10001549_以热丝法制备的氧化钼作为硅异质结太阳电池的空穴传输层-solarbe文库

资源描述：

以热丝法制备的氧化钼作为硅异质结太阳电池的空穴传输层李丰超 1，周玉荣 2，刘丰珍 1,2，沈荣宗 2，刘明 1 （1. 中国科学院大学中丹学院，北京 101408；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 101408）摘要采用热丝氧化升华法制备了优质氧化钼薄膜，通过 SEM 观察了氧化钼的微观结构。研究了氧化钼薄膜厚度对硅异质结太阳电池性能的影响，获得了光电转化效率为 21.1的新型硅异质结太阳电池。关键词热丝氧化升华法；氧化钼；空穴选择传输层；异质结太阳电池；通讯作者周玉荣，光电子薄膜领域，zhouyurongucas.ac.cn ；刘丰珍，光电子薄膜领域， liufzucas.ac.cn。 1 研究背景近年来，氧化钼作为载流子选择传输层应用于硅异质结太阳电池的研究备受关注。目前报道的氧化钼薄膜的制备方法有热蒸发 [1,2]，电子束蒸发 [3]，原子层沉积 [4,5]，溅射 [6]和溶液法 [7]等。然而，要实现高效氧化钼/ 晶硅异质结电池大规模推广，以上众多制备技术往往难以满足低成本下获得优质氧化钼薄膜的产业化需求。本文采用的热丝氧化升华沉积技术，能够降低制备成本，同时获得了光电性能优异的非晶氧化钼薄膜。并得到光电转化效率为 21.1的高效晶硅太阳电池。 2 热丝氧化升华沉积技术热丝氧化升华沉积技术工艺原理示意图如图 1 所示。在真空腔体中，氧气与高温钼丝（温度范围为 600-1100℃）发生反应，在钼丝表面生成氧化钼，氧化钼升华（氧化钼升华点为 660℃），以分子团形式进入腔体，扩散到衬底表面形成氧化钼薄膜。图 1 热丝氧化升华沉积技术的原理示意图 3 结果和讨论 3.1 氧化钼薄膜的微观形貌图 2 a沉积在抛光硅片衬底上的氧化钼 25nm的 SEM 俯视图；b 沉积在抛光硅片衬底上的氧化钼70 nm的 SEM 剖面图； c， d沉积在织构硅片衬底上的氧化钼70 nm的 SEM 图。图 2a-d 展示了氧化钼薄膜沉积在不同晶硅衬底上的 SEM 图像。可见，热丝氧化升华法能够获得结构致密的氧化钼薄膜，并能够对抛光或织构等不同形貌的晶硅衬底实现均匀覆盖。 3.2 氧化钼厚度对器件性能的影响本文中所研究的新型硅异质结太阳电池的结构为 Ag 栅线/ITO/n a-SiH/i a-SiH/n c-Si/passivation layer/MoOx/Ag。我们在保持相同的背场层结构和工艺的前提下，主要研究了氧化钼薄膜对电池性能的影响。其中，氧化钼薄膜的厚度对电池性能具有重要影响。图 3 给出了不同氧化钼薄膜厚度（10 nm，14 nm， 29 nm，55 nm，71 nm）对太阳电池各项性能的影响。随着氧化钼厚度从 10 nm 增加到 71 nm，太阳电池各项指标都呈现出先增加后减小的变化趋势。最优的氧化钼厚度为 14 nm，在此厚度下，高功函数的氧化钼薄膜既可促使晶硅表面建立有效的空间电荷区，产生有效的能带弯曲，又避免了过厚的氧化钼引起的额外的光生载流子的复合，此时异质结太阳电池的光电转化效率达到 18.11。 01023045067081561786468 702456345 637867086907 Ef Thicknes ofMOxnm F Rs JscmA/c 2 VocmV 图 3 不同厚度氧化钼对器件各参数的影响 3.3 退火处理对器件性能的影响退火是异质结电池中的常规工艺，可有效提高器件的整体性能。图 4 是未退火和低于 200 度下退火处理的太阳电池的光 J-V 曲线的对比图。对器件进行退火后，器件的各项性能得到进一步提升，最高效率的器件的开路电压为 713 mV，短路电流密度为 37.5 mA/cm2，填充因子为 78.92，光电转换效率达到 21.1。我们认为退火工艺对器件性能改善的可能原因主要表现为两个方面（1）退火能够有效改善金属电极和透明电极的接触，使器件的串联电阻减小，填充因子增加，提高器件收集载流子的能力；（2）退火可能使非晶硅钝化层中的存在氢通过扩散达到界面处，进而提高界面的钝化效果，表现为器件开路电压的提高。 0. 0.20.40.61020 3040 Curent dsity mA/c2 VoltageV As-preadnlig 图 4 退火工艺对器件性能的影响参考文献 [1] Battaglia, Corsin, et al. “Silicon heterojunction solar cell with passivated hole selective MoOx contact.“ Applied Physics Letters 104.11 2014 113902. [2] Geissbühler, Jonas, et al. “22.5 efficient silicon heterojunction solar cell with molybdenum oxide hole collector.“ Applied Physics Letters 107.8 2015 081601. [3] Sivakumar, R., et al. “Characterization on electron beam evaporated α-MoO3 thin films by the influence of substrate temperature.“ Current Applied Physics 7.1 2007 51-59. [4] Y.-C. Tseng, A.U. Mane, J.W. Elam, S.B. Darling, Ultrathin molybdenum oxide anode buffer layer for organic photovoltaic cells formed using atomic layer deposition, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 99 2012 235–239. [5] B. Macco, M. Vos, N. Thissen, A. Bol, W. Kessels, Low-temperature atomic layer deposition of MoOx for silicon heterojunction solar cells, Phys. Status Sol. RRL-Rapid Res. Lett. 9 2015 393–396 [6] S.H. Mohamed, S. Venkataraj, Thermal stability of amorphous molybdenum trioxide films prepared at different oxygen partial pressures by reactive DC magnetron sputtering, Vacuum 81 2007 636–643. [7]Tong, Jingnan, et al. “Solution-processed molybdenum oxide for hole-selective contacts on crystalline silicon solar cells.“ Applied Surface Science 423 2017 139-146.