【导师解析】上交沈文忠教授, 中山大学高平奇教授 Nano Energy：免掺杂叉指式背接触硅太阳电池的边缘效应- 大数跨境

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【导师解析】上交沈文忠教授, 中山大学高平奇教授 Nano Energy：免掺杂叉指式背接触硅太阳电池的边缘效应

科学材料站

2020-05-16

导读：本文明确地指出了边缘复合位置并量化了复合损耗，结合光伏特性、暗态和光电流—电压（IV）曲线、局域光照的IV曲线等表征手段，详细比较了采用硬掩模法和光刻法所制备的IBC电池性能。

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上海交通大学，中山大学

导读

免掺杂异质结通过简单的硬掩模处理为具有叉指式背接触（IBC）的高效硅太阳电池打开新的研究方向。然而，在空穴传输层和电子传输层之间存在不可避免的重叠区域，会引起边缘漏电和复合，这会极大地降低电池的转换效率。

基于以上现状，上海交通大学沈文忠团队与中山大学高平奇团队合作在国际知名期刊Nano Energy 上发表题为“Edge effect in silicon solar cells with dopant-free interdigitated back-contacts”的论文。林豪为本文第一作者。

导师解读

边缘效应是硅基高效电池中的关键性影响因素，尤其是在正负电极周期分布的叉指式背接触（IBC）电池中。本文系统地研究了免掺杂异质结IBC电池中的边缘效应，包括定量分析边缘复合的新方法、光态和暗态条件下边缘复合的差异性，以及其影响电池效率的规律等。本文将有助于加深对免掺杂异质结IBC电池中不同类型边缘效应的理解，并更好地测试和评估其对电池光伏性能的影响，为进一步研究高品质异质结以及提升免掺杂异质结IBC电池效率提供参考。

具体地说，本文明确地指出了边缘复合位置并量化了复合损耗，结合光伏特性、暗态和光电流—电压（IV）曲线、局域光照的IV曲线等表征手段，详细比较了采用硬掩模法和光刻法所制备的IBC电池性能。在没有界面钝化层的情况下，通过硬掩模法制造的太阳电池会发生严重的边缘复合，复合电流为3×10-4 A，并且填充因子（FF）相当差，约为66％。这表明除串联电阻外，边缘复合是另一个影响FF的重要因素。通过清楚了解边缘效应，并仔细调控边缘区的质量，最终通过光刻法或硬掩模法均制得效率超过20％，FF超过73％的免硅掺杂异质结太阳电池。

关键词

太阳电池；硅异质结；叉指式背接触；载流子选择接触；免掺杂；边缘复合

背景简介

1. 叉指式背接触硅异质结太阳能电池的研究现状和缺陷

迄今为止，单结晶硅（c-Si）太阳电池的转换效率（PCE）记录已经达到26.7％。该器件将叉指式背接触（IBC）结构与掺杂/本征非晶硅（a-Si:H）的异质结相结合，称为IBC-硅异质结（IBC-SHJ）太阳电池。

IBC结构因为将正、负电极均放在太阳电池的背面，所以完全消除了电极遮阴损失，同时减少了由前置掺杂非晶硅层所引起的寄生吸收损耗，从而可获得极高的短路电流密度（Jsc）；SHJ结构，由于在掺杂非晶硅和晶体硅之间加入了本征非晶硅层，实现了高效钝化的选择性接触，使得电池可以获得较高的开路电压（VOC）。但是，由于受制于复杂的制造工艺和巨大的设备投资，目前IBC-SHJ的研究依旧处于实验室阶段。

缺乏有效且低成本的图形化方法制备叉指状的正负电极是其主要限制因素，特别是制备过程中，包括a-Si:H沉积和随后制备叉指电极，均高度依赖于昂贵的设备和工艺，包括化学气相沉积、光刻、干法蚀刻等。

2. 免掺杂异质结在IBC-SHJ电池中的应用

在这种情况下，因为免掺杂异质结可以通过简单的方法制备（例如蒸发和旋涂），从而成为又一热门话题。免掺杂异质结的形成取决于功能材料本身的功函数，因此不需要额外的掺杂。该技术是传统掺杂的a-Si:H更具成本效益的替代方案。载流子传输层可根据载流子的类型分为空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）。

到目前为止，最成功的HTL材料之一是过渡金属氧化物（TMO），包括氧化钼（MoOx），氧化钒（VOx）和氧化钨（WOx），其都具有有利于空穴传输的高功函特性。相反，金属氧化物如氧化镁（MgOx），氧化钛（TiOx），盐如氟化镁（MgFx），氟化锂（LiFx）都是低功函材料，与n-Si接触时均具有较小的电子势垒，从而实现良好的电子传输，作为ETL材料。这些材料，对于制造新型的硅基免掺杂异质结IBC太阳电池（作者将其命名为IBC-DFHJ）提供了基础的材料库，具有重要意义。

3. IBC-DFHJ电池的研究现状

2016年，研究人员使用MoOx和LiFx分别作为HTL和ETL，制备了效率为15.4％的IBC-DFHJ太阳电池。其首次展现出了非掺杂异质结IBC电池相比于传统同质结IBC电池极为简单的工艺制备优势，从而引起了科研人员极大的关注。

紧接着，研究人员通过采用硬掩模方法代替光刻技术进一步简化了制备流程，并制造了IBC-DFHJ太阳电池，比较了使用MoOx，WOx和V2Ox的不同HTL材料的电池性能，最终V2Ox / Si异质结的器件获得了最佳PCE，达到16.6％的。

在2017年研究人员通过在他们的IBC-DFHJ太阳电池中使用V2Ox作为HTL以及使用Al2O3 / TiO2 / Mg / Al作为ETL获得了19.1％的PCE。在2018年研究人员通过在载流子传输层（MoOx作为HTL和MgFx作为ETL）和c-Si衬底之间添加本征a-Si：H的钝化层，成功实现了IBC-DFHJ太阳电池22.2％的PCE。同时，作者的小组也致力于该电池的研究，分别报道了由溶液法的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯和蒸发法的金属氧化物所制备的IBC-DFHJ太阳电池。

4. IBC-DFHJ电池存在的问题

众所周知，即使对于传统的前背接触式太阳电池，p-n结的边缘质量也会极大地影响太阳电池的光伏特性。由于边缘复合的影响，面积小的硅太阳电池的效率通常低于面积大的硅太阳电池的效率（距边缘区域的平均距离较大）。在IBC太阳电池中，由于正负电极的叉指结构使得其p-n结的边缘区域比常规电池高出几个数量级。因此，由边缘区域复合所引起的载流子复合电流将会放大，进而影响IBC太阳电池的PCE。通过良好地抑制这种复合，大多数器件的光伏性能将得到显著的改善。例如，在将结区复合电流密度（J02）从82降低到12 nA / cm2后，高温扩散结IBC电池的绝对PCE将提升>2％。

关于IBC-DFHJ太阳电池，特别是对于通过硬掩模方法制造的电池，HTL和ETL之间的相对粗糙的重叠区域（命名间隙区域）可能引起包括边缘漏电和边缘复合的问题。实际上，在作者之前通过硬掩模法制造的IBC-DFHJ太阳电池中就发现了填充因子FF较低。将低的FF值直接归因于串联电阻并不能很好地解释所有实验现象，因为在具有极低接触电阻的IBC器件中也显示出较低的FF。缺乏对IBC-DFHJ太阳电池边缘效应的研究，不仅限制了我们对上述现象的理解，而且阻碍了我们今后进一步有效的提高这种太阳电池的效率。因此，定量分析边缘区域的质量，并研究边缘复合（或边缘效应）对IBC-DFHJ太阳电池光伏性能的影响至关重要。

文章介绍

在本项研究中，作者通过比较硬掩模法和光刻法制备的IBC-DFHJ器件，找出了低FF的原因。作者定量分析了复合，并通过改进的Cox & Strack方法（CSM）和局域光照方法确定了复合的位置。结果表明，在间隙区域采用Al2O3钝化层的光刻方法能很好地抑制边缘复合，使复合电流（I0H）低于5×10-10 A，远远优于没有间隙钝化的硬掩模方法（其I0H高达3×10-4A）。太阳电池的FF从硬掩膜法的约66％增加到光刻法的>75％。

这表明除了串联电阻以外，边缘复合是影响FF的另一个重要问题。根据以上实验数据，作者进一步进行了仿真模型，并成功地解释了硬掩模处理的IBC-DFHJ器件中边缘效应对电池的影响过程。基于以上理解，作者最终通过光刻和硬掩模方法获得了效率超过20％，填充因子达到73％的IBC-DFHJ太阳电池（具有a-Si:H层钝化层）。

第一作者解析

边缘效应问题不仅在免掺杂异质结中具有，在常规IBC电池中也具有，本文的研究是借鉴了常规IBC电池的边缘问题。对边缘复合的深入研究，可以很好解释具有良好接触电阻情况下，电池填充因子无法提升的关键性原因，指明了在边缘区进行有效钝化的必要性。

文章亮点

找出边缘重组是影响具有免掺杂异质结的硅IBC太阳电池（IBC-DFHJ）中填充因子（FF）的重要因素之一。
提供了改进的Cox & Strack方法（CSM）和局部照明方法，以定量和位置分析这种边缘重组。
通过很好地抑制边缘重组，实现了PCE为20.6％的IBC-DFHJ太阳电池。

图2. 用硬掩模法（a,c,e）和光刻法 (b,d,f) 制造的IBC-DFHJ太阳电池比较： (a,b) 器件背面照片；(c,d) 电池结构示意图；（e,f）图c和d中黑色虚线方框的间隙区域的放大图；（g）本征非晶硅厚度为0nm和4nm下，IBC-DFHJ器件的J-V曲线。

导师点评

IBC (Interdigitated back contact) 电池是一种实现最佳短路电流的有效结构，从而不断逼近硅基太阳电池理论极限。免掺杂异质结技术通过采用空穴及电子传输层薄膜与晶体硅基片通过界面能带调控直接构建异质结电池，免除了传统pn结太阳电池中的高温掺杂过程，具有工艺温度低、制备方法简单、材料体系广、结深浅等优点，已成为近年来硅基太阳电池领域的一个研究热点。将免掺杂异质结制造技术应用在IBC电池结构中，完全有望以极简化的绿色制程，实现高效光伏应用。

文章链接:

Edge effect in silicon solar cells with dopant-free interdigitated back-contacts

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552030450X#!

导师简介:

沈文忠，博士，教授

1995年6月在中国科学院上海技术物理研究所获博士学位，太阳能光伏科学与技术专家，1999年9月起任上海交通大学物理与天文学院教授、博士生导师，2000年荣获教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2001年主持国家杰出青年科学基金，2007年1月起担任上海交通大学太阳能研究所所长。主要从事新型硅基太阳电池研发和光电子器件物理研究工作，以第一作者/通讯作者发表SCI论文300余篇，已授权国家发明专利29件，出版学术专著2部（《硅基异质结太阳电池物理与器件》、《太阳能光伏技术与应用》）。兼任中国可再生能源学会常务理事、上海市太阳能学会名誉理事长。

高平奇，博士，教授