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澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池

澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池【引言】

金属与晶硅接触的关键指标是势垒高度,由肖特基-莫特规则预测为金属功函数与硅电子亲和力之间的差异。通常由于费米能级钉扎现象,金属/晶硅界面处能带隙内存在高浓度缺陷,导致观察到的势垒高度差异和计算的结果有着很大的差异。除了高浓度晶硅表面掺杂使肖特基势垒足够薄以用于载流子隧穿的传统方法外,另一种方法是在金属和硅之间采用纳米级别的界质层以降低界面处的缺陷密度,从而释放费米水平。这意味着,一方面,接触材料的功函数需要仔细选择以用于n型或p型晶硅;另一方面,缺陷钝化夹层会阻碍载流子的传输。对于与n型晶硅的低电阻欧姆接触,希望界面层还具有降低外部金属的功函数以便促进电子传导的功能(在太阳能电池里)或注射(其他光学器件)。近来,几种无掺杂的界面材料已被证明可提供与n型晶硅的低电阻欧姆接触,包括氟化锂,氟化镁,氧化镁,氧化铟,氧化钽及其组合。另一类候选材料是碱金属和碱土金属碳酸盐,由于它们能够促进电子注入,迄今为止它们大多在有机电子领域进行了探索。这些碳酸盐在硅太阳能电池中的应用只是初步的,并且仅限于碳酸铯。

【成果简介】

近日,澳大利亚国立大学Yimao Wan万义茂)博士课题组(第一作者与通讯作者)相关论文“Temperature and Humidity Stable Alkali/Alkaline-Earth Metal Carbonates as Electron Heterocontacts for Silicon Photovoltaics”发表在能源期刊Advanced Energy Materials(影响因子:16.72)上。此项工作创新的提出并验证了一系列纳米级碱金属和碱土金属碳酸盐(即钾,铷,铯,钙,锶和钡)可以有效地作为与高电阻率n型晶体硅衬底的电子接触纳米材料。这些碳酸盐夹层被证明可以提高n型晶硅太阳能电池的性能,达到约19%功率转换效率。此外,这些设备的热稳定性可达350℃,铯和碳酸钡都能通过标准的1000小时湿热试验,保持其初始性能> 95%。基于碱金属和碱土金属碳酸盐的温度和湿度均稳定的电子杂接触性能,展示了此类材料的商业化的高可行性和高潜力。在这项工作中,研究者提出了一系列碳酸盐的综合实验研究(K2CxOy,Rb2CxOy,Cs2CxOy,CaCxOy,SrCxOy和BaCxOy)作为晶硅太阳能电池的电子接触。首先研究热蒸发碳酸盐的电子能带结构和传导性质,在优化这些接触电阻率的电子接触之后,将它们应用于n型硅太阳能电池的整个背面接触,实现≈80%的填充因子(FF)和高达≈19.4%的功率转换效率(PCE);然后进行热和环境稳定性测试表明这些设备在高达350℃的温度下稳定并且铯和钡碳酸盐在85℃和85%湿度下通过加速环境测试1000小时。

【图文解析】

澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池

 图1.通过X射线光电子能谱(XPS)测量测量的热蒸发碳酸钡膜的C1s的核心能级谱

澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池

图2 a)显示了用金(Au)参比金属碳酸盐测得的二次电子截止谱。b)提供具有和不具有碳酸盐界面层的接触的能带图的示意图。c)介绍了在Al和n型c-Si之间有1 nm碳酸盐夹层的样品的一系列I-V测量。插图中包含了接触电阻率测试结构的示意图。d)显示接触电阻率ρc作为碳酸盐厚度的函数。

澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池

图3 a)显示具有全区后碳酸盐电子杂接触的硅太阳能器件原理图。b)提出在标准的一个太阳条件下测量的没有和具有约1nm碳酸盐夹层的电池的轻J-V行为。c)显示不同碳酸盐薄膜的详细电气参数(VOC,JSC,FF和PCE)。

澳大利亚国立大学AEM:石灰/晶硅异质结太阳能电池

图4 接触碳酸盐的光伏电池的热和湿度稳定性。将电气参数(VOC,JSC,FF和PCE)的相对变化绘制为退火温度和湿热测试时间的函数。

    对于任何新的接触形成技术,即使在实验室中取得成功,也必须要证明其太阳能电池器件的热稳定性和环境可靠性。为了研究这一点,一组具有约1纳米碳酸盐夹层的太阳能电池在250-500℃的不同温度下在形成气体中退火10分钟,而另一组在85℃和85%的相对湿度下进行标准的1000小时湿热试验。从图4a中可以看出,对于所有的碳酸盐,电池参数基本稳定在高达350℃,然后当退火温度进一步升高时开始退化。值得一提的是,我们在这里研究的六种碳酸盐之间没有观察到热稳定性的显着差异。相反,只有具有Cs2CxOy和BaCx Oy接触的太阳能电池在1000小时的湿热试验中存活,保持其初始性能的≥95%。这种行为可能与这两个金属离子具有这里探索的六个中最大的原子数的事实有关。

【总结与展望】

综上所述,此项工作创新的证明六种不同的碱金属和碱土金属碳酸钡作为硅太阳能电池的有效且稳定的电子接触,与直接在n-Si上的Al控制器件相比,可以显着提高性能。进一步表明,所有碳酸盐/铝接触的太阳能电池在高达350℃时都是热稳定的,并且两个碳酸盐/铝触点(Cs和Ba)在85℃通过标准的1000小时湿热试验和85%的相对湿度。这些材料的品种多样化,低温沉积以及简单而有效的电子接触结构为低成本硅太阳能电池设计和制造新型阴极提供了新的选择和方向。

Yimao Wan, James Bullock, Mark Hettick, Zhaoran Xu, Chris Samundsett, Di Yan, Jun Peng, Jichun Ye, Ali Javey, Andres Cuevas, Temperature and Humidity Stable Alkali/Alkaline‐Earth Metal Carbonates as Electron Heterocontacts for Silicon Photovoltaics, Adv. Energy Mater., DOI:10.1002/aenm.201800743

团队介绍

第一作者及通讯作者:Yimao Wan (万义茂)博士,2014年博士毕业于澳大利亚国立大学,攻读专业方向为高效晶硅光伏电池。目前荣获澳大利亚先进光电中心(ACAP)Fellowship,在澳大利亚国立大学从事博后研究员,领导高效晶硅电池的表面和接触钝化的科研小组。万博士拥有近十五年的半导体和光伏生产和科研经验,已在权威专业期刊发表60多篇论文。研究兴趣:1)纳米材料在高效晶硅太阳能电池的创新和应用,2)高效晶硅和钙钛矿叠层电池,以及3)基于高效晶硅电池的光解水和锂电池等储能应用。

官网:https://researchers.anu.edu.au/researchers/wan-y

(2)团队在该领域工作汇总

  • Wan, J. Bullock, Z. Xu, S. Essig, M. Hettick, H. Wang, W. Ji, M. Boccard, A. Cuevas, C. Ballif, and A. Javey, “Stable Dopant-Free Asymmetric Heterocontact Silicon Solar Cells with Efficiencies above 20%” ACS Energy Letter, 2018
  • Wan, S. Karuturi C. Samundsett, J. Bullock, M. Hettick, D. Yan, et al., ” Tantalum Oxide Electron-Selective Heterocontacts for Silicon Photovoltaics and Photoelectrochemical Water Reduction”, ACS Energy Letter, 2018
  • Wan, P-C. Hsiao, W. Zhang, A. Lennon, Y. Chen, et al., ” Laser-patterned n-type front-junction silicon solar cell with tantalum oxide/silicon nitride passivation and antireflection”, Rapid Research Letter Solar, 2018
  • Wan, C. Samundsett, J. Bullock, M. Hettick, T. Allen, D. Yan, et al., “Conductive and Stable Magnesium Oxide Electron-Selective Contacts for Efficient Silicon Solar Cells,” Advanced Energy Materials, pp. 1601863-n/a, 2017.
  • Wu, D. Yan, J. Peng, T. Duong, Y. Wan, P. Phang, H Shen, N Wu, C Barugkin, X Fu, S Surve, D Walter, T White, K Catchpole, K Weber “Monolithic perovskite/silicon-homojunction tandem solar cell with over 22% efficiency,” Energy & Environmental Science, 2017.

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参考文献:Adv. Energy Mater

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