基于n型晶体硅衬底的宽禁带窗口层异质结太阳电池的前端电极设计机理与实验研究

Si-based heterojunction solar cell, which combines the advantage of high energy conversion efficiency and high stability for crystalline silicon solar cells, with the advantage of low-temperature process for thin film solar cells, is one of the word-wide research focuses. The a-Si:H based emitter in a conventional heterojunction solar cell has a considerable parasitic absorption in the visible spectrum region, which severely limits the photo-generated current due to a comparatively lower optical bandgap. In the present proposal, a wide bandgap material, PECVD-grown SiOx:H is proposed to be the window layer in n-type crystalline Si based heterojunction solar cells for reducing the parasitic absorption. In order to eliminate the intrinsic Shockley barrier height beween the p-SiOx:H window layer and the n-ZnO:Al TCO layer due to the considerable work function mismatch, high work function metal of Au nanoparticles are embedded in the interface of them to form a ohmic contact. Simultaneously, the embedded Au nanoparticles can form a surface plasmon resonance to suppress the reflected light loss on the solar cell surface. The morphology, size and its distribution, thickness and coverage of the Au nanoparticles, which collectively influence the photovoltaic performance of the resultant solar cell, will be optimized according to the I-V and EQE measurement results. The ultimate goal of this project is to achieve the improvement in optical absorption and electrical transport through the introduction of a wide bandgap window layer and the embedded Au nanoparticles in the n-AZO/p-SiOx:H interface.

硅基异质结电池结合了常规晶体硅电池高转化效率、高稳定性与非晶硅薄膜电池低温生长工艺的优点，是当今太阳电池研究的一个热点。通常的硅异质结电池采用非晶硅或微晶硅发射层，由于其禁带宽度的限制，存在较大的寄生吸收损失，限制了电池光生电流的提高。本项目提出了基于PECVD方法生长的氧化硅薄膜作为异质结电池窗口层以减少电池在可见光波段的寄生吸收损失，进而提高电池能量转化效率的方案。对基于n型晶体硅的异质结电池，为了降低p型宽禁带窗口层与n型透明导电薄膜之间功函数失配导致的肖特基势垒，采用界面镶嵌高功函数的金纳米颗粒以便在两者之间形成欧姆接触。与此同时，处于前电极的金纳米颗粒还可形成有效的表面等离子激元，凭借局域的共振吸收效应进一步减少电池表面光损失。结合电池光伏性能测试，实现面向器件的、可控的纳米金颗粒生长，最终在宽禁带异质结电池中达到光学吸收与电学输运的双重提升。

硅基异质结电池结合了常规晶硅电池和非晶硅薄膜电池的优点，保持着硅电池25.6%的世界最高转换效率纪录。进一步提高其转换效率就必须有更为精妙的能同时减少电池内部光学吸收损失和电学损失的新方案。光学损失主要来自于非晶硅或微晶硅内部存在的短波长光损失及TCO内的长波长光损失，而电学损失主要是在各个异质结界面（TCO/a-Si:H 或a-Si:H/c-Si）可能存在的肖特基势垒或带阶势垒对载流子传输的阻挡作用。本项目围绕硅基宽禁带窗口层异质结太阳能电池的相关材料及器件结构，特别是其前端电极的设计展开研究，提出了利用SiOx作为硅基异质结电池的窗口层减少光学寄生吸收损失，同时为了减少p-SiOx与n-AZO之间的肖特基势垒对光生载流子输运的阻挡作用，在这两者之间嵌入金属Ag微纳米颗粒形成欧姆接触的方案。经工艺优化，基于溶液还原法制备的Ag微纳米颗粒又可以形成等离激元，同时实现了光学增透与减反。相比没有Ag颗粒的情况在AZO表面的反射率可以下降18%，同时透射率增加40%。 . 基于等离子体一步法制备得到了光电性质可调的SiOx薄膜，剖析了作为两相复合材料的SiOx的生长机理；发现了一种基于高密度等离子体的非晶硅低温（300oC）快速（17nm/s）沉积后晶化方法，提供了一种新的微晶硅制备方法，揭示了H原子在等离子体/非晶硅界面及材料内部促进结晶的物理机制。 . 为进一步提高n-AZO的光电性能，采用H高密度等离子体处理AZO，实现了氢掺杂和部分缺陷钝化，使得薄膜的透光率和迁移率同步提升。为了解决ZnO的p型掺杂这个公认的难题，我们尝试采用等离子体辅以外置偏压N注入的策略，获得了高载流子浓度（>1019/cm3）、高稳定性（11个月）的p型ZnO，为解决n型晶硅HIT电池中n-AZO与p-SiOx界面存在的肖特基势垒问题提供了一种可能的更加直接、有效的方案。. 在异质结电池结构上，提出了发射结梯度掺杂以构建额外电场的方案，并经模拟计算证明了其在提高电池性能上的有效性。. 项目研究注重建立等离子体与所得材料性质之间的联系，从等离子体特征上来调控材料生长过程，优化材料性能并改进异质结界面质量。.