10001551_溶液法ZnO作为硅太阳电池电子选择传输层的研究

溶液法 ZnO作为硅太阳电池电子选择传输层的研究 丁江楠 1，周玉荣 1，刘明 2，刘丰珍 12 (1 中国科学院大学 材料学院，北京 100049；2 中国科学院大学 中丹学院，北京 100049) 摘要：本文在织构的硅异质结太阳电池背光面，通过溶液法制备ZnO或ZnO:Al作为硅异质结 (SHJ)太阳电池的电子选择传输层。研究了 ZnO前驱体溶液浓度、掺杂量对太阳电池性能的影响， 实现了18.46%的效率和672mV的开路电压。除了电子选择传输功能外，本征 ZnO还具有一定的 钝化能力。具有ZnO/ZnO:Al 双层结构的 SHJ太阳电池的开路电压达到645mV。 关键字：硅异质结太阳电池；电子选择传输层；氧化锌；钝化 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 利用氧化物半导体代替硅异质结太阳电 池的载流子选择传输层越来越受到关注 [1-3]。 瑞士洛桑联邦理工学院 [4]利用氧化钼做空穴 传输层，硅异质结太阳电池上获得了 22.5% 的效率。澳大利亚国立大学的 Xinbo Yang[5, 6] 等人利用原子层沉积(ALD) 二氧化钛作为硅 异质结太阳电池的电子选择传输层(ESTL)， 获得了 650mV 的开路电压和 21.6%的光电转 换效率。本文通过采用成本较低、较简便 的溶液法制备了氧化锌薄膜作为电子选择 传输层，制备了硅异质结太阳电池。 2 实验 本文通过旋涂乙酸锌(ZAD)的醇(DME) 溶 液制备氧化锌前驱膜，在空气中 200 摄氏度 退火 30min 获得氧化锌薄膜。 太阳电池使用 N 型 CZ 织构硅片做衬底， 正面利用等离子增强化学气相沉积制备 P 型 非晶硅膜作为发射极，并沉积透明导电膜和 栅线。背面用非晶硅钝化后，制备氧化锌电 子选择传输层。 3 结果和讨论 3.1 氧化锌薄膜的覆盖情况 旋涂在织构衬底上的氧化锌薄膜如图 1 所示，从能量散射谱（EDS）中可以看出旋 涂法制备的 ZnO 薄膜能够完全覆盖金字塔。 3.2 ZnO与c-Si 之间的界面特性 以溶液法制备的氧化锌作为电子选择传 输层，比较了几种不同钝化层对太阳电池性 能的影响，结果如图 2 所示。从图 2 可以看 出，与参考电池相比，具有 ZnO 层的太阳电 池具有较高的开路电压，说明 ZnO 能够有效 分离电子和空穴，起到了选择电子的作用。 非晶硅钝化效果最佳，溶液法制备的本征 ZnO 对晶硅也具有一定的钝化作用。 (a) (b) (c) 图1 ZnO覆盖的金字塔Si表面的SEM俯视图和EDS图；(a) ZnO覆盖的金字塔Si表面的SEM 图；(b)和 (c)分别为相应的 Si和Zn的EDS元素映射图。 图2 具有ZnO电子选择传输层和不同钝化层 的硅异质结太阳电池光J-V特性曲线。其中 SiOx/-电池为参考电池，没有电子选择传输层。 3.3 薄膜厚度对电池性能的影响 通过改变氧化锌前驱体溶液的浓度，获 得不同厚度的氧化锌膜，用于电池结果如图 3 所示。可以看到随着前驱体浓度的降低， 电池性能显著提高。尤其是填充因子，得到 了较大的提升。在浓度为 ZAD:DME=1(g): 60(ml)时，电池效率达到 18.46%，开路电压 达到 672mV。 图3 具有不同前驱体浓度的掺铝氧化锌电子 选择传输层的太阳电池光J–V曲线。 3.4 ZnO 钝化层对太阳电池性能的影响 直接在 N 型单晶硅衬底的背面制备双层 氧化锌（ZnO/ZnO:Al ）薄膜，具备该背场层 的太阳电池 J-V 曲线如图 4 所示；同时还制 备了只有 ZnO:Al 电子传输层的参考电池。 从图 4 中可以看出，双层氧化锌薄膜作为背 场层的太阳电池具有更大的开路电压(645mV)， 说明本征 ZnO 薄膜具有一定的钝化作用。 图4 以ZnO/ZnO:Al和ZnO:Al 作为背场层的 太阳电池光J-V特性曲线。 4 结论 本文在织构的硅衬底上通过溶液法制 备 ZnO 作为电子选择传输层，电池开路电 压达到 672mV，效率达到 18.46%；同时发 现本征 ZnO 具有一定的钝化作用。表明 ZnO 在制备高效率、低成本硅太阳电池中 的潜力。我们的研究结果为开发高效、低 成本的硅太阳能电池提供了一种可能的途 径。 参考文献 [1] Moldovan A, Feldmann F, Zimmer M, et al. Tunnel oxide passivated carrier-selective contacts based on ultra-thin SiO2 layers[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 142: 123-127. [2] Battaglia C, De Nicolas S M, De Wolf S, et al. Silicon heterojunction solar cell with passivated hole selective MoOx contact[J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(11): 113902. [3] Bullock, James, et al. Efficient silicon solar cells with dopant-free asymmetric heterocontacts[J] Nature Energy 1.3 (2016): 15031. [4] Geissbühler, Jonas, et al. “22.5% efficient silicon heterojunction solar cell with molybdenum oxide hole collector.“ Applied Physics Letters 107.8 (2015): 081601. [5] Yang, Xinbo, et al. “Silicon heterojunction solar cells with electron selective TiOx contact.“ Solar Energy Materials and Solar Cells 150 (2016): 32-38. [6] Yang, Xinbo, et al. “High‐Performance TiO2‐Based Electron‐Selective Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells.“ Advanced Materials 28.28 (2016): 5891-5897.