硅基氧化层的光电复合结构与量子输运特征的研究

This project is centered to study the passivated contact of silicon-based oxide layer hetero-interface by which photovoltaic devices could be executed. Main objective is to achieve the versatile Si-oxide layers with a low recombination, low contact resistance, high tunneling probability and stable heterojunction, which not only effectively transport the photon-generated minority but also let the part majority pass through. We will investigate the semiconductor properties of Si-doped Si-In-O thin films, as well as the electronic structure and electric contacts of ISO transition layers, in terms of the charge embedded into the buffer layers, fabrication and characterization of advanced thin film materials and the art-of-the-state process for PV device. In addition, quantum (carriers) tunneling mechanism and profile of effective anti-type layer in the broad interface region of ITO/ISO/n-Si devices are implemented, together with the exploration of the new materials to improve the photoelectric performance, enhanced photoelectric conversion efficiency and stability of the device. . Study on the quantum tunneling under low temperature (<100K) and use of DFT-MD method to calculate the energy band structure of amorphous thin oxide layer will be completed. The quantum transport model is proposed。Designing of the specific experimental methods and techniques is for optimizing the electronic structure of the material and device, as well as for a new principle of PV- devices, new technologies and efficient conversion, and for providing theoretical and experimental basis.

本课题的核心内容是研究半导体异质结光电器件的钝化接触和量子输运问题。目标是获得低复合、低接触电阻、高效隧穿和稳定的硅基异质结氧化层，不仅能够有效传输光生少子，还可传输多子。从电荷嵌入、先进功能薄膜材料制备、表征实验和器件工艺技术三个方面，探索和研究掺杂ITO薄膜的半导体性质,以及ISO过渡层的电子结构、电接触特征。研究ITO/ISO/n-Si光电器件的量子（载流子）隧穿机理和有效反型层的分布，探索新材料的引入对改善器件光电转换性能、增强光电转换效率和器件稳定性能的作用。研究低温（<100K）下的量子隧穿现象。采用DFT-MD方法，计算非晶氧化物层的电子－空穴能带结构，提出量子输运模型，设计具有针对性的实验方法，优化材料的电子结构，为PV-型光电器件的新原理、新技术和高效转化，提供可靠的理论和实验依据。

本课题是前一项目的继续，对于解决当前光伏器件领域的量子选择性接触结构和输运机理具有重要的意义。我们利用了ITO/c-Si 和 MoOx/c-Si 的结构材料作为研究对象，在实验和理论上系统研究了光伏材料、器件的制备-表征和空穴输运过程等物理问题，主要集中在以下几点：1）研究内容包括：（1）基于光辅助高频（1MHz）电容-电压（C-V）特性，建立了一种有效评估ITO/SiOx(In)/n-Si异质结光伏器件界面态密度（Dit）的方法；（2）采用矩形传输线模型及四探针法，精确测量金属-半导体之间的比接触电阻率（mΩ•cm2）；（3）建立多晶(ITO)-非晶(a-SiOx(In))-单晶(Si) 电子结构的第一性原理计算方法，结合分子动力学模拟和密度泛函理论，求解 ITO/SiOx(In)/n-Si 异质结光伏器件中 a-SiOx(In) 层的化学组成、电子结构，推理对器件载流子输运的作用。为了进一步提高该器件的开路电压，我们又选择了功函数更高的 MoOx(0<x<3) 薄膜与 n-Si 匹配。进而开展了 MoOx/n-Si 太阳电池的研究。涉及到器件的可控制备、能带调控、量子输运选择性和第一性原理计算等内容，重点揭示异质结光电器件中的量子输运机理； 2）主要结果：（1）ITO/SiOx(In)/n-Si 异质结光伏器件平均界面态密度（Dit）在 1.2-1.7×1011 /eV cm2 范围；（2）Ag/ITO 结构的比电阻约为 5.89 mΩ•cm2，Al/n-Si结构的比电阻约为 331 mΩ•cm2；（3）界面区不仅存在Si-O成键结构形成 a-SiOx，而且还存在 In-O-Si 成键态，形成 In-O-Si 三元化合物，其转变能级位于a-SiO2 价带顶 Ev + 0.30 eV 处，In掺杂能级可形成负电中心。（4）In-O-Si结构不仅在a-SiO2的带隙中引入了非局域态GSII，降低了载流子有效势垒高度，提高了空穴隧穿概率；除了增强直接隧穿概率外，In掺杂引入的能级GSII还可以通过缺陷辅助隧穿的方式传输空穴。引入的浅受主掺杂的负电中心，可通过库伦排斥作用抑制电子隧穿，减少反型层中少数载流子（电子）的复合，进而形成空穴选择性钝化接触，达到增强空穴隧穿的效果。（5）对于MoOx/n-Si 太阳电池，使转换效率提高至16.7%。