原子层沉积制备TiO₂电子传输层用于高性能硅异质结太阳能电池
文摘
2024-09-12 14:00
印度尼西亚
研究背景
该文章的研究重点是开发基于硅/化合物异质结（SCH）太阳能电池，特别是包含二氧化钛（TiO₂）电子传输层（ETL）的电池。传统的晶体硅异质结（HJT）太阳能电池使用掺杂的氢化硅已取得了高效率，但在生产过程中面临寄生吸收和环境问题。为了应对这些挑战，研究探索了使用金属氧化物（如TiO₂）作为硅异质结太阳能电池中无掺杂的载流子传输层的潜力。研究的主要目标是提高效率，同时减少对环境的影响。研究方法
该研究的方法涉及在p型和n型晶体硅（c-Si）衬底上制造太阳能电池，使用包括原子层沉积（ALD）TiO₂和低功函数金属作为背电极的结构。实验步骤包括对衬底进行表面清洁和预处理，接着在硅片的两侧沉积7 nm的本征氢化非晶硅（a-Si(i)）钝化层，7 nm的微晶硅层作为空穴传输层，掺铈和氢的氧化铟作为透明导电层。然后，在150°C下使用ALD技术沉积4-6 nm厚的TiO₂ ETL，最后应用金属电极。电池性能通过紫外光电子能谱（UPS）、X射线光电子能谱（XPS）以及光/暗电流密度-电压（J-V）测试进行分析。研究内容
文章的研究内容主要集中在使用二氧化钛（TiO₂）作为电子传输层（ETL）来提高硅基异质结太阳能电池的效率。具体内容包括以下几个方面：- TiO₂ 作为电子传输层的应用：通过原子层沉积（ALD）技术在p型和n型晶体硅衬底上沉积TiO₂，研究其作为电子传输层的有效性。研究表明，TiO₂ 具有较小的导带偏移和较大的价带偏移，使电子能够顺利通过，同时阻挡空穴，从而提高电池性能。
- 不同厚度 TiO₂ 层的影响：实验中制备了不同厚度的TiO₂层，发现随着TiO₂层厚度从0增加到6.4 nm，开路电压（Voc）从674.1 mV增加到702.9 mV，但填充因子（FF）略有下降。这表明TiO₂层厚度对设备性能有显著影响，且过厚会增加接触电阻，导致填充因子下降。
- 背电极材料的选择：研究了不同低功函数金属作为背电极的效果，包括镁/铝（Mg/Al）和钙/铝（Ca/Al）。结果表明，使用Mg/Al作为背电极能够有效提高开路电压和减少复合损失，而Ca/Al的效果不佳，主要是由于Ca的化学活性较高，导致器件性能下降。
- 光学损失分析：研究通过模拟和实验测量了电池中光学损失的来源，特别是在长波长区域的寄生吸收。发现正面反射和ITO、a-Si(p+)、a-Si(i)等材料的寄生吸收是主要的损失来源。缺少背反射器导致光在长波长区域的损失更加严重。
- p型硅表面反转层的形成与作用：在p型硅基异质结太阳能电池中，TiO₂作为发射极，形成了强烈的反转层。这种反转层有助于光生载流子的分离，减少复合，从而提高开路电压和整体性能。
图文解析
图1：SCH太阳能电池结构图
该图展示了基于p型或n型晶体硅（c-Si）衬底的硅/化合物异质结（SCH）太阳能电池的结构。图中，电子选择性传输层（发射极或背场层）由a-Si(i)/TiO₂/金属接触组成。通过展示电池的层状结构，图1清晰地展示了各个材料层的排列及其作用，帮助理解TiO₂电子传输层在太阳能电池中的具体位置及功能。图2：p型SCH太阳能电池的光j-v曲线
图2(a)：比较了使用不同背电极或ETL的p型硅太阳能电池的光电流-电压（J-V）曲线。通过这幅图可以看到，使用TiO₂/Mg/Al ETL的电池表现出更高的开路电压（Voc），与不含TiO₂的设备相比，Voc从674.1 mV提高到了701.4 mV。这说明TiO₂层在提高Voc方面起到了积极作用。此外，图中还显示了Al、Mg/Al和Ca/Al背电极对器件性能的影响，结果表明Ca/Al的化学活性较高，导致器件性能快速下降。
图2(b)：随着TiO₂层厚度的增加，p型硅太阳能电池的光伏性能变化。随着TiO₂厚度从0增加到6.4 nm，开路电压从674.1 mV增加到702.9 mV，显示出TiO₂层对提高开路电压的积极影响。然而，随着厚度增加，填充因子（FF）有所下降，从81.4%下降到72.6%，说明过厚的TiO₂层增加了接触电阻。
图3：XPS谱图及TiO₂/Mg和TiO₂/a-Si界面化学态分析
图3通过X射线光电子能谱（XPS）研究了TiO₂、TiO₂/Mg界面和TiO₂/a-Si界面的化学态。图3(d)和(e)分别显示了ALD沉积的TiO₂的O 1s和Ti 2p谱图，结果表明TiO₂层具有理想的化学计量比。图3(f)和(g)展示了TiO₂/Mg界面的O 1s和Ti 2p谱图，揭示了氧从TiO₂扩散到Mg的现象，这可能导致界面处的电荷不平衡和接触电阻增加。而图3(h)中的TiO₂/a-Si界面显示出少量Si-O键的存在，表明该界面主要在ALD沉积过程中形成。图4：光学损失模拟与实验测量
图4(a)通过模拟和实验测量展示了SCH太阳能电池中各个层的光学损失。该图通过比较模拟的反射和吸收数据以及实验的外部量子效率（EQE）曲线，揭示了当前设备的光学损失主要来自前表面反射和背电极的寄生吸收，特别是在长波长区域。图4(b)展示了通过将Mg/Al背电极替换为ITO/Ag背电极，模拟显示电池的短路电流密度（Jsc）从37.1 mA/cm²增加到38.97 mA/cm²，这为降低光学损失提供了一个可能的改进方向。图5：TiO₂与不同金属堆叠的UPS能带结构
图5展示了TiO₂/Al、TiO₂/Mg与TiO₂本身的紫外光电子能谱（UPS）结果。该图通过比较不同材料的次级电子截止区和费米边缘，显示了TiO₂与不同金属的功函数变化情况。结果表明，与TiO₂相比，TiO₂/Al和TiO₂/Mg的功函数分别降低了0.11 eV和0.25 eV，这反映了低功函数金属对增强电子选择性的作用。图6：Mott-Schottky分析结果
图6展示了不同TiO₂厚度下p型硅太阳能电池的Mott-Schottky曲线（C⁻² vs. V）。通过该图可以看出，随着TiO₂厚度增加，内建电势（Vbi）增加，最高达到743 mV，这与TiO₂层的厚度呈现正相关。这表明TiO₂的厚度对器件的界面质量有一定影响，且厚度的增加改善了界面钝化效果。图7：温度依赖的暗态J-V特性
图7(a)展示了在240K到340K的温度范围内，p型硅太阳能电池的暗态J-V曲线。曲线拟合结果表明，随着温度降低，设备表现出典型的pn结或肖特基结特性。图7(b)通过ln(J01)~(1/kT)曲线拟合，得出了激活能（EA）为1.15 eV，这与晶体硅的带隙相符，表明该设备的少数载流子扩散机制。图8：p型硅/a-Si(i)/TiO₂/Mg/Al异质结的能带结构
图8展示了p型硅/a-Si(i)/TiO₂/Mg/Al异质结的能带结构图。该图显示了在该结构中，由于TiO₂的宽带隙特性，产生了较大的价带偏移（ΔEv），这阻碍了空穴的传输，并有利于电子的选择性传输。同时，TiO₂层在p型硅表面形成了强反转层，进一步提高了该异质结的开路电压和电子选择性。研究结论
研究得出结论，使用ALD沉积的TiO₂薄膜可以作为p型SCH太阳能电池中的高效电子传输层，且能实现高开路电压。研究表明，通过优化TiO₂层的厚度以及选择合适的背电极，可以提高p型和n型硅太阳能电池的效率。进一步优化背部配置，尤其是减少寄生吸收，将有助于进一步提升设备的效率。原文链接：Jiacheng Shang, Yurong Zhou, Hui Yan, Fanying Meng, Dongming Zhao, Haiwei Huang, Zhidan Hao, Yuqin Zhou, Fengzhen Liu. Atom layer deposited TiO₂ electron transport layer for silicon heterojunction solar cells to achieve high performance. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2024, 278: 113155. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113155.声明：本公众号旨在分享和学习晶体硅太阳电池技术的研究进展，如涉及版权问题，请联系删除。转载、合作或文章问题等请后台联系小编。感谢各位关注！
