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氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

非掺杂异质结太阳电池由于制备方法简单而成为当今的研究热点,但是同时取得较好的界面钝化和较低的接触电阻是具有挑战性的。传统的非晶硅和氧化钛在中等掺杂的硅片上虽然可以取得较好的界面钝化(少子寿面达到几个毫秒),但是一般情况下,接触电阻也会随之增加,此外,这些高质量的钝化膜仍然需要使用昂贵的仪器(PECVD或ALD)。因此开发一种更加简单的接触钝化膜对于实现高效的非掺杂异质结太阳电池具有重要意义。最近,中科院宁波材料所叶继春团队通过氧化硅和低功函金属的叠层接触设计不仅实现了中等的钝化(>200us),界面的接触电阻也取得较低值(35mΩ/cm2),展现出了较好的电子选择性传输性能。该文章发表在国际顶级期刊Nano Energy上(影响因子:12.323)。

在合适的氧化硅厚度和较低金属功函数的条件下,与中等掺杂的硅形成类似MIS(金属/介质层/半导体)结构,这种结构不仅可以消除金属和半导体的费米能级钉扎效应,界面形成的势垒也有利于电池的传输,如图1所示。以Al(功函数:4.28 eV)和Mg(功函数: 3.7 eV) 为例,实验对比了两种金属和氧化硅叠层的钝化效果,如图2所示。Mg的样品少子寿命可以达到211 us,iVoc为661mV,远大于Al的13.8us和564mV。通过理论模拟得到:低功函的金属对缺陷态密度有较大的容忍度,如图2a所示。在接触方面,Mg的样品也展示出较低的接触电阻(35 mΩ/cm2)相比于Al的76 mΩ/cm2较大改善,如图3所示。此外,通过综合考虑接触和钝化的性能,引入了参数S10,并预测这种电子性传输层的效率极限(即不考虑正面的接触和复合损耗)。如图4所示,对比其他电子选择性传输层的设计,得出:氧化硅/低功函的设计不但具有中等的钝化而且具有较低的接触性能,对于取得高效的非掺杂异质结电池具有重要的应用价值

氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

图1. 不同接触情况下的能带结构示意图。

氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

2.a-b)不同厚度和不同界面缺陷对钝化性能影响,(c)少子寿命测试,(d)不同光强下的钝化测试。

氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

图3.接触性能测试和理论推导。(a-b)背面分别为Al和Mg金属的I-V曲线,(c)测试的接触电阻曲线,(d)不同厚度下的接触电阻推导曲线。

氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

图4.不同功函数的S10和极限效率预测。

氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的设计原理及其在异质结电池中的运用

图5. 正面MoOx空穴选择性传输层,背面氧化硅/低功函金属电子选择性传输层的性能参数,(a)I-V曲线,(b)EQE曲线,(c)功函数与氧化硅厚度对效率影响,(d)电池参数对比。

随后,结合这种电子选择性传输层与正面为MoOx的空穴传输层,得到全-非掺杂的异质结太阳电池,如图5a所示。并通过优化氧化硅的厚度和金属功函数来筛选电池最佳效率,得到:1)金属功函数较高(>4.1 eV),氧化硅的厚度对电池效率影响较大,并且电池效率整体较低;2)金属功函数较低(<4 eV),器件对氧化硅厚度容忍度提升,并且电池整体效率较高

材料制备过程

基于270um的N型硅片(电阻率1-3 Ωcm),首先是进行标准的RCA清洗,HF处理,然后在氮气的环境下4分钟(90°C)形成一层较薄的氧化硅层。紧接着在退火炉中700°C下30分钟,形成高质量的氧化硅薄膜。最后用热蒸镀形成5nm的Mg和400nm的Al双层覆盖层。

Zhenhai Yang, Pingqi Gao, Jiang Sheng, Hui Tong, Cheng Quan, Xi Yang, Kuan W. A. Chee, Baojie Yan, Yuheng ZengJichun Ye, Principles of Dopant-Free Electron-Selective Contacts Based on Tunnel Oxide/Low Work-Function Metal Stacks and Their Applications in Heterojunction Solar Cells, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.01.043

 

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