10001583_新型空穴选择性接触材料CuS在硅基太阳电池中的应用

新型空穴选择性接触材料 CuS 在硅基太阳电池中的应用 谢琦 1, 吴伟梁 2, 林文杰 1, 邱开富 1, 蔡伦 1, 孟蓝翔 1, 姚志荣 1, 梁宗存 1, 沈辉 1 （1.中山大学，太阳能系统研究所，广州，510004 2.江苏润阳悦达光伏科技有限公司，盐城，224000） 摘要本文通过低温、免掺杂的方法制备了高电导特性的 CuS 新型空穴选择性接触材料，研 究了薄膜在室温及不同退火温度下的光学和电学性质，在 200℃退火温度下，电学性能最优， 分别为 43.9  /□的低方阻，载流子浓度 1.181022 cm-3，迁移率 47.6 cm2/Vs。并将 CuS 薄膜应 用在 PERC 电池背面，首次制备便达到了 20.58的效率，展现出了器件在填充上的优势。 关键词硫化铜；选择性接触；PERC 太阳电池；低温；免掺杂 1. 研究背景与内容 早期的常规太阳电池采用全铝背场（Al-BSF） ，是指在晶体硅太阳电池的整个背面通过丝 网印刷铝浆，后经过高温烧结的方式，形成全铝背场接触。但其背面钝化效果差，界面复合严 重，长波段光谱响应较差，导致了电池的开路电压比较小，短路电流提升遇到瓶颈，效率很难 达到 21以上，且铝背场形成工艺需要经过高温烧结，能源消耗大。由此，基于载流子选择性 接触理论的低温、免掺杂 DASH[1]（Dopant free asymmetric heterocontact）太阳电池被提出，首 次报道便取得了 19.42的效率，现如今 James Bullock 等人将效率提高到了 20.7[2]。此种理论 要求 （1）钝化界面钝化通过减少界面缺陷态，降低复合。场钝化通过诱导能带弯曲，形成单 一载流子富集，进而降低复合； （2）低接触电阻载流子能够到达金属与半导体接触面而无较大的欧姆损失。 因此选择性接触材料的接触复合越小，接触电阻越小，载流子的选择性越强。载流子选择性接 触理论为我们选择新型接触材料提供了理论方向。 在 DASH 太阳电池中，是利用功函数的差异来实现载流子选择性输运。近年来，过渡金属 氧化物如 MoO3，WO 3，V 2O5， CrO3，NiO 等，由于其功函数高，能够诱导形成反型层被应用 在 n 型太阳电池当中作为空穴选择性接触材料。受此启发，本文研究了 （1）通过低温、免掺杂的方式来制备新型空穴选择性接触材料 CuS，并对薄膜在不同退火 温度下的电学和光学性质进行了表征分析； （2）将 CuS 应用在 PERC 电池背面，并对器件性能进行了初步的探究。 2. 研究结果与讨论 2.1 CuS 薄膜的制备及退火温度对薄膜电学性质的影响 薄膜制备采用热蒸发设备，CuS 粉末药品纯度为 99.999 ，蒸镀之前真空度抽至 110-3 Pa，蒸镀速率 1/s。图 1 是通过热蒸发沉积 130 nm 厚的 CuS 薄膜，然后分别在室温、100℃、 150℃、200℃、250℃、300℃氮气气氛中退火处理 30 分钟所制备 CuS 薄膜的电学性质图，所 用测试设备为 hall 测试仪。由图 1a可以看出随着退火温度的升高，方阻呈现出先减少后增大 的趋势，150℃退火与 200℃退火的薄膜方阻差异不大，200℃时达到最小值 43.9  /□。由图 1b、c可以看到，载流子浓度和迁移率的变化趋势一致，均随着退火温度的升高，先增加后 减小，在 200℃时达到最大，载流子浓度为 1.181022 cm-3，迁移率为 47.6 cm2/Vs。综合薄膜的 方阻、载流子浓度、迁移率，可以看出，在 200℃退火时，薄膜的电学性能最佳，有利于载流 子的输运，降低薄膜的接触电阻率。 图 1 不同退火温度下 CuS 薄膜的（a ）方块电阻（b）载流子浓度（c）载流子迁移率 2.2 不同退火温度对 CuS 薄膜的光学性质的影响 图 2 （a）不同退火温度下 CuS 薄膜的透过率（b）CuS 薄膜的 nk 值 采用 UV/Vis/NIR Spectrophotometer 对 CuS 薄膜进行了光学透过率分析，样品在玻璃衬底 上制备。图 2（a）显示不同退火温度下薄膜的透过率，可以看出，随着退火温度的升高，在短 波段光谱出现了明显的“蓝移”现象。在近红外波段，其透过率变化规律与退火温度成正相关。 但总体上看，全光谱范围内平均透过率均较低，在可见光范围透过率低于 50，这与制备的 CuS 薄膜太厚有一定的关系。由图 2（b）CuS 薄膜的 nk 值可以看到，在近红外波段其消光系 数 k 大于 0.1，说明 CuS 薄膜的近红外波段寄生吸收较大，在器件上应用时会影响电池的短路 电流。 利用公式 [3] 𝛼1𝑑𝐿𝑛1𝑇𝐴ℎ𝑣‒𝐸𝑔1/2ℎ𝑣 式中 a 为吸收系数，d 为薄膜厚度，h 为普朗克常数，v 为真空下的光速，Eg 为光学带隙， A 为常数。作 ahv 2-hv 曲线，即可得到薄膜的光学带隙。如图 3 显示，随着退火温度的升高， CuS 薄膜的光学带隙从 2.38 eV 升高到 2.5 eV，但总体 CuS 光学带隙较小。结合图 2 的透过率 曲线和 nk 曲线可以看出，在大于 500 nm 的可见波段，CuS 的透过率低，短波段和近红外波段 寄生吸收严重。因此，热蒸发法制备的 CuS 薄膜，相比于 CuS/Si 前结电池，更适合用于作电 池的背场材料。 图 3 不同退火温度下 CuS 薄膜的光学带隙 Eg 2.3 CuS 薄膜在 PERC 电池上的应用 图 4（a）器件结构图 （b）J-V 图 将 CuS 薄膜应用在 PERC 电池上进行了初步探索，器件结构图如图 4（a）所示。图 4（b）为器件 J-V 曲线。首次制备便取得了 20.58的效率，相较于金属与 Si 片直接接触的电 池，填充提高了 1.84，开压几乎不变，说明 CuS 薄膜的插入，能够有效的改善载流子的选择 性输运，减小金属与硅片接触处的接触电阻，从而使得填充有一定的提高。短路电流密度略有 下降，这是因为 CuS 薄膜作为背反射器，近红外波段寄生吸收较大。和产业 PERC 电池铝背场 相比，开压低了 20-30 mV，这是因为激光切片导致边缘复合增加，且清洗工艺还不达标，在器 件制备过程中引入了脏污，金属与硅片接触区域复合严重。我们认为，经过后续工艺优化，器 件性能将进一步提高。 3. 结论 本文首先探究了 CuS 薄膜在不同退火温度下的电学性质和光学性质，相较于室温制备，在 200℃退火温度下，电学性能最优异。随着退火温度的增加，薄膜光谱发生蓝移，带隙变大，在 短波段和近红外波段薄膜透过率提高，由于其全波段光谱透过率不高，短波段和近红外波段寄 生吸收严重，表明 CuS 不适合用作电池窗口层。另外，本文将低温制备、免掺杂的 CuS 薄膜应 用在 PERC 电池上进行了初步探索，首次制备我们便取得了 20.58的效率，与金属和硅片直接 接触的电池相比，填充提高了 1.84，为 79.06。 参考文献 [1] Bullock J, Hettick M, Geissbhler J, et al. Efficient silicon solar cells with dopant-free asymmetric heterocontacts[J], Nature Energy, 2016, 1 15031. [2]Bullock J, Wan Y, Xu Z, et al. Stable dopant-free asymmetric heterocontact silicon solar cells with efficiencies above 20[J], ACS Energy Letters, 2018. [3]Chelvanathan P, Yusoff Y, Haque F, et al. Growth and characterization of RF-sputtered ZnS thin film deposited at various substrate temperatures for photovoltaic application[J], Applied Surface Science, 2015, 334 138-144. 基金项目国家高技术研究发展计划（863 计划）资助2015AA050303 通讯作者简介 沈辉，教授，研究方向为高效晶硅太阳电池、太阳电池器件模拟、异质结太阳电池、纳米太阳电池。 电子信箱shenhui1956163.com 通讯地址广东省广州市番禺区中山大学（东校区）工学院 C-501