硅异质结太阳能电池的双层n型纳米晶氧化硅窗口层

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Double layer n-type nanocrystalline silicon oxide window layers for silicon heterojunction solar cells

　　

摘要

前接触的寄生吸收和传输损耗仍然是硅异质结（SHJ）太阳能电池的关键限制因素。本文通过调节等离子体增强化学气相沉积过程中磷化氢（PH₃）、二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）的流量，控制了n型氢化纳米晶氧化硅（n-nc-SiO_x: H）薄膜的性质。随后，采用单层n-nc-SiO_x: H作为SHJ太阳能电池的窗口层，实现了21.37%的效率。虽然增加H₂流量可以改进n-nc-SiO_x: H的透光率和电导率，但也会导致基底严重等离子体损伤，从而降低开路电压。为了克服这种权衡，开发了一种双层窗口层n₁-nc-SiO_x: H/n₂-nc-SiO_x: H。内层n₁层保护n-nc-Si: H种子层和钝化层，而外层n₂层提供更低折射率和更高电导率。这种堆叠结构改善了光学耦合和载流子传输。与单层参考器件相比，双层SHJ电池的0.75 cm²效率从21.37%提高至22.04%，并且将210 mm × 105 mm工业级电池的效率从25.78%进一步提升至26.20%。

引言

由于本征氢化非晶硅（i-a-Si: H）薄膜带来的优异化学钝化效果，硅异质结（SHJ）太阳能电池因其潜在的高功率转换效率（PCE）而引起了全球研究关注[1]。在典型SHJ器件中，本征和掺杂a-Si层通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积在c-Si晶圆两侧，形成i/n和i/p堆叠结构，从而实现超过750 mV的高开路电压（V_OC）[1]。近年来，SHJ太阳能电池的PCE记录达到26.81%（由隆基公司实现）[2]，接近晶体硅太阳能电池的理论极限[3]。然而，与同型结太阳能电池相比，SHJ太阳能电池前表面的（i/n）a-Si: H和氧化铟锡（ITO）在太阳光谱短波范围引入了显著的寄生吸收，导致较低的短路电流密度（J_SC）[[4], [5], [6]]。此外，透明导电氧化物（TCO，n = 2.0）、a-Si: H（n = 4.0）与晶体硅（n = 3.8）之间的折射率（n）失配进一步增加了前表面反射[7]。

为减少寄生吸收，具有宽禁带、可调节折射率和足够电学性能的氢化纳米晶氧化硅（nc-SiO_x: H）薄膜已被研究用作SHJ太阳能电池的前窗口层[8]。先前的研究阐明了其微观结构和工艺依赖性：Richter等人通过原子探针断层扫描探索了不同掺杂类型nc-SiO_x: H薄膜在亚纳米尺度上的详细微观结构，并首次可视化了nc-Si网络的三维排列[9]。从结构角度来看，氢化纳米晶硅（nc-Si: H）嵌入在氢化非晶氧化硅（a-SiO_x: H）和a-Si: H的基体中，构成了nc-SiO_x: H材料[10]。Mazzarella等人强调了非氧化物种子层在促进结晶中的作用[8]。Lei等人证明高掺杂的n-nc-Si: H种子层可以增加氢化纳米晶氧化硅（n-μc-SiO_x: H）薄膜的结晶体积分数（F_C）[11]。在器件尺度上，Yu等人利用高频等离子体增强化学气相沉积（HF-PECVD）系统沉积的高均匀性nc-SiO_x: H（兼具优异电子选择性和低寄生吸收），该系统经过设计以最小化驻波效应，展示了认证PCE为26.41%和短路电流密度（J_SC）为40.80 mA/cm²的M6尺寸双面SHJ太阳能电池[12]。尽管取得了这些进展，SHJ太阳能电池J_SC的进一步提升仍然受到前表面光学损耗的限制。依次沉积的i-a-Si: H、n-nc-SiO_X: H和TCO层对于钝化、载流子选择性和电荷传输是必不可少的。但它们也造成了寄生吸收和表面反射。因此，抑制前接触堆叠中的光学损耗对于增强SHJ太阳能电池的光电流产生至关重要。

本工作中，系统研究了PH₃、CO₂和H₂流量对n-nc-SiO_x: H薄膜生长行为和光电学性质的影响。不同于依赖单层n-nc-SiO_x: H，提出了一种双层窗口层n₁-nc-SiO_x: H/n₂-nc-SiO_x: H来同时改善光学耦合并抑制等离子体引起的钝化损伤。在此构型中，n₁层作为损伤缓解缓冲层紧邻钝化堆叠，而n₂层则有助于与ITO和载流子选择层实现折射率匹配。该设计将背面结SHJ太阳能电池的PCE从21.37%提高至22.04%，主要通过增强J_SC和填充系数实现。该策略的有效性在210 mm × 105 mm工业级SHJ太阳能电池中得到了进一步验证，PCE从25.78%提高至26.20%。

章节摘要

材料制备与表征

硅薄膜采用射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）系统制备。n-nc-SiO_X: H、n-nc-Si: H和i-a-Si: H薄膜沉积在Eagle XG玻璃基底上，所有样品厚度均维持在40 nm。表1总结了这些硅薄膜的沉积参数。通过在沉积过程中改变PH₃、CO₂和H₂的流量，调节了薄膜的光电性质。采用…记录薄膜的拉曼光谱

结果与讨论

为了研究n-nc-SiO_x: H薄膜的光电性质，通过PECVD技术在不同工艺条件下沉积了一系列样品。如图2(a)所示，在保持CO₂/SiH₄流量比（R_CO2/SiH4）为30%的同时，研究了PH₃/SiH₄流量比（R_PH3/SiH4）对F_C和暗电导率（σ_Dark）的影响。当R_PH3/SiH4从0.25%增加到0.5%时，F_C增加，表明适量的磷恰好促进硅结晶[13]。

结论

本工作中，研究了不同PH₃和CO₂流量对n-nc-SiO_x: H的F_C和σ_Dark的影响。虽然高H₂有利于实现高σ_Dark和透光率，但它引起了严重的等离子体损伤，从而限制了具有单层n-nc-SiO_x: H窗口层的SHJ太阳能电池的性能。为了解决这一限制，引入了双层n-nc-SiO_x: H窗口结构。n₁层保护钝化层免受等离子体损伤，而n₂层改进了载流子

CRediT作者贡献声明

Chen Guanlan（陈冠岚）：概念设计、数据整理、形式分析、调查、方法论、验证、可视化、撰写——原始稿、撰写——审阅与编辑。Yu Cao（余超）：形式分析、资源、监督、验证。Wang Xuejiao（王雪娇）：数据整理、形式分析、方法论、资源、验证、撰写——审阅与编辑。Liu Ying（刘颖）：形式分析、方法论、验证、撰写——审阅与编辑。Wang Guangyi（王广义）：数据整理、形式分析、调查、撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（项目编号：2022YFB4200102）、国家自然科学基金委员会联合基金（项目编号：U21A2072）、中国高等教育学科创新海外人才引进项目（项目编号：B16027）、天津市自然科学基金项目（编号：21JCYBJC00270）、天津市科技计划项目（项目编号：25ZXZSSS00300）以及项目的资助

陈冠岚|余超|王雪娇|刘颖|王广义|何晨然|彭震威|严雨|王继磊|鲍少娟|许圣之|陈新亮|邹巧娇|张启星|张小丹

南开大学光电薄膜器件与技术研究所，可再生能源转换与存储中心，天津，300350，中国