10001620_平面硅异质结太阳电池的a-SiOxH a-SiH钝化性能调控

平面硅异质结太阳电池的 a-SiOx:H/a-Si:H 钝化性能调控 陈俊帆，延玲玲，赵生盛，徐玉增，任慧志，张德坤，魏长春，张晓丹，侯国付，赵颖 (南开大学 光电子薄膜器件与技术研究所，天津 300071) 摘要：平面硅异质结太阳电池对于平面钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池至关重要。本文首先通过 辉光功率、沉积时间、反应压强与掺入氧含量来调控 a-SiOx:H 的钝化性能。然后将最佳钝化的 a-SiOx:H 应用于三组不同类型的掺杂层的平面硅异质结太阳电池中，并调控 a-SiOx:H/a-Si:H 叠 钝化层的沉积时间，旨在提高平面硅异质结太阳电池的性能。最后研究表明，辉光功率为 3W、沉积时间 40s、反应压强为 1.2Torr，掺入氧含量 Xo≈0.17 时，对应的 a-SiOx:H 能够获得 最佳的钝化性能，且应用于复合掺杂层的电池中取得最佳效率。而沉积时间为 35s 的 a-SiOx:H/ a-Si:H 叠钝化层的电池能够取得更高的短路电流密度和开路电压，这也为进一步改善平面钙钛 矿/硅异质结叠层太阳电池性能提供了一种选择。 关键词：平面硅异质结太阳电池；掺杂层；a-SiO x:H/a-Si:H；钝化性能 1. 研究背景与内容 太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽 度值高的光子。硅异质结太阳电池光吸收波段主要集中在 600～1200nm，而钙钛矿叠层太阳电 池主要集中在 300～800nm，那么钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构能够充分利用两者的吸收 波段，拓宽了太阳光谱的吸收 [1]。钙钛矿太阳电池多采用旋涂工艺，平面硅异质结太阳电池的 平面恰好适合。平面硅异质结太阳电池可以作为硅/钙钛矿叠层中的底电池，良好的异质结界面 特性是获得高效硅异质结太阳电池的关键，而硅片钝化层的效果与异质结界面特性密切相关。 a-SiOx:H 具有较宽的光学带隙且抑制外延生长，以 a-SiOx/a-Si:H 作为钝化层可应用于平面硅异 质结太阳电池并取得高 Voc[2]。本文提出以 a-SiOx:H/a-Si:H 作为钝化层可以进一步提高平面硅 异质结太阳电池的性能,旨在改善平面钙钛矿/硅硅异质结叠层太阳电池的性能。本文主要研究 内容： （1）通过辉光功率、沉积时间、反应压强与掺入氧含量来调控 a-SiOx:H，进而调整其钝 化性能，结合三组不同掺杂层，旨在获得一个较高的平面硅异质结太阳电池效率。 （2）基于 a-SiOx:H 的最佳工艺条件，调整 a-SiOx:H/a-Si:H 的沉积时间，获得更加优异的 钝化层，从而达到最佳的平面硅异质结太阳电池。 2. 研究结果与讨论 2.1 硅氧钝化的调控 图 1 (a)不同反应压强下 a-SiOx:H 钝化材料对应的少子寿命与 iVoc；（b）不同辉光功率下 a-SiOx:H 钝化 材料对应的少子寿命 图 1（a）中 a-SiOx:H 材料沉积所需的气体 SiH4、H 2、CO 2 分别为 20sccm、100sccm、4sccm (Xo= ≈0.17),辉光功率都是 8—3W,沉积时间为 5min,电)()(42SiHCOV 极间距为 20mm,反应衬底温度大约 160℃。从图 1（a ）可知，当反应压强为 1.2Torr 时，辉光 稳定，沉积的 a-SiOx:H 薄膜微结构较好，可以获得更高的少子寿命 (2593.68μs）与 iVoc(709mV), 进而获得更好的钝化效果。由图 2（b）所示，当辉光功率由 8W→3W 时，辉光更为稳定且成 膜性能较佳，可以获少子寿命为 2438.6μs，进而取得更好的钝化性能。 2.2 以 a-SiOx:H 为钝化层应用于三组不同掺杂层中的平面硅异质结太阳电池性能比较 图 2 以 a-SiOx:H 为钝化层，不同掺杂层对应的平面硅异质结太阳电池性能：（a）少子寿命与 iVoc，（ b）J-V 与 Sun-Voc 曲线，（c）EQE 曲线 如图 2（a）、（b）、（c ）所示，a-SiOx:H 钝化层沉积 40s，大约 3nm，不同掺杂层对应的 平面硅异质结太阳电池的电学与光学性能。其中复合掺杂层（nc-SiOx:H+nc-Si:H 结构）对应的 电池能够获得一个更好的钝化效果（少子寿命为 2168.03μs,iVoc=707mV），进而取得一个最佳 的平面硅异质结太阳电池（Voc=680.5mV，Jsc=35.73mA/cm2, FF=74.63%,Eff=18.15%)。综上所 述：复合掺杂层，都是以氢稀释（RH）含量高的 nc-Si:H 为缓冲层，一方面，高氢含量可以弥 补 a-SiOx:H 薄膜的钝化缺陷，进而改善开路电压；另一方面，可以降低 i/p、i/n 界面态密度， 使得带隙匹配更加合适，便于载流子的输运，从而进一步改善填充因子与短路电流。 2.3 a-SiOx:H/a-Si:H 钝化层对平面异质结电池的影响 图 3 不同厚度的 a-SiOx:H 与 a-Si:H 组成的叠钝化层对应的平面硅异质结太阳电池的性能：（a）少子寿 命与 iVoc 关系，（ b）电学性能参数（Voc、Jsc、FF、EFF） 图 3 为通过改变 a-SiOx:H 与 a-Si:H 各自的沉积时间组成的叠钝化层从而获得最佳性能的平 面硅异质结太阳电池，其中 a-Si:H 的辉光功率为 4→3W，反应压强为 1.0Torr,混合气体为 H2:SiH4= 100sccm:20sccm。由图 3（a ）所示，当 a-SiOx:H 与 a-Si:H 沉积时间分别为 25s、15s 时，可获得最佳的电池的少子寿命（2997.66μs )与 iVoc（723mV ），但是在图 3（b）中对应的 电池性能不佳。主要体现在 FF 与 Jsc 上，钝化层过厚，导致寄生吸收严重，光生载流子迁移较 弱，界面态密度偏高。结合图 3（a）和（b）可知，a-SiOx:H 与 a-Si:H 沉积时间分别为 20s、15s 且总时间为 35s 时,对应的电池性能最佳 （Voc=681mV,Jsc=36.30mA/cm 2,FF=68.89%,EFF=17.03%)，短路电流得到了极大改善，这可能 与 a-SiOx:H/a-Si:H 吸收层形成了一定的梯度折射率有关。 3. 结论 本文通过调控 a-SiOx:H 的辉光功率、沉积时间、反应压强、掺入氧含量获得具有更加优异 钝化效果的钝化层，当沉积功率为 8→3W,沉积时间为 40s，反应压强为 1.2Torr，掺入氧含量 Xo=0.17 时，沉积 5min 后获得少子寿命与 iVoc 分别为 2593.68μs、709mV，应用于复合掺杂层 （nc-Si:H+ nc-SiOx:H）的平面硅异质结太阳电池中获得最佳效率为 18.15%。此外，结合此 a- SiOx:H 钝化条件，以 a-SiOx:H/a-Si:H 为钝化层沉积时间为 35s 时，能够获得一个最佳的电池效 率(17.03%)，其中短路电流密度高达为 36.30mA/cm2。以 a-SiOx:H/a-Si:H 为钝化层的平面硅异 质结太阳电池在进一步提高平面钙钛矿/硅异质结太阳电池的短路电流与 Voc 具有更重要的意义。 参考文献 [1] Filipič M, Löper P, Niesen B, et al. CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite/silicon tandem solar cells: characterization based optical simulations[J]. Optics express, 2015, 23(7): A263-A278. [2] Zhang H, Nakada K, Miyajima S, et al. High‐performance a‐Si1–xOx:H/c‐Si heterojunction solar cells realized by the a‐Si:H/a‐Si1–xOx:H stack buffer layer[J]. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters, 2015, 9(4):225–229. 作者简介： 姓名：侯国付 主要研究方向：新型材料的高效硅异质结太阳电池研究 电话：13312083663，Email:gfhou@nankai.edu.cn 通讯地址：天津市卫津路 94 号南开大学伯苓楼光电子薄膜器件与技术研究所 邮政编码：300071