金属氧化物作为载流子选择性传输层的硅基异质结太阳能电池的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xmblyy
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常规掺杂型晶体硅太阳能电池是当前多种太阳能电池中光电转换效率最高,技术最为成熟,应用最为广泛的一种。然而,重掺杂区域的复合以及金属接触区域的复合仍限制了电池效率的进一步提升。目前,金属氧化物作为载流子选择性传输层的异质结太阳能电池因其具有无掺杂造成的俄歇复合损失、避免金属与硅的直接接触并且简化电池结构和制备工艺流程的优点,成为解决方案,具有独特的研究前景。但氧化物材料受环境及制备工艺影响大,严重影响器件效率。针对上述问题,本文从此类载流子选择性传输材料入手,探究其影响因素及其界面效应,并对材料性能进行深入优化,研究其对器件光电性能的影响,制备高效异质结太阳能电池。论文的主要工作包括:(1)使用电子束蒸发工艺制备三氧化钼(MoOx)薄膜,通过工艺优化,在n-Si表面获得高钝化效果与低接触电阻率,并在硅表面实现强反型。结合透明导电电极氧化铟锡(ITO)实现高效载流子收集,在无电池正面界面钝化与电池背面优化的基础上,电池开路电压(Voc)高达580 mV,电池效率高达12.8%,证明了电子束蒸发工艺制备氧化物薄膜的高性能。优化氧化钼与ITO的厚度实现最优减反从而提高了短路电流,同时ITO的保护使电池在常温下经过20天仍保持Voc不变。此外,为验证不同O/Mo原子比的影响,通过电子束蒸发工艺制备了二氧化钼薄膜,并制备异质结太阳能电池,并与三氧化钼薄膜及其电池进行对比,二氧化钼薄膜导电性高、仍可诱导能带弯曲,电池Voc高达570 mV,二氧化钼异质结电池也可以实现高效率电池。(2)在三氧化钼薄膜作为空穴传输层的基础上,通过电子束蒸发工艺优化制备电子传输层氧化镁(MgOx),将MoOx和MgOx薄膜分别沉积至硅基衬底的正面与背面,制备了非对称载流子选择性非掺杂结构。基于接触电阻与钝化效果以及电池效率方面优化,1.5 nm MgOx薄膜厚度为最优厚度。外量子效率测试(EQE),电容-电压(C-V),紫外光电子谱(UPS)、扫描开尔文探针显微镜(SKPM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试也验证了MgOx薄膜在降低势垒和抑制载流子在Si/Al界面复合的作用。最终Ag/ITO/MoOx/n-Si/MgOx/Al结构平板异质结太阳能电池效率达到14.2%,这种低温、非掺杂工艺验证了高效低成本光电器件的可能性。(3)针对多数蒸镀工艺制备的载流子选择性材料钝化效果差这一问题,我们发现将电子束蒸发工艺的MgOx薄膜通过低温后退火工艺(空气中200℃)以及铝激活氢钝化实现对硅表面优良的钝化效果。后处理工艺使表面复合速率(SRV)降低至14.9 cm/s。表征结果证明Si-O-Mg键以及H钝化是高钝化的主要原因。此外,制备了类钝化发射极及背接触(PERC)结构,这个结构以10 nm MgOx薄膜作为钝化层,1 nm MgOx薄膜作为选择性电子传输层,而实现较高的电池效率。非掺杂聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)发射极作为正面结构来验证这种背面电子选择性接触结构。这种在1-3Ω·cm硅基体实现的类PERC结构的太阳能电池效率达到15.5%,Voc高达623 mV,比参比太阳能电池器件(n-Si/Al背结构)效率高27%,Voc提升51 mV。这种提升MgOx薄膜钝化效果以及新型的背面钝化接触结构证明了使用蒸镀工艺制备氧化物电子选择性钝化接触高效硅基太阳能电池的可能性。
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