光伏(PV)技术被认为是实现环境可持续性的关键方法之一。作为占主导地位的PV技术，晶体硅(c-Si)太阳能电池的主要发展目标是提高功率转换效率(PCE)并降低成本。一种公认的有效方法是发展钝化接触技术，该技术结合了薄钝化层和选择性传输层在c-Si表面实现有效的载流子分离和收集。然而，目前主流高效电池存在严重的光寄生吸收损失，限制了太阳能电池的短路电流密度(JSC)。同时依赖于昂贵设备，并涉及有毒易燃气体，如磷化氢和硅烷等。因此，为了进一步提高c-Si太阳能电池的PCE，降低制造成本，必须不断开发替代载流子选择性输运材料。
本文探讨了使用掺硼氧化锌（ZnO:B）薄膜作为电子选择性接触（ESC）材料在n型c-Si太阳能电池中的效果。研究人员首先对ZnO:B薄膜的性质进行了深入研究，发现其具有良好的电子传输性能和表面钝化水平，对提高太阳电池效率至关重要。此外，ZnO:B薄膜还具有优异的热稳定性和光学性能，为太阳电池的长期稳定性和可靠性提供了保障。结合全面积ZnO:B电子选择性接触薄膜和薄的SiOx钝化层的n型太阳电池实现超过22.0%的能量转换效率（PCE），为设计高性能和稳定的ESC提供了有效途径。
研究人员通过X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）等表征技术，分析了ZnO:B薄膜与SiOx钝化层和LiFx/Al电极之间的界面形貌和结构。结果显示，ZnO:B薄膜与SiOx钝化层之间形成了较好的界面匹配和化学稳定性，有利于电子的传输和空穴阻挡层的形成。XPS能谱显示B掺杂可以促进氧空位的生成，有效改善ZnO:B薄膜的电学性质。B掺杂后，ZnO薄膜的功函数从4.15 eV降低到3.82 eV，另外ZnO:B覆盖区域与裸露的n-Si表面之间的表面电势差相较于ZnO更大，这对于在c-Si表面实现较低的接触电阻至关重要，表明ZnO:B薄膜具有更低的功函数，即能够更好的诱导n-Si能带向下弯曲，富集电子，具有更好的电子选择性传输能力，提高电子的提取效率。同时，ZnO:B薄膜的费米能级移动到了导带内，表明B掺杂增强了ZnO薄膜的载流子传输性能。由于B掺杂引起的Burstein-Moss效应和束缚激子效应导致的ZnO:B的吸收边发生了蓝移，表明ZnO:B薄膜在短波长范围内的光吸收性能优于ZnO薄膜。
在实验中，研究人员制备了不同结构的太阳电池，并对其性能进行了详细表征和分析。结果显示，使用ZnO:B薄膜作为ESC材料可以显著提高太阳电池的光电转换效率。与直接使用LiFx/Al或ZnO:B/LiFx/Al接触相比，使用SiOx/ZnO:B/LiF x/Al作为后侧接触的太阳电池具有更好的热稳定性、更高的钝化水平，在长波长范围内显示出显著增强的外量子效率，减少了载流子的复合损失并增强了背面的电子选择性收集能力，大幅提高太阳电池性能。
另外，本文还讨论ZnO:B薄膜的制备方法和优化策略。研究人员采用原子层沉积（ALD）技术制备ZnO:B薄膜，并通过调节沉积温度、时间和前驱体浓度等参数来优化薄膜的性能。实验结果表明，适当的沉积温度和时间可以提高薄膜的结晶度和致密性，从而改善其电子传输性能。通过掺杂浓度优化ZnO:B薄膜的电子传输性能和光电性能。调节掺杂浓度可以改善ZnO:B薄膜的导电性能，使其电阻率降低到约3.0 mΩ·cm2，而未掺杂的ZnO薄膜的电阻率约为40.0 mΩ·cm2。因此，通过合理控制掺杂浓度，可以优化ZnO:B薄膜的电子传输性能，提高太阳电池的效率。
综上所述，研究人员已经证明SiOx/ZnO:B接触可以作为电子选择性钝化接触c-Si太阳电池的结构。通过ALD工艺将B成功掺杂到ZnO薄膜中，显著改善了薄膜的电学性能和能带结构。得益于接触电阻率的显著降低和表面钝化的改提升，利用后部的全面积SiOx/ZnO:B/LiFx/Al电子选择性钝化接触，n型c-Si太阳电池实现了超过22.0%的PCE，为实现具有金属氧化物载流子选择性钝化接触结构的高效稳定的c-Si太阳电池提供了一种有效和直接的方法。
论文信息：
Boron-Doped Zinc Oxide Electron-Selective Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells with Efficiency over 22.0%
Zheng Li, Anzhi Xie, Qingxian Nong, Yiwei Sun, Haihuai Cai, Zhexi Chen, Jian He*, Pingqi Gao*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400168
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