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

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平面硅异质结太阳电池的 a-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH 的钝化性能。然后将最佳钝化的 a-SiOxH 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-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH 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-SiOxH/ a-SiH 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 xH/a-SiH；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-SiOxH 具有较宽的光学带隙且抑制外延生长，以 a-SiOx/a-SiH 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-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH，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-SiOxH 的最佳工艺条件，调整 a-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH 钝化材料对应的少子寿命与 iVoc；（b）不同辉光功率下 a-SiOxH 钝化材料对应的少子寿命图 1（a）中 a-SiOxH 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 83W,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-SiOxH 薄膜微结构较好，可以获得更高的少子寿命 2593.68μs）与 iVoc709mV, 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-SiOxH 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-SiOxH 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-SiOxH 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-SiOxHnc-SiH 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,iVoc707mV），进而取得一个最佳的平面硅异质结太阳电池（Voc680.5mV，Jsc35.73mA/cm2, FF74.63,Eff18.15。综上所述复合掺杂层，都是以氢稀释（RH）含量高的 nc-SiH 为缓冲层，一方面，高氢含量可以弥补 a-SiOxH 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-SiOxH/a-SiH 钝化层对平面异质结电池的影响图 3 不同厚度的 a-SiOxH 与 a-SiH 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-SiOxH 与 a-SiH 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-SiH 的辉光功率为 4→3W，反应压强为 1.0Torr,混合气体为 H2SiH4 100sccm20sccm。由图 3（a ）所示，当 a-SiOxH 与 a-SiH 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-SiOxH 与 a-SiH 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（Voc681mV,Jsc36.30mA/cm 2,FF68.89,EFF17.03，短路电流得到了极大改善，这可能与 a-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH 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 Xo0.17 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-SiH nc-SiOxH）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- SiOxH 钝化条件，以 a-SiOxH/a-SiH 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-SiOxH/a-SiH 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, 237 A263-A278. [2] Zhang H, Nakada K, Miyajima S, et al. High‐performance a‐Si1–xOxH/c‐Si heterojunction solar cells realized by the a‐SiH/a‐Si1–xOxH stack buffer layer[J]. physica status solidi RRL - Rapid Research Letters, 2015, 94225–229. 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，Emailgfhounankai.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