜的（ a ）少子寿命随注入浓度的关系 ，（ b-c ） 电 流 - 电 压 （ I-V ）曲线 。 （ d ） 接触电阻拟合曲线 。
 

图 5.  （ a ） p -Si/H-Al 2 O 3 /Cu 2 O 钝化 接触异质电池示意图 ， （ b ） 电池 的电流密度 - 电压（ J-V ）曲线 ， （ c ）外量子效率（ EQE ）曲线和 （ d ） 暗电流曲线。

论文第一作者为中科院上海高等研究院博士生李乐，通讯作者为李东栋研究员、张姗婷助理研究员和高嶷研究员。 该工作受到了国家自然科学基金、上海市科委、山西省科技厅、中国科学院青年创新促进会、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金和张江实验室的支持。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202207158

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