硅异质结(SHJ)太阳能电池优势:SHJ 太阳能电池因其优异的钝化性能、简化的工艺流程以及低降解特性,是实现工业化高效率光伏电池的理想选择。近年来,SHJ 电池已实现了硅基电池中最高的认证效率。
ITO 薄膜的重要性:ITO(铟锡氧化物)作为透明导电氧化物(TCO)广泛用于 SHJ 太阳能电池,主要功能包括:提高光透过率(可见光透过率接近 90%)。提供低电阻率(10⁻⁴ Ω·cm)。降低表面反射,保护硅基底。
挑战与研究动机:高功率溅射制备 ITO 可降低电阻率,但会对硅基底造成溅射损伤,降低开路电压(Voc)。提高氧浓度虽能优化光学特性,但可能导致电阻率增加。
本研究提出通过引入低功率、低氧浓度沉积的 ITO 缓冲层,结合外层高功率、高氧浓度 ITO 层,构建双层结构以优化 SHJ 电池的光学和电学性能。
二、研究思路
图1:SHJ太阳能电池的结构与制备流程
实验设计:使用厚度为 120 μm 的 n 型单晶硅片作为基底,依次进行以下步骤:
KOH 溶液制备硅片织构化表面。
通过 PECVD 技术沉积氢化非晶硅和纳米晶硅钝化层。
使用物理气相沉积(PVD)技术在硅片上沉积 ITO 薄膜。
缓冲层:低功率(9 kW)、低氧浓度。
外层:高功率(13 kW)、高氧浓度。
最终银电极通过丝网印刷和 200°C 退火制备。
图 1b 展示了 SHJ 电池的结构示意图。
ITO 层优化:通过调节氧浓度(2.0%~2.6%)和功率,制备 4 种不同双层 ITO 结构(S1-S4)。单层 ITO 作为对照组(BL)。
性能表征:使用 SEM、XRD、XPS、椭圆偏振仪和 Hall 测试仪表征 ITO 的表面形貌、晶体结构、化学状态、光学常数(折射率 n 和消光系数 k)、载流子浓度和电阻率。
测试光伏参数:短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和转换效率(PCE)。
三、结果与讨论
图2:ITO薄膜的表面形貌与晶体结构
1. 表面形貌与晶体结构
SEM 分析(图 2a-e):单层 ITO(BL)表面粗糙,由 50 nm 纳米颗粒聚集而成。双层 ITO(S1-S4)表面更加光滑,低功率缓冲层显著减少了粗糙度。随氧浓度增加(S1→S4),晶粒尺寸逐渐增大且更致密。
XRD 分析(图 2f):ITO (222) 晶面是主导衍射峰,氧浓度提高(S1→S4)时,(222) 峰强度先增加(S2 达到最大),后因 (400) 晶面生长而减弱。
结论:低功率缓冲层改善了薄膜的表面光滑性,而适量氧浓度优化了 ITO 的晶体结构。
2. 化学状态与载流子行为
图3:XPS分析的化学状态
XPS 分析(图 3):单层 ITO(BL)含有更多的化学吸附氧(OIII,531.6 eV),减少了自由载流子迁移。
双层 ITO(S1-S4)通过降低氧吸附显著增强了氧空位(OII,530.4 eV),提升了载流子生成。
Sn⁴⁺ 含量从 BL 的 3.67% 减少至 S4 的 0.77%,表明氧浓度调节有效抑制了过量 Sn 掺杂。
结论:缓冲层和氧浓度调节提高了氧空位和 In₂O₃ 含量,增强了电导性能。
3. 光学性能
厚度与光学常数(图 4a-b):双层 ITO 的厚度控制在 1.7 nm 内,与单层基本一致。S1 和 S2 的折射率(n)和消光系数(k)较低,表明反射和寄生吸收损失减少。
透过率(图 4c):在 500~1000 nm 波长范围,S1 和 S2 的透过率最高,分别为 89.02% 和 88.71%。
结论:双层结构降低了光学损失,S1 和 S2 性能最佳。
4. 电学性能
图5:ITO薄膜的电学性能
载流子浓度与迁移率(图 5a-b):S1 的载流子浓度提升至 3.01 × 10²⁰ cm⁻³,迁移率为 43.2 cm²/V·s,显著高于 BL。增加氧浓度(S3 和 S4)导致迁移率下降,因化学吸附氧增加增强了载流子散射。
电阻率与方块电阻(图 5c):电阻率从 BL 的 6.86 × 10⁻⁴ Ω·cm 降至 S2 的 4.87 × 10⁻⁴ Ω·cm。S2 的方块电阻降低到 46.1 Ω/sq,比 BL 降低 18.9%。
结论:低氧浓度缓冲层提高了载流子浓度与迁移率,显著降低电阻率和方块电阻。
5. 光伏性能
Jsc、Voc 和 FF(图 6):S2 的 Jsc 提升 0.08 mA/cm²,FF 增加 0.2%,PCE 提升 0.11%。S1 的 Voc 较 BL 略低(-0.7 mV),但 S2 调节氧浓度后恢复。漏电流(Rsh)随氧浓度增加而降低,减少了界面损耗。
EQE 和 IV 性能(图 7):S2 的 EQE 在 500~1000 nm 波长范围略高于 BL。平均转换效率为 25.36%,功率输出达到 4.85 W。
结论:双层 ITO 通过降低光学和电学损耗,显著提升 SHJ 电池效率。
四、研究结论
双层 ITO 结构优势:缓冲层优化了晶体生长和载流子行为;外层 ITO 提升了光学透过率和导电性。
光电性能优化:双层 ITO 提升 Jsc、FF 和 PCE,S2 样品效率达到 25.36%,相比单层提升 0.11%。
工业化潜力:双层 ITO 提供了一种低损伤、高效率的 SHJ 电池解决方案,为工业化高效光伏电池设计提供了新思路。