NatureEnergy26！仅用一招，硅电池盼来新技术

　　第一作者：Malte Köhler
　　通讯作者：Malte Köhler，Manuel Pomaska，Kaifu Qiu，Kaining Ding
　　通讯单位：德国于利希研究中心
　　在晶体硅(c-Si)太阳能电池中，将MoOx与本征氢化非晶硅（a-Si:H）结合使用，可实现超过23.5％的效率。然而，由于a-si:H低带隙和可观的吸收系数(图1a)，与其他厚度相同但带隙更高的纳米晶硅/硅合金相比，这些层会造成更强的寄生吸收损失，限制了效率的提升。从图1a中可以清楚地看到，对于1.75 eV以上的光子能量，nc-SiC:H(n)的吸收系数最低，因此透明度最好。尽管nc-SiC:H(n) 已经用做c-Si太阳能电池前接触高透明的钝化接触层(TPC)，在理论上可以结合其高导电性、优异的表面钝化和高光学透明度，但在实验上同时优化这些特性仍然具有挑战性。
　　图1 TPC的吸收系数和设计概念
　　为了克服这个困难，德国于利希研究中心Malte Köhler 等人通过使用专门的低温工艺和实现一种高度透明的TPC方案，它由一层SiO2隧道层、两层不同温度沉积的氢化纳米碳化硅(nc-SiC:H(n))组成（图1b）。nc-SiC:H(n)的宽带隙（2.7-3 eV）保证了高的光学透明度，而且双层设计使其具有良好的钝化和高电导率，得到了提高的短路电流密度(40.87 mA cm−2)，填充因子(80.9%)和23.99±0.29%的认证效率。此外，这种接触层避免了额外的加氢或高温沉积后退火步骤的需要。作者研究了TPC的钝化机理和工作原理，并提供了数值模拟的损耗分析，提出了转换效率达到26%的途径。
　　nc-SiC:H(n) 双层堆叠的开发
　　nc-SiC:H(n)的电导率与沉积温度密切相关。在高灯丝温度下沉积单层nc-SiC:H(n) （厚度为30 nm），TPC的钝化质量降低，而低接触电阻需要高的Tf(图2b)。因此，通过热丝化学气相沉积(HWCVD) 的单层nc-SiC:H(n)无法同时最大化钝化质量和最小化电阻损耗。为了克服这个困难，作者改变了沉积过程中的灯丝温度，因此实现了双层nc-SiC:H(n)的堆叠（第一层为9 nm，第二层为25–30 nm）。对于与隧道氧化物直接接触的层，改进的工艺开始于较低的Tf（1,775°C）。随后的一层是使用较高的Tf沉积（图2a）。这种双层nc-SiC:H(n)堆叠使钝化质量在第二阶段几乎不受Tf影响，获得最大的iVoc为740 mV。同时，接触电阻率保持在很低水平（图2b）。在单层中实现同样低的接触电阻率将导致钝化质量的显著损失(iVoc<720 mV)。
　　图2 TPC的选择性
　　TPC的钝化机制和工作原理
　　与SiO2/poly-Si钝化接触相反，SiO2/nc-SiC:H(n)的钝化无需任何高温重结晶，氢化或烧结步骤。由于TPC制备过程中不涉及高温步骤，因此在沉积过程中提供的氢会在c-Si(n)/SiO2界面上积累。图3a的二次离子质谱(SIMS)剖面可以看出这一效应。该氢避免了任何进一步氢化的需求。对于图3a上图所示的单层，随着Tf的增加，nc-SiC:H(n)体中的氢浓度降低，而界面处的氢浓度增加。
　　图3 TPC钝化机制及工作原理
　　高钝化质量的另一个原因是，在沉积过程中，SiO2层作为一个保护层，可以对抗不利的沉积条件。SiO2防止了界面的损伤，同时降低了c-Si(n)表面悬挂键密度。c-Si(n)/SiO2/nc-SiC:H(n)的界面无损伤，这在图3b可见。靠近SiO2/c-Si界面的SiC层是非晶态的，而在材料的主体中可以观察到嵌入非晶态基体的nc-SiC晶体(图3b，箭头)。EDX结果进一步表明，除了硅，氧存在于晶态硅衬底的界面，表明在HWCVD过程中SiO2没有完全去除。c-Si(n)/SiO2界面的钝化是由c-Si(n)与导电nc-SiC:H(n)之间的静电电位差支撑的。这种电位差导致了c-Si(n)的能带弯曲，如图3c所示。
　　由于c-Si(n)/SiO2界面处的高氢浓度与强场效应钝化并存，SiO2/nc-SiC:H(n)接触钝化质量的iVoc达到740 mV。能带弯曲越强，场效应钝化越强，说明界面处的氢含量较低，但在更高Tf下导电nc-SiC:H(n)的双层堆叠中也得到了相似的钝化质量(见图3a的下图)。c-Si(n)界面电子的积累促进了从薄SiO2层向导电nc-SiC:H(n)层的隧穿。
　　优化太阳能电池的光损耗分析
　　经过优化溅射ITO的工艺，最佳太阳能电池的效率为23.79%，Voc为725 mV。随后使用MgF2作为减反层，以降低太阳能电池的反射率，获得认证的效率η= 23.99±0.29%和Jsc=40.87±0.57 mA cm−2。图4总结了由于SiC双层，透明导电氧化物（TCO）和ARC的优化而导致太阳能电池参数的变化。 µc-SiOx:H(p) 作为前侧发射层，可以获得Jsc=40.4 mA cm−2，但  V oc和FF更低。 通过基于金属化的光刻技术，SHJ太阳能电池使用SiOx:H/ITO的双层增透层可获得Jsc为40.6 mA cm−2。
　　图4 TPC太阳能电池的参数变化示意图
　　优化后的前端接触层包括70nm的ITO、30nm的导电nc-SiC:H(n)和3nm的钝化nc-SiC:H(n)。通过光学仿真，研究人员得到了图5所示的优化太阳能电池的光学分析。nc-SiC:H(n) 层中的寄生吸收小于0.7 mA cm-2，因此该nc-SiC:H(n) 层具有高透明度。相反，传统的前后接触SHJ太阳能电池的正面层堆叠中，寄生吸收通常损失>2mA cm-2。此外，高钝化质量导致复合损失小于0.05 mA cm-2。前侧ITO造成了最高的寄生吸收损耗。
　　图5 优化的TPC太阳能电池的光损耗分析
　　TPC太阳能电池的实际效率潜力
　　c-Si太阳能电池的理论极限效率ηtheo为28.66%，对应的Voctheo为746.9 mV，Jsctheo为43.72 mA cm−2，FFtheo为87.75%。该工作得到的效率（23.99%）与理论极限效率相差16.3%，其中FF具有最大的提升空间（7.8%），而Jsc和Voc提升空间分别只有6.5%和2.9%。
　　为了研究FF存在很大差距的原因，研究人员使用两二极管等效电路对FF进行了FF损耗分析，结果如图6所示。通过避免所有与J02，Rs和Rsh有关的损耗，优化后太阳能电池的最大FF约为85％。从FF损耗分析中可以明显看出，Rsh不会对FF造成任何明显的损耗。Rs产生的损耗最大（2.96％abs），其次是空间电荷区域复合导致的1.11％abs损耗(J02)。前侧 TPC (ITO/nc-SiC:H(n)/SiO2/c-Si(n))和SHJ背接触（(ITO/a-Si:H(p/i)/c-Si(n)) 分别提供38和350 mΩ cm2的接触电阻率，表明SHJ背接触对Rs的贡献最大，并且是FF改善的瓶颈。
　　图6 优化的TPC太阳能电池的填充因子损失分析
　　经过数值模拟，优化SHJ触点组合可使Voc和FF分别提高到739 mV和84.2%。再利用先进的金属化技术，例如镀铜，可以实现更小的间距和前端金属化。解决这两个方面可将FF提高到85%，实现42 mA cm−2的Jsc。因此，继续优化背面的SHJ接触，并引入先进的金属化方法，该TPC技术可将c-Si单结太阳能电池的效率突破26%门槛。
　　Köhler, M., Pomaska, M., Procel, P. et al. A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%. Nat Energy, 2021, DOI:10.1038/s41560-021-00806-9
　　https://www.nature.com/articles/s41560-021-00806-9