1. 研究背景
在晶体硅太阳能电池中，孔传输终端（hole transport terminal）仍然面临效率与稳定性的权衡。为了提高太阳能电池的效率并降低成本，开发无掺杂的钝化接触（dopant-free passivating contact，DFPC）成为重要的研究方向。传统的钝化接触技术，如硅异质结（SHJ）和隧道氧化钝化接触（TOPCon）太阳能电池，虽已取得显著进展，但仍然面临稳定性和界面缺陷密度（Dit）等挑战。
本文提出了一种堆叠的H-Al2O3/NiOx/Ni孔传输层结构，其中H-Al2O3（富氢铝氧化物）能够有效减少界面缺陷，而NiOx（氧化镍）则提供较低的接触电阻。该结构在降低接触电阻和提高光电转换效率方面展现了良好的性能和稳定性。
2. 研究思路
2.1 钝化接触设计
研究者提出使用H-Al2O3/NiOx/Ni堆叠结构来提高孔传输效率。H-Al2O3作为钝化层能够有效减少界面缺陷，增强了孔的选择性传输。NiOx作为一个高工作函数的材料，可以进一步降低接触电阻。Ni金属与NiOx的结合，有助于提供良好的电导性和稳定性，从而优化太阳能电池的性能。
2.2 实验方法
通过原子层沉积（ALD）技术将Al2O3、HfO2和SiO2薄膜沉积在p型硅（p-Si）基片上。这些薄膜作为钝化层能够减少界面处的表面重组并提高整体太阳能电池的性能。随后，研究团队测试了不同厚度的NiOx薄膜，并分析了其在p-Si/NiOx界面上的钝化效果。
3. 结果与讨论
3.1 薄膜生长与特性表征
研究首先通过X射线反射（XRR）测量了不同薄膜（Al2O3、HfO2、SiO2）的厚度与表面粗糙度。结果显示，Al2O3薄膜的厚度为9.80 nm，HfO2为10.31 nm，SiO2为9.62 nm，表面粗糙度分别为0.63 nm、0.52 nm和0.44 nm。此外，通过原子力显微镜（AFM）对薄膜表面形貌进行分析，进一步验证了这些薄膜的钝化性能。
3.2 𝜏eff与Δn的关系
对于不同钝化层（Al2O3、HfO2和SiO2），测试结果显示，Al2O3薄膜的有效载流子寿命（𝜏eff）在1 × 10^15 cm−3的载流子浓度下达到了88.45 μs，优于HfO2和SiO2薄膜（分别为63.94 μs和较差的数值）。这一结果表明，Al2O3在钝化作用方面优于其他材料。
3.3 J-V特性与性能优化
研究进一步优化了p-Si/NiOx接触的性能，并测试了不同NiOx厚度对太阳能电池效率的影响。实验结果表明，使用3 nm厚的NiOx层时，太阳能电池的效率最高，达到了17.26%。随着Al2O3和HfO2钝化层的引入，电池的效率明显提高，最大效率达到了20.51%。通过对比不同钝化层的电流-电压（J-V）特性，研究发现Al2O3和HfO2薄膜有助于提高开路电压（Voc）和填充因子（FF）。
3.4 界面工程与稳定性
通过X射线光电子能谱（XPS）分析，研究了H-Al2O3对NiOx层的影响。结果表明，H-Al2O3层有效地防止了金属Ni的形成，从而减少了NiOx界面的重组中心。此外，采用H-Al2O3的结构相较于仅使用Al2O3的结构，在提高有效寿命（𝜏eff）和开路电压（Voc）方面表现出了更好的性能。
3.5 长期稳定性
长达30天的稳定性测试表明，使用H-Al2O3/NiOx/Ni结构的太阳能电池在空气中暴露后仍能保持超过97%的初始效率。这证明了该结构在长期稳定性方面的优越性，特别是在抗氧化和界面稳定性方面。
4. 研究结论
本研究提出了使用H-Al2O3/NiOx/Ni堆叠结构来优化p型晶体硅太阳能电池的孔传输性能。通过在p-Si与NiOx界面引入H-Al2O3钝化层，不仅有效减少了界面缺陷，还增强了太阳能电池的光电转换效率。该结构在获得20.51%的效率的同时，还展现了出色的长期稳定性，能够在30天的环境暴露后保持高效能。
研究的成果为无掺杂钝化接触太阳能电池提供了新的思路，特别是在提高效率和稳定性方面，展示了NiOx作为孔选择性传输层的巨大潜力。
图1：X射线反射（XRR）数据和拟合曲线
图1a展示了通过X射线反射（XRR）技术获得的Al2O3、HfO2和SiO2薄膜的厚度测量数据（蓝色线）及其拟合曲线（橙色线）。结果显示，Al2O3、HfO2和SiO2薄膜的厚度分别为9.80 nm、10.31 nm和9.62 nm，且与椭圆偏振仪（Ellipsometry）测量结果一致。
图2：J-V参数统计
图2展示了不同ALD周期（100周期）下，Al2O3、HfO2和SiO2薄膜对p-Si/NiOx异质接触太阳能电池的影响。图中的数据用箱线图表示，其中箱体表示25%和75%的数据，箱线内的点表示数据的均值。通过这些图示，可以看到不同薄膜在提高开路电压（Voc）和填充因子（FF）方面的表现，Al2O3薄膜的表现最为优越。
图3：X射线光电子能谱（XPS）分析
图3a展示了p-Si/NiOx和p-Si/H-Al2O3/NiOx的XPS Ni 2p核心能谱。通过XPS分析，可以看到在p-Si/NiOx中，Ni 2p3/2和Ni 2p1/2的峰值分别出现在853.2 eV和870.4 eV，指示存在金属Ni，而在p-Si/H-Al2O3/NiOx中，Ni 2p3/2的峰值位置向855.7 eV偏移，表明NiOx的存在，且金属Ni的信号几乎消失。
图3b进一步显示了在加入H-Al2O3钝化层后，Ni 2p谱线发生了变化，表明H-Al2O3有效地防止了Ni的形成，减小了界面上的金属Ni污染。
图4：带隙弯曲与电流-电压（I-V）特性
图4a展示了在p-Si/Al2O3/NiOx和p-Si/H-Al2O3/NiOx接触界面上，使用不同工作函数的金属接触材料对带隙弯曲的影响。使用Ni电极时，由于其较高的工作函数（WF=5.1 eV），它能够在p-Si表面引发向上的带隙弯曲，从而有效促进孔的传输。
图4b和图4c展示了p-Si/Al2O3/NiOx/Ni/Ag和p-Si/H-Al2O3/NiOx/Ni/Ag结构下的电流-电压（I-V）特性。这些图显示了接触电阻的变化与电极直径的关系，结果表明在H-Al2O3钝化层的作用下，接触电阻显著降低。
图4d则显示了不同接触垫直径下，总电阻（Rtotal）与1/d的关系，进一步证实了H-Al2O3钝化层和Ni电极对减少接触电阻的作用。
图5：太阳能电池性能与长期稳定性
图5a为p-Si太阳能电池的示意图，展示了带有H-Al2O3/NiOx背接触结构的电池设计。图5b展示了此配置的J-V特性曲线，表明使用H-Al2O3/NiOx的太阳能电池比传统的NiOx配置具有更高的效率（PCE达到19.16%）。
图5c展示了该配置的外量子效率（EQE）曲线，表明电池在800-1100 nm范围内的响应良好。图5d则展示了在30天的环境暴露后，p-Si/H-Al2O3/NiOx/Ni/Ag太阳能电池的光伏参数（Jsc、Voc、FF和PCE）保持稳定，PCE仍然保持在19.79%以上，验证了该配置的长期稳定性。
