晶體硅(c-Si)太陽能電池是市場上最有前途的太陽能技術(shù)之一。這些太陽能電池有許多優(yōu)點(diǎn)，包括接近最佳的帶隙、高效率和穩(wěn)定性。值得注意的是，它們也可以用廣泛可用和容易獲得的原材料來制造。

近年來，許多公司和工程師專門致力于硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽能電池的研究。這些太陽能電池由沉積在晶體硅表面的非晶態(tài)硅層組成，已被發(fā)現(xiàn)具有顯著的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

北京工業(yè)大學(xué)、漢能成都研發(fā)中心和江蘇大學(xué)的研究人員最近進(jìn)行了一項(xiàng)研究，旨在仔細(xì)檢查高效SHJ太陽能電池中c-Si/a-si:H界面的結(jié)構(gòu)。他們的論文發(fā)表在《自然能源》雜志上，通過允許工程師對(duì)c-Si/a-Si:H界面進(jìn)行更大的控制，為進(jìn)一步提高SHJ太陽能電池的性能提供了有價(jià)值的見解。

隨著制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，Kaneka已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有24.5%PCE(總面積，239cm2)和25.1%PCE(孔徑面積，151.9cm2)的SHJ太陽能電池。然而，單結(jié)SHJ太陽能電池效率的進(jìn)一步提高在過去三年似乎停滯不前。因此，迫切需要找到新的突破點(diǎn)來解決瓶頸，獲得更高的SHJ太陽能電池PCEs。

同單晶硅和硅之間的接口:HSHJ太陽能電池關(guān)鍵重要細(xì)胞在確保實(shí)現(xiàn)高PCE。識(shí)別策略,可以提高這些細(xì)胞的PCE,許多研究人員因此密切了同單晶硅/硅:H接口使用一種技術(shù)稱為透射電子顯微鏡(TEM)。然而，這些檢查往往受到傳統(tǒng)TEM技術(shù)空間分辨率較差或高分辨率TEM(HRTEM)成像對(duì)界面樣品厚度的敏感性的限制。

由于這些限制，迄今為止，基于tem的研究只能收集到SHJ細(xì)胞外延層厚度或突然性的信息。然而，在原子尺度上c-Si/a-Si:H界面的結(jié)構(gòu)特征還沒有被確定。

為了進(jìn)一步提高SHJ電池的效率，研究人員需要深入研究c-Si/a-Si:H界面，并確定在原子尺度上控制它的策略。在他們的研究中，Zhang和他的同事使用HRTEM成像技術(shù)和基于理論的模擬來表示c-Si/a-Si:H界面的原子和電子結(jié)構(gòu)。他們使用一種被稱為球面像差校正透射電子顯微鏡(CS-correctedTEM)的替代TEM技術(shù)檢測了高效SHJ太陽能電池中c-Si/a-Si:H界面的原子結(jié)構(gòu)。

“為了獲得準(zhǔn)確解釋HR-(S)TEM圖像的最佳原子對(duì)比度，我們使用了兩種技術(shù)，即聚焦離子束(FIB)和納米磨來精心制備SHJ太陽能電池的橫截面樣品，”Zhang說。”的理論評(píng)價(jià)同單晶硅/硅:H界面結(jié)構(gòu)在這個(gè)工作也是至關(guān)重要的,因?yàn)樗鼛椭覀儺嬕粋€(gè)介紹圖像之間的物理連接和設(shè)備性能,考慮到嵌入式nanotwins復(fù)合中心的深層缺陷水平導(dǎo)致短載體壽命,基于采用基于計(jì)算。”

張和他的同事們收集的結(jié)果相當(dāng)出乎意料和驚訝。除了細(xì)胞正常的外延結(jié)構(gòu)外，研究人員還在c-Si和a-Si:H之間的薄外延層中觀察到高密度的納米孿晶，它們以兩種不同的形式存在，即自由納米孿晶和嵌入納米孿晶。他們的計(jì)算還表明，嵌入在這一層的納米孿晶破壞了SHJ太陽能電池的性能。

在他們?cè)赾-Si和a-Si:H之間的薄外延層中識(shí)別出高密度納米孿晶，并確定它們會(huì)損害SHJ太陽能電池的性能后，研究人員試圖確定它們的起源以及它們?nèi)绾坞S時(shí)間進(jìn)化。為此，他們使用HRTEM技術(shù)檢測了c-Si/a-Si:H在細(xì)胞制造過程不同階段的界面結(jié)構(gòu)。

為了說明c-Si/a-si:H界面結(jié)構(gòu)的演變，研究人員使用基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)的加熱系統(tǒng)，結(jié)合cs校正的TEM，進(jìn)行了額外的原位退火實(shí)驗(yàn)。他們的研究結(jié)果表明，納米孿晶在i-a-Si:H層沉積過程中成核，并在隨后的退火過程中形成。

“從我們的分析中，我們得出結(jié)論，在初始階段抑制孿晶成核是減少嵌入納米孿晶的關(guān)鍵步驟，”張說。“因此，我們通過引入超薄的i-a-Si:H緩沖層，利用低密度納米孿晶制作了SHJ太陽能電池，這些電池表現(xiàn)出了更好的性能。”

張和他的同事們發(fā)現(xiàn)，他們抑制嵌在c-Si/a-Si:H界面中的納米孿晶的策略進(jìn)一步增強(qiáng)了SHJ太陽能電池的PCE。作為研究的一部分，他們進(jìn)一步探索了這種策略的潛力，使用它來改變c-Si晶片的初始表面，以確保它偏離{111}平面。

“我們工作的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種轉(zhuǎn)換效率為24.85%的高效SHJ太陽能電池，其制備工藝與工業(yè)兼容，”張說。“嵌入孿晶的發(fā)現(xiàn)和它們阻礙細(xì)胞轉(zhuǎn)換效率提高的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的理解:c-Si/a-Si:H界面上的懸空鍵是影響載流子界面的主要絆腳石。”

張和他的同事們的研究引入了一種新的策略，可以幫助提高SHJ太陽能電池的效率。此外，該研究還提供了原子尺度下高效SHJ太陽能電池c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)的新見解，表明高密度嵌入的納米孿晶對(duì)這些電池的性能有害。

“運(yùn)用第一性原理計(jì)算，我們的理論模擬揭示了納米孿晶的本質(zhì)，這是工業(yè)化鈍化過程中不可避免的缺陷結(jié)構(gòu)，”張說。“考慮到嵌入的超深納米孿晶作為復(fù)合中心，對(duì)性能有很大的影響，因此我們提出了避免產(chǎn)生超薄鈍化層的策略。在這些過程之后，我們的原位TEM測量觀察到嵌入納米孿晶的密度降低，我們提供了一種提高硅太陽能電池性能的新方法。”

到目前為止，c-Si/a-Si:H界面的復(fù)合被認(rèn)為是SHJ太陽能電池能量損失的主要原因。Zhang和他的同事們研究了最高性能太陽能電池的效率損失，發(fā)現(xiàn)高密度嵌入的納米孿晶對(duì)器件性能有害，通常形成于c-Si和a-Si:H層之間的薄外延層。他們還發(fā)現(xiàn)，添加超薄的a-Si緩沖層顯著減少了嵌入納米孿晶的存在，并提高了電池的效率。

Zhang補(bǔ)充道：“我們的發(fā)現(xiàn)表明，當(dāng)抑制嵌入的納米孿晶時(shí)，SHJ太陽能電池的PCE可以得到改善。”事實(shí)上，在我們的研究中，通過降低嵌入納米孿晶的密度，我們?nèi)〉昧嗣黠@的性能改善。現(xiàn)在我們將重點(diǎn)研究如何通過調(diào)整納米孿晶在c-Si和a-Si:H界面上的演化過程來進(jìn)一步減少/消除納米孿晶。