a-Si:H/c-Si 异质结太阳电池 J-V 曲线的 S-Shape 现象

通过异质结界面分析与 AMPS 模拟计算研究了 a-Si:H/c-Si 异质结太阳电池在低温工作、a-Si:H 层低掺杂、高价带补偿以及高界面态时光态 J-V 曲线出现 S-Shape 现象的物理过程,总结了 S-Shape 现象的物理原因.分析结果表明,当空穴输运受到界面势垒的限制时,空穴在 c-Si 界面附近聚集,能带重新分配,c-Si 耗尽区的电场减小,更多的电子从 c-Si 准中性区反转至 c-Si 界面及耗尽区与空穴复合,复合速率显著增大,光电流的损失显著增大,光态 J-V< 关键词： 模拟 异质结太阳电池 a-Si:H/c-Si 异质结     

硅锗量子阱结构在硅异质结太阳电池中应用的数值模拟

利用半导体工艺和器件仿真软件silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design),模拟研究了采用硅/硅锗合金(silicon/silicon germanium alloy,Si/Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构作为吸收层的薄膜晶体硅异质结太阳电池各项性能.模拟结果显示,长波波段光学吸收随锗含量的增加而增加,而开路电压则因Si_(1-x)Ge_x)层带隙的降低而下降.锗含量为0.25时,短路电流密度的增加补偿了开路电压的衰减,效率提升0.2%.氢化非晶硅/晶体硅(a-Si:H/c-Si)界面空穴密度以及Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体空穴载流子浓度制约着空穴费米能级的位置,进而影响到开路电压的大小.随着锗含量增加,a-Si:H/c-Si界面缺陷对开压的影响降低,Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体缺陷对开压的影响则相应增加.高效率含Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构的硅异质结太阳电池的制备需要a-Si:H/c-Si界面缺陷的良好钝化以及高质量Si_(1-x)Ge_x)量子阱的生长.     

异质结太阳电池中非晶钝化层的分光椭偏分析

采用分光椭偏(SE)测试技术研究晶体硅(c-Si)异质结太阳电池用氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化层的性能。采用有效媒介理论为基础进行分层多相拟合,研究了a-Si:H/c-Si界面层内部的缺陷散射周期(St)、a-Si:H体内孔隙率以及薄膜介电函数峰值随基底温度的变化规律。通过与傅里叶红外转换光谱计算得到的微结构数据对比,发现界面层的St与薄膜内部Si H和Si H2含量相关。依据高分辨率透射电镜(TEM)下呈现的形貌特征、有效少子寿命和异质结的implied开路电压等参数的辅助证明,确定SE技术作为一种有效的光学表征手段,能准确快速地判断a-Si:H对c-Si表面的钝化性能,继而定量给出适合晶体硅异质结太阳电池高质量a-Si:H钝化层生长的最优参数。     

双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化

采用美国滨州大学研发的AMPS-1D软件,模拟了TCO与非晶硅界面势垒对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n) /a-Si:H(i) /a-Si:H(n+) /TCO双面HIT异质结太阳电池光伏特性的影响。结果表明太阳电池的TCO/p+前接触界面势垒（对于电子）越高,越易形成欧姆接触,且电池的短波响应增强,使电池性能变好。模拟还发现,n+ /TCO背接触界面势垒（对于电子）越低,电池性能越好。若背场重掺杂,在背接触势垒小于等于0.5ev时,电池的转换效率不会受到背接触势垒的影响;若背场低掺杂,在背接触势垒很小的情况下,也能达到与重掺杂相同的转换效率。     

双面HIT太阳电池TCO与非晶硅界面势垒的模拟优化

采用美国滨州大学研发的AMPS-1D软件,模拟了TCO与非晶硅界面势垒对TCO/a-Si:H(p+)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i) /a-Si:H(n+)/TCO双面HIT异质结太阳电池光伏特性的影响.结果表明太阳电池的TCO/p+前接触界面势垒(对于电子)越高,越易形成欧姆接触,且电池的短波响应增强,使电池性能变好.模拟还发现,n+/TCO背接触界面势垒(对于电子)越低,电池性能越好.若背场重掺杂,在背接触势垒小于等于0.5 eV时,电池的转换效率不会受到背接触势垒的影响;若背场低掺杂,在背接触势垒很小的情况下,也能达到与重掺杂相同的转换效率.     

a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池薄膜硅背场的模拟优化

采用AFORS-HET数值模拟软件,对不同带隙的薄膜硅材料在a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池上的背场效果进行了模拟,分析了影响背场效果的原因,得到了薄膜硅背场在a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池上的适用条件为薄膜硅材料是带隙16 eV,硼掺杂浓度在10¹⁸cm^-3以上的微晶硅材料,其最佳厚度在5nm左右. 这种背场从工艺上易于实现,并且,与常用的Al扩散背场相比,在相同的掺杂浓度下,电池效率可以大大提高. 关键词： 薄膜硅 背场 硅异质结太阳电池     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

硅异质结太阳电池中钝化层和发射层的优化设计

本征钝化层及p型发射层对硅异质结太阳电池的性能具有重要的影响.本文在常规钝化层与晶硅衬底(c-Si)之间插入一层低功率、高氢稀释比沉积的超薄缓冲层,以此来提高钝化效果,并拓宽钝化层工艺窗口.此外,设计并制备了具有宽带隙、高电导特性的重掺杂纳米晶硅/轻掺杂p型双层复合发射极.实验结果表明,双层钝化层具有更加稳定与优异的钝化效果,钝化样品的少子寿命达到4.197 ms,隐含开路电压(implied-V_(OC),iV_(OC))达到726 mV.同时双层复合发射层中,轻掺杂的掺杂层可以减弱掺杂剂向本征钝化层的扩散,保证良好的钝化效果,而重掺杂的掺杂层不仅能够提供足够的内建电场,而且可以改善掺杂层与氧化铟锡薄膜的接触特性,进而提升电池的输出特性.并且高氢稀释比的前掺杂层还可以对钝化层起到氢处理的作用,减少钝化层表面的悬挂键,从而增强化学钝化效果,进而提高电池的开路电压.最终,基于商业化制绒的硅片,获得了效率达到20.96%的硅异质结太阳电池,其中开路电压为710 mV,短路电流密度为39.88 mA/cm~2,填充因子为74.02%.     

钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池:光学模拟的研究进展

近几年,钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池发展迅速,效率已经从13.7%提升到29.1%.由于叠层电池器件的制作工艺复杂,而叠层太阳电池中的光学损失对转换效率的影响很大,所以通过光学模拟进而获得高效电池至关重要.本文首先从商业软件和自建模型两方面概述了光学模拟的方法,接着从反射损失和寄生吸收两方面针对光学模拟研究进展进行了总结和分析,最后指出了叠层电池光学模拟过程中需要注意的问题.钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的转换效率极限最高可达40%,具备很大的提升空间,结合模拟工作的研究,叠层电池的发展将会取得更大的进步.     

硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计

硅异质结太阳电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件,是一种具有大面积规模化生产潜力的光伏产品.异质结界面钝化品质、发射极的掺杂浓度和厚度以及透明导电层的功函数是影响硅异质结太阳电池性能的主要因素.针对这些影响因素已经有大量的研究工作在全世界范围内展开,并且有诸多研究小组提出了器件效率限制因素背后的物理机制.洞悉物理机制可为今后优化设计高性能的器件提供准则.因此及时总结硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计非常必要.本文主要讨论了晶硅表面钝化、发射极掺杂层和透明导电层之间的功函数失配以及由此形成的肖特基势垒;讨论了屏蔽由功函数失配引起的能带弯曲所需的特征长度,即屏蔽长度;介绍了硅异质结太阳电池优化设计的数值模拟和实践;总结了硅异质结太阳电池的研究现状和发展前景.     

Microstructure evolution and passivation quality of hydrogenated amorphous silicon oxide(a-SiOx:H) on〈100〉- and 〈111〉-orientated c-Si wafers

Hydrogenated amorphous silicon oxide(a-SiOx:H) is an attractive passivation material to suppress epitaxial growth and reduce the parasitic absorption loss in silicon heterojunction(SHJ) solar cells. In this paper, a-SiOx:H layers on different orientated c-Si substrates are fabricated. An optimal effective lifetime(τ(eff)) of 4743 μs and corresponding implied opencircuit voltage(iV(oc)) of 724 mV are obtained on〈100〉-orientated c-Si wafers. While τ(eff) of 2429 μs and iV_oc of 699 mV are achieved on 111-orientated substrate. The FTIR and XPS results indicate that the a-SiOx:H network consists of SiOx(Si-rich), Si–OH, Si–O–SiHx, SiO2 ≡ Si–Si, and O3 ≡ Si–Si. A passivation evolution mechanism is proposed to explain the different passivation results on different c-Si wafers. By modulating the a-SiOx:H layer, the planar silicon heterojunction solar cell can achieve an efficiency of 18.15%.     

Improvement in IBC-silicon solar cell performance by insertion of highly doped crystalline layer at heterojunction interfaces

By inserting a thin highly doped crystalline silicon layer between the base region and amorphous silicon layer in an interdigitated back-contact(IBC) silicon solar cell, a new passivation layer is investigated. The passivation layer performance is characterized by numerical simulations. Moreover, the dependence of the output parameters of the solar cell on the additional layer parameters(doping concentration and thickness) is studied. By optimizing the additional passivation layer in terms of doping concentration and thickness, the power conversion efficiency could be improved by a factor of2.5%, open circuit voltage is increased by 30 mV and the fill factor of the solar cell by 7.4%. The performance enhancement is achieved due to the decrease of recombination rate, a decrease in solar cell resistivity and improvement of field effect passivation at heterojunction interface. The above-mentioned results are compared with reported results of the same conventional interdigitated back-contact silicon solar cell structure. Furthermore, the effect of a-Si:H/c-Si interface defect density on IBC silicon solar cell parameters with a new passivation layer is studied. The additional passivation layer also reduces the sensitivity of output parameter of solar cell to interface defect density.     

椭圆偏振光谱表征单晶硅衬底上生长的非晶硅和外延硅薄膜

本文采用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-PECVD)技术在单晶硅衬底上沉积了两个系列的硅薄膜. 通过对样品进行固定角度椭圆偏振测试, 结果表明第一个系列硅薄膜为非晶硅, 形成了突变的a-Si:H/c-Si异质结构, 此结构在HIT电池中有利于形成好的界面特性, 对于非晶硅薄膜采用通常的Tauc-Lorentz摇摆模型(Genosc)拟合结果很好; 第二个系列硅薄膜为外延硅, 对于外延硅薄膜, 随着膜厚增加晶化率降低, 当外延硅薄膜厚度为46 nm时开始非晶硅生长. 对于外延硅通常采用EMA模型(即将硅薄膜体层看成由非晶硅和c-Si构成的混合层)拟合结果较好, 当硅薄膜中出现非晶硅生长时, 将体层分成混合层和非晶硅两层, 采用三层模型拟合结果很好. 本文证实了椭偏光谱分析采用不同的模型可对单晶硅衬底上不同结构的硅薄膜进行有效表征.     

载流子选择性接触:高效硅太阳电池的选择

太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成,接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来,载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣,其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触:在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层,即所谓的发射极或背面场;利用两种材料之间的导带或价带对齐;利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wx AMPS,模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为(p~+)c-Si/(n)c-Si/(n~+)c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为(p~+)a-Si/(i)a-Si/(n)c-Si/(i)a-Si/(n~+)a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为(n)MoO_x/(n)c-Si/(n)TiO_x]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布,其中c-Si为晶硅;a-Si为非晶硅;(i),(n)和(p)分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明:载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称,形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻,从而让空穴轻松通过同时阻挡电子,或者让电子轻松通过同时阻挡空穴,形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.     

Influence of interface states,conduction band offset,and front contact on the performance of a-SiC:H(n)/c-Si(p)heterojunction solar cells

P-type silicon heterojunction(SHJ) solar cells with a-SiC:H(n) emitters were studied by numerical computer simulation in this paper. The influence of interface states, conduction band offset, and front contact on the performance of a-SiC:H(n)/c-Si(p) SHJ solar cells was investigated systematically. It is shown that the open circuit voltage(V_(oc)) and fill factor(F F) are very sensitive to these parameters. In addition, by analyzing equilibrium energy band diagram and electric field distribution, the influence mechanisms that interface states, conduction band offset, and front contact impact on the carrier transport, interface recombination and cell performance were studied in detail. Finally, the optimum parameters for the a-SiC:H(n)/c-Si(p) SHJ solar cells were provided. By employing these optimum parameters, the efficiency of SHJ solar cell based on p-type c-Si was significantly improved.     

高压射频等离子体增强化学气相沉积制备高效率硅薄膜电池的若干关键问题研究

报道了采用高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD) 制备高效率单结微晶硅电池和非晶硅/微晶硅叠层电池时几个关键问题的研究结果, 主要包括: 1)器件质量级本征微晶硅材料工艺窗口的确定及其结构和光电性能表征; 2)孵化层的形成机理以及减小孵化层的有效方法; 3)氢稀释调制技术对本征层晶化率分布及其对提高电池性能的作用; 4)高电导、高晶化率的微晶硅p型窗口层材料的获得, 及其对减小微晶硅电池p/i界面孵化层厚度和提高电池性能的作用等. 在解决上述问题的基础上, 采用高压RF-PECVD制备的单结微晶硅电池效率达8.16%, 非晶硅/微晶硅叠层电池效率11.61%.     

后退火增强氢化非晶硅钝化效果的研究

在本征氢化非晶硅(a-Si:H(i))/晶体硅(c-Si)/a-Si:H(i)异质结构上溅射ITO时, 发现后退火可大幅增加ITO/a-Si:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)的少子寿命(从1.7 ms到4 ms). 这一增强效应可能的三个原因是: ITO/a-Si:H(i)界面场效应作用、退火形成的表面反应层影响以及退火对a-Si:H(i)材料本身的优化, 但本文研究结果表明少子寿命增强效应与ITO和表面反应层无关; 对不同沉积温度制备的a-Si:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)异质结后退火的研究表明: 较低的沉积温度(<175 ℃)后退火增强效应显著, 而较高的沉积温度(>200 ℃)后退火增强效应不明显, 可以确定“低温长高温后退火”是获得高质量钝化效果的一种有效方式; 采用傅里叶红外吸收谱(FTIR)研究不同沉积温度退火前后a-Si:H(i)材料本身的化学键构造, 发现退火后异质结少子寿命大幅提升是由于a-Si:H(i)材料本身的结构优化造成的, 其深层次的本质是通过材料的生长温度和退火温度的优化匹配来控制包括H含量、H键合情况以及Si原子无序性程度等微观因素主导作用的一种竞争性平衡, 对这一平衡点的最佳控制是少子寿命大幅提升的本质原因.