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劉文柱/劉正新Nature Energy，實(shí)現(xiàn)>25%的硅基太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率！

成果介紹

最近在非晶/晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦/SHJ串聯(lián)太陽(yáng)能電池中所取得的進(jìn)展，使得氫化非晶硅(a-Si:H)成為光伏轉(zhuǎn)化的研究前沿。由于非晶態(tài)四價(jià)硅中三價(jià)硼的有效摻雜效率極低，上述器件的集光性能受到其填充因子(FFs)的限制，即載流子輸運(yùn)的遷移率、壽命等受限。因此，開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)電性且FF損失最小的摻雜a-Si:H是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性但至關(guān)重要的工作。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉文柱、劉正新等人報(bào)道了光處理可以有效地提高摻硼a-Si:H薄膜(p-a-Si:H)的暗電導(dǎo)率。光誘導(dǎo)弱束縛氫原子發(fā)生擴(kuò)散和跳躍，從而激活硼摻雜。這種效應(yīng)是可逆的，當(dāng)太陽(yáng)能電池不再被照明時(shí)，暗電導(dǎo)率會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。通過(guò)將此效應(yīng)應(yīng)用于SHJ太陽(yáng)能電池，可在244.63 cm²的晶片上實(shí)現(xiàn)了25.18%的總面積功率轉(zhuǎn)換效率，F(xiàn)F為85.42%。

相關(guān)工作以Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells為題在Nature Energy上發(fā)表論文。

圖文詳情

劉文柱/劉正新Nature Energy，實(shí)現(xiàn)>25%的硅基太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率！

圖1. 光誘導(dǎo)的暗電導(dǎo)率增加

使用原位方法監(jiān)測(cè)光照期間p-a-Si:H薄膜的時(shí)間依賴(lài)性變化。由原位電流-電壓數(shù)據(jù)(圖1a)可知，p-a-Si:H薄膜的σ_dark在1次太陽(yáng)光照時(shí)穩(wěn)步增加，30 min后達(dá)到σ_dark/σ_dark0≈4.71 (σ_dark0為光處理前的暗電導(dǎo)率)。這一現(xiàn)象與在厚的固有的、p型和n型a-Si:H薄膜中觀察到的σ_dark的光致降解形成了鮮明的對(duì)比。關(guān)閉光照后，σ_dark在1000 min以上逐漸衰減(接近)到初始值。

圖2. 光致暗電導(dǎo)率增加和硼摻雜活化的機(jī)理

通過(guò)飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)研究了p-a-Si:H薄膜中的氫分布。H?光譜(圖2a)顯示，180°C退火30 min后，本征a-Si:H (i-a-Si:H)中的氫含量?jī)H略有變化，而同一退火過(guò)程中p-a-Si:H中至少有21.3%的氫含量被排除。基于這些發(fā)現(xiàn)，作者得出結(jié)論，硼摻雜對(duì)p-a-Si:H中亞穩(wěn)氫構(gòu)型的形成起著至關(guān)重要的作用。

接下來(lái)考慮氫原子的遷移能壘，以了解上述亞穩(wěn)態(tài)氫原子可能的結(jié)合構(gòu)型。過(guò)渡態(tài)測(cè)量(圖2b、c)證明，氫從B-H-Si和Si-H-Si到相鄰Si-H-Si的躍遷勢(shì)壘分別為0.88±0.16 eV(圖2b中A到B)和0.64±0.16 eV(圖2b中B到c)；相反，氫從Si-H-Si到Si-H-Si和B-H-Si的跳躍勢(shì)壘分別為0.42±0.12 eV(圖2b中C到B)和0.61±0.15 eV(圖2b中B到A)?？紤]圖2c中的勢(shì)壘(A與C的能量差為~0.46 eV)和Si-H-Si中氫的結(jié)合能(0.5 ~ 1.05 eV)，B-H-Si中捕獲的氫的結(jié)合能約為0.96~1.51 eV，明顯低于Si-H鍵的結(jié)合能(>3 eV)，這也解釋了為什么p-a-Si:H中存在比i-a-Si:H更多的亞穩(wěn)態(tài)氫構(gòu)型。

圖3. p-a-Si:H中弱束縛氫原子的直接證據(jù)和對(duì)光誘導(dǎo)暗電導(dǎo)率增加的影響

接下來(lái)，將p-a-Si:H中的弱鍵氫原子與正常的Si-H鍵區(qū)分開(kāi)來(lái)，以理解光誘導(dǎo)暗電導(dǎo)率增加的機(jī)制。圖3a顯示了用于TOF-SIMS、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和電流-電壓表征的p-a-Si:H薄膜的制備。在p-a-Si:H上封裝一層IWO層是為了模擬SHJ太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)影響退火過(guò)程中氫原子的再分布動(dòng)力學(xué)。TOF-SIMS信號(hào)(圖3b)發(fā)現(xiàn)180°C退火2 h后，p-a-Si:H薄膜中的氫含量降低了>20%，而硅和硼的含量(幾乎)保持不變。相反，從圖3c可以看出，經(jīng)過(guò)相同的退火工藝后，正常Si-H鍵的搖擺、彎曲和拉伸強(qiáng)度(幾乎)保持不變。比較氫原子的TOF-SIMS信號(hào)和Si – H鍵的FTIR光譜清楚地表明，相對(duì)較低的溫度(180°C)退火僅從p-a-Si:H膜中排斥弱束縛的氫原子，而正常的Si-H鍵幾乎不受影響。

在圖3d中顯示了p-a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)隨180°C退火時(shí)間的變化，σ_dark/σ_dark0在延長(zhǎng)的退火過(guò)程中，由于弱束縛氫原子的耗盡，σ_dark逐漸下降到~1。這明確地證明了光誘導(dǎo)的暗電導(dǎo)率的增加和硼摻雜活化確實(shí)來(lái)自于p-a-Si:H中弱結(jié)合的氫原子，而不是正常的Si-H鍵。

圖4. 提高光致暗電導(dǎo)率和硼摻雜活化以改善SHJ太陽(yáng)能電池性能

圖5. 光致暗電導(dǎo)率增加和硼摻雜活化的可逆行為

文獻(xiàn)信息

Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells，Nature Energy，2022.

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01018-5

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