李圣浩博士、洪瑞江教授， Joule：TCO free的高效硅异质结太阳电池- 大数跨境

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李圣浩博士、洪瑞江教授， Joule：TCO free的高效硅异质结太阳电池

科学材料站

2021-05-31

导读：本文采取了晶体硅体区来实现横向电流传导的设计，因此避免了SHJ太阳能电池正面的TCO层。

文章信息

TCO free的高效硅异质结太阳电池

第一作者：李圣浩

通讯作者：李圣浩*，洪瑞江*

单位：德国于利希研究中心，中山大学

研究背景

硅异质结(SHJ)太阳电池具有开路电压高和制备流程简洁等优势，是备受光伏产业青睐的一种高效太阳电池结构。为了在SHJ太阳电池的正表面收集光生电流，需要在SHJ太阳电池的正表面制备一层透明导电氧化物(TCO)薄膜作为窗口层。

当今SHJ太阳电池的TCO材料主要为掺锡氧化铟等铟基材料。然而，铟元素属于稀缺元素，价格昂贵且在供应端有较高风险，多年来一直被列为紧缺原材料。此外，TCO薄膜的光学透过并不完美，会在收集太阳光时产生光学寄生吸收，导致太阳电池的短路电流下降和效率损失。

文章简介

有鉴于此，德国于利希研究中心丁楷宁课题组的李圣浩博士和中山大学的洪瑞江教授合作，在国际知名期刊Joule上发表题为“Transparent-conductive-oxide-free front contacts for high-efficiency silicon heterojunction solar cells”的研究工作。

在该研究工作当中，采取了晶体硅体区来实现横向电流传导的设计，因此避免了SHJ太阳能电池正面的TCO层。没有TCO窗口层的SHJ太阳电池的串联电阻低至0.32 Ωcm2，转换效率在22%以上。

通过避免了铟的消耗和改善了SHJ太阳电池的光收集效率，这种TCO free的SHJ太阳能电池设计同时具有降低成本和提高效率的潜力，有望可以进一步促进硅光伏产业的发展。

本文要点

要点一：晶体硅体区的横向导电性

使用晶体硅体区来实现横向导电，需要对硅体区吸收层的横向导电性能进行研究。该研究工作使用了Quokka3加数值计算进行分析，发现当使用1.09 Ωcm、170 µm的晶体硅衬底时，其在AM1.5G的光照下的方块电阻约为46 Ω/sq，相当于性能非常优秀的TCO窗口层。

此外，模拟结果发现，当太阳电池从使用40 Ω/sq的TCO到TCO free，其串联电阻仅仅提高了0.04 Ωcm2，几乎在实验测量的误差范围之内。

要点二：金属栅线与非晶硅薄膜的直接接触

非晶硅作为形成异质结的材料，其材料结构比较疏松多孔。当前表面使用TCO窗口层材料时，金属栅线与TCO窗口层接触。当去除了TCO窗口层时，金属栅线与非晶硅薄膜形成直接接触，导致了太阳电池的钝化质量的下降。

在该研究工作中，使用了扫描透射电子显微镜（STEM）对金属与非晶硅的界面进行了表征，发现并没有形成界限分明的接触界面，而是有大量的金属原子扩散到非晶硅材料中。当金属原子穿过非晶硅薄膜到达晶体硅衬底，就会引起严重的Shockley-Read-Hall复合。

为了解决这个问题，研究人员在非晶硅表面制备了一层约1.6 nm的氧化硅薄膜，起到了阻挡金属扩散的效果。经过了这个工艺后的太阳电池开路电压提高了11 mV，转换效率达到22.3%。

要点三：TCO free的硅异质结太阳电池的潜力

由于避免了铟材料的使用，TCO free的SHJ太阳电池在成本上具有相对优势。如上所述，从TCO为40 Ω/sq转换到TCO free，SHJ太阳电池的串联电阻只有微量的提高（0.04 Ωcm2）。

另一方面，TCO free的结构由于避免了TCO的光学寄生吸收，其光收集效率有显著提高。在OPAL2 光学模拟和实验得到的SHJ太阳电池外量子效率的测试中都可以发现，TCO-free结构可以使光生电流密度提高约1 mA/cm2。另外，TCO-free可以适用于薄硅片上（30 µm），符合光伏产业的发展趋势。

本文链接

Transparent-conductive-oxide-free front contacts for high-efficiency silicon heterojunction solar cells

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00177-X

通讯作者介绍

李圣浩博士。

2012年本科毕业于中山大学物理学院，博士师从中山大学沈辉教授，随后在德国于利希研究中心丁楷宁课题组从事博士后研究工作。2021年加入暨南大学。长期从事高效晶体硅太阳电池的开发与研究。在Nature Energy, Joule, Progress in Photovoltaics, Applied Physics Letters, ACS Applied Materials & Interfaces等学术刊物上发表多篇研究论文。

洪瑞江教授。

中山大学物理学院教授，博士生导师。现任中山大学太阳能系统研究所常务副所长，广东省光伏技术重点实验室副主任。主要研究领域为：光伏物理、新能源材料、太阳电池技术。

课题组负责人介绍

丁楷宁博士。

2012年在德国亚琛工业大学获得博士学位（优等生），随后在德国于利希研究中心能源与气候研究所（IEK5）担任科研人员，2014年起在IEK5担任硅异质结材料和太阳能电池课题组的负责人，2020年至今担任硅异质结太阳能电池和组件部门的负责人。担任多项德国国家项目和国际项目的项目负责人，包括"PATOS"（与奥迪合作）、"TuKaN"、"TOUCH "和 "Street"（与StreetScooter合作）以及亥姆霍兹项目 "HEMF "和 "STEF2"。担任H2020欧盟项目 "NextBase "的总协调人，以及与中国的SIMIT、韩国的UNIST和澳大利亚的ANU合作的国际项目的项目负责人。