10001549_以热丝法制备的氧化钼作为硅异质结太阳电池的空穴传输层

以热丝法制备的氧化钼作为硅异质结太阳电池的空穴传输层 李丰超 1，周玉荣 2，刘丰珍 1,2，沈荣宗 2，刘明 1 （1. 中国科学院大学 中丹学院，北京 101408；2. 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院， 北京 101408） 摘要：采用热丝氧化升华法制备了优质氧化钼薄膜，通过 SEM 观察了氧化钼的微观结构。研 究了氧化钼薄膜厚度对硅异质结太阳电池性能的影响，获得了光电转化效率为 21.1%的新型硅 异质结太阳电池。 关键词: 热丝氧化升华法；氧化钼；空穴选择传输层；异质结太阳电池； 通讯作者：周玉荣，光电子薄膜领域，zhouyurong@ucas.ac.cn ；刘丰珍，光电子薄膜领域， liufz@ucas.ac.cn。 1 研究背景 近年来，氧化钼作为载流子选择传输层 应用于硅异质结太阳电池的研究备受关注。 目前报道的氧化钼薄膜的制备方法有：热蒸 发 [1,2]，电子束蒸发 [3]，原子层沉积 [4,5]，溅射 [6]和溶液法 [7]等。然而，要实现高效氧化钼/ 晶硅异质结电池大规模推广，以上众多制备 技术往往难以满足低成本下获得优质氧化钼 薄膜的产业化需求。本文采用的热丝氧化升 华沉积技术，能够降低制备成本，同时获得 了光电性能优异的非晶氧化钼薄膜。并得到 光电转化效率为 21.1%的高效晶硅太阳电池。 2 热丝氧化升华沉积技术 热丝氧化升华沉积技术工艺原理示意图 如图 1 所示。在真空腔体中，氧气与高温钼 丝（温度范围为 600-1100℃）发生反应，在 钼丝表面生成氧化钼，氧化钼升华（氧化钼 升华点为 660℃） ，以分子团形式进入腔体， 扩散到衬底表面形成氧化钼薄膜。 图 1 热丝氧化升华沉积技术的原理示意图 3 结果和讨论 3.1 氧化钼薄膜的微观形貌 图 2 (a)沉积在抛光硅片衬底上的氧化钼 (25nm)的 SEM 俯视图；(b) 沉积在抛光硅片 衬底上的氧化钼(70 nm)的 SEM 剖面图； (c， d)沉积在织构硅片衬底上的氧化钼(70 nm)的 SEM 图。 图 2(a-d) 展示了氧化钼薄膜沉积在不同 晶硅衬底上的 SEM 图像。可见，热丝氧化升 华法能够获得结构致密的氧化钼薄膜，并能 够对抛光或织构等不同形貌的晶硅衬底实现 均匀覆盖。 3.2 氧化钼厚度对器件性能的影响 本文中所研究的新型硅异质结太阳电 池的结构为 Ag 栅线/ITO/n + a-Si:H/i a-Si:H/n c-Si/passivation layer/MoOx/Ag。我们在保持 相同的背场层结构和工艺的前提下，主要研 究了氧化钼薄膜对电池性能的影响。其中， 氧化钼薄膜的厚度对电池性能具有重要影响。 图 3 给出了不同氧化钼薄膜厚度（10 nm，14 nm， 29 nm，55 nm，71 nm）对太阳电池各 项性能的影响。随着氧化钼厚度从 10 nm 增 加到 71 nm，太阳电池各项指标都呈现出先 增加后减小的变化趋势。最优的氧化钼厚度 为 14 nm，在此厚度下，高功函数的氧化钼 薄膜既可促使晶硅表面建立有效的空间电荷 区，产生有效的能带弯曲，又避免了过厚的 氧化钼引起的额外的光生载流子的复合，此 时异质结太阳电池的光电转化效率达到 18.11%。 01023045067081561786468 702456345 637867086907 Ef (%)Thicknes ofMOx(nm) F (%) Rs() Jsc(mA/c 2) Voc(mV) 图 3 不同厚度氧化钼对器件各参数的影响 3.3 退火处理对器件性能的影响 退火是异质结电池中的常规工艺，可有 效提高器件的整体性能。图 4 是未退火和低 于 200 度下退火处理的太阳电池的光 J-V 曲 线的对比图。对器件进行退火后，器件的各 项性能得到进一步提升，最高效率的器件的 开路电压为 713 mV，短路电流密度为 37.5 mA/cm2，填充因子为 78.92%，光电转换效率 达到 21.1%。我们认为退火工艺对器件性能 改善的可能原因主要表现为两个方面：（1） 退火能够有效改善金属电极和透明电极的接 触，使器件的串联电阻减小，填充因子增加， 提高器件收集载流子的能力；（2）退火可能 使非晶硅钝化层中的存在氢通过扩散达到界 面处，进而提高界面的钝化效果，表现为器 件开路电压的提高。 0. 0.20.40.61020 3040 Curent dsity (mA/c2) Voltage(V) As-preadnlig 图 4 退火工艺对器件性能的影响 参考文献： [1] Battaglia, Corsin, et al. “Silicon heterojunction solar cell with passivated hole selective MoOx contact.“ Applied Physics Letters 104.11 (2014): 113902. [2] Geissbühler, Jonas, et al. “22.5% efficient silicon heterojunction solar cell with molybdenum oxide hole collector.“ Applied Physics Letters 107.8 (2015): 081601. [3] Sivakumar, R., et al. “Characterization on electron beam evaporated α-MoO3 thin films by the influence of substrate temperature.“ Current Applied Physics 7.1 (2007): 51-59. [4] Y.-C. Tseng, A.U. Mane, J.W. Elam, S.B. Darling, Ultrathin molybdenum oxide anode buffer layer for organic photovoltaic cells formed using atomic layer deposition, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 99 (2012) 235–239. [5] B. Macco, M. Vos, N. Thissen, A. Bol, W. Kessels, Low-temperature atomic layer deposition of MoOx for silicon heterojunction solar cells, Phys. Status Sol. (RRL)-Rapid Res. Lett. 9 (2015) 393–396 [6] S.H. Mohamed, S. Venkataraj, Thermal stability of amorphous molybdenum trioxide films prepared at different oxygen partial pressures by reactive DC magnetron sputtering, Vacuum 81 (2007) 636–643. [7]Tong, Jingnan, et al. “Solution-processed molybdenum oxide for hole-selective contacts on crystalline silicon solar cells.“ Applied Surface Science 423 (2017): 139-146.