双功效TiN电子接触助力n型晶硅太阳电池低成本产业化

【研究亮点】

1）TiN薄膜选择性接触成功用于n型晶硅电池同时充当空穴阻挡层和电极，取代传统磷扩散n⁺背场且无需激光开孔；

2）TiN薄膜简化n型晶硅太阳电池制作工艺，避免了金属银电极的使用同时取得了高达20%转化效率。

【研究背景】

与传统p型晶硅衬底相比，n型晶硅具有对金属杂质容忍度高、少子寿命长和无光致衰减等优点。因此，n型晶硅电池具有更好的稳定性和更高的效率提升潜力，是近年来光伏行业关注和研究的热点。然而，与市场上主流的p型铝背场电池(Al-BSF)相比，高效n型晶硅电池（如PERL、背接触IBC、异质结SHJ）制备工艺复杂且成本较高，大大限制了其工业化应用的潜力。原因之一是常用金属（如Al、Ag）在n型晶硅表面难以直接形成欧姆接触，因此制作过程需要通过高温掺杂或者引入电子选择性接触等方法；二是没有合适的金属像铝在p型晶硅电池中同时起到掺杂和电极的双重作用。因此，开发简单高效的n型晶硅太阳电池用接触技术对于推动其产业化至关重要。

【成果简介】

近期，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）杨新波博士联合阿美国家石油公司（SAUDI ARAMCRO）和澳大利亚国立大学（ANU），开发了一种简单高效的基于氮化钛（TiN）薄膜的电子选择性接触，成功用于n型晶硅电池同时充当空穴阻挡层和电极，在简化制备工艺的前提下实现了20%的转化效率。最近该研究工作以“Dual-Function Electron-Conductive, Hole-Blocking Titanium Nitride Contacts for Efficient Silicon Solar Cells”为题发表在CellPress旗下的能源旗舰期刊Joule上。该研究使用低成本的磁控溅射方法制备了高电导率的TiN电子钝化接触，在n型晶硅电池上取代磷扩散n⁺背场并充当电极，降低了工艺复杂度，避免了金属银电极的使用同时取得了较高的转化效率，对推动高效n型晶硅电池的大规模量产有重要意义。论文第一作者为杨新波博士和刘文柱博士，通讯作者为杨新波博士和Stefaande Wolf教授。

【实验内容】

研究人员采用高纯金属钛靶，在不同比例氮-氩混合气氛条件下，利用磁控溅射方法制备了电阻率极低的TiN薄膜。结果发现在~2%氮气浓度下，制备的TiN薄膜体电阻（320mW.cm）最低，其方块电阻随薄膜厚度的增加快速下降，300nmTiN薄膜的方块电阻低至15W/sq (图1A)。霍尔效应测试表明TiN薄膜为n型半导体，具有极高的电导率（1.6 × 10³ S/cm）和电子浓度（1.3 × 10²³cm^-3），电子迁移率为0.15 cm² V^-1 s^-1。紫外光电子能谱和吸收光谱测试表明，TiN薄膜的功函数为4.3eV，光学带宽为3.2eV，费米能级到价带的距离为3.15eV，与导带十分接近(图1E)。研究人员发现，TiN/n-Si的接触界面具有阻挡空穴、让电子选择性通过的特性，其接触电阻明显低于Al/n-Si界面（图1B）；TiN/n-Si界面的接触电阻随温度的升高逐渐下降（图1D）。计算表明，TiN/n-Si接触界面呈现较小的导带差和较大的价带差，电子势垒较小，因而具有阻挡空穴的特性。

研究人员进一步发现，在TiN和n-Si之间添加一层超薄SiO₂（~1.7 nm）钝化层后，TiN/n-Si界面的电子势垒进一步下降，接触电阻大幅下降一个数量级，且TiN/SiO₂/n-Si界面接触电阻随温度变化较小（图1D）。通过计算发现，TiN/n-Si界面的电子势垒随晶硅表面缺陷密度的减少显著降低(图1F)，SiO₂钝化层能显著降低硅表面缺陷密度，从而降低电子势垒和接触电阻。

图1. TiN薄膜及TiN/n-Si接触界面的电学性能。A) TiN薄膜方块电阻随厚度变化曲线，插图是TiN薄膜体电阻随沉积气氛中氮气浓度的变化图；B) 具有不同前端接触材料（TiN和Al）的肖克莱结构（插图）的暗J-V曲线；C)有无超薄SiO₂钝化层的TiN/n-Si肖克莱结构的暗J-V曲线；D) TiN/n-Si和TiN/SiO₂/n-Si界面接触电阻随温度的变化曲线；E) TiN薄膜的紫外光电子能谱；F) 计算得到的TiN/n-Si接触界面的电子势垒随晶硅表面缺陷密度的变化。

基于TiN薄膜的高电导率和电子选择性接触特性，研究人员将TiN薄膜用于n型晶硅太阳能电池的制备，在电池背面同时用做电子传输层和电极（图2A），取代传统磷扩散n⁺背场且无需激光开孔。此双重作用的TiN电子选择性接触大幅简化了n型晶硅太阳电池的制备工艺，主要包括清洗制绒、前端扩散p⁺型发射极、前端钝化层和减反膜沉积、背面TiN电子接触沉积和前端电极制备五大步骤，其工艺复杂度与市场主流p型铝背场电池相似，比高效p型PERC电池更加简单。初略成本分析表明，TiN电子接触采用低成本的磁控溅射方法制备，纯金属钛靶成本较低，且可以减少甚至免除背面金属银电极的使用，使得TiN电子接触n型晶硅电池的制备成本与p型铝背场电池相当甚至更低。

更重要的是，初步制备的具有TiN电子接触的n型晶硅太阳电池最高效率达到了20%（图2B），而这个效率已经是传统p型铝背场电池的极限。进一步计算表明，SiO₂/TiN电子接触的使用，大幅降低了电池背面的暗饱和电流和接触电阻，从而使得n型晶硅电池的开路电压V_oc和填充因子FF得到了明显的提升。然而，具有高电子浓度的TiN薄膜存在严重的寄生吸收，导致电池的背面光学反射性能较差，限制了短路电流J_sc的提升。研究人员表示，降低TiN的厚度或者采用TiN点接触，将进一步提高n型晶硅电池的转化效率。

图2. TiN电子接触在n型晶硅电池上的表现。A) 具有TiN电子接触的n型晶硅电池结构图；B) 1个太阳标准测试条件下的n型晶硅电池J-V曲线；C-D) TiN和SiO₂/TiN电子接触的透射电镜截面图；E) 计算得到的电池开路电压随背接触的接触电阻和暗饱和电流的变化，Al、TiN和SiO₂/TiN背面接触用星号标注在图中。

图3. 具有SiO₂/TiN电子接触的N型晶硅电池上的稳定性。A) 开路电压和短路电流随退火温度的变化；B)填充因子和转化效率随退火温度的变化。

此外，研究人员进一步研究了具有SiO₂/TiN电子接触的n型晶硅太阳电池的稳定性。结果显示，室温暴露在空气中三个月后，具有SiO₂/TiN电子接触的n型晶硅太阳电池的绝对效率仅损失0.2%；高温退火400℃以内，n型晶硅太阳电池效率保持稳定；进一步升高至450℃，转化效率开始出现明显下降，说明该太阳电池具有较好的环境和热稳定性，具有工业化应用潜力。研究人员指出，TiN电子接触n型晶硅太阳电池在高效叠瓦组件中具有重要的应用潜力，而进一步研究具有TiN电子接触的n型晶硅太阳电池与产线高温接触灼烧的兼容性及其组件在双85实验条件下的稳定性将是其迈向产业化的下一步关键。

参考文献

Xinbo Yang, Wenzhu Liu, Michele De  Bastiani, Thomas Allen, Jingxuan Kang, Hang Xu, Erkan Aydin, Lujia Xu, Qunyu Bi, Hoang Dang, EsraAlHab shi, Konstantinos Kotsovos, Ahmed AlSaggaf, Issam Gereige, Yimao Wan, Jun Peng, Christian Samundsett, Andres Cuevas, Stefaan De Wolf, Dual-Function Electron-Conductive, Hole-Blocking Titanium Nitride Contacts for Efficient Silicon Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.008.

团队介绍

杨新波：2010年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，获工学博士学位。2010年4月至2011年11月在日本东北大学金属材料研究所任日本学术振兴会外国人特别研究员(JSPS FELLOW)；2011年12月至2016年7月在澳大利亚国立大学可再生能源系统中心任澳大利亚可再生能源局特聘研究员(ARENA FELLOW)；2016年9月至今，在沙特阿卜杜拉国王科技大学太阳能中心任研究科学家(RESEARCHSCIENTIST)。主要研究领域为太阳能电池材料与器件，包括高效晶硅电池、钙钛矿/晶硅叠层电池以及先进晶硅生长技术的研究与开发。先后以第一/通讯作者在Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Progress in Photovoltaics, Acta Materilia等期刊发表论文30余篇，被引800余次，H-Index 15.

刘文柱：2017年毕业于中科院上海微系统与信息技术研究所，获理学博士学位。2017年9月至今，在沙特阿卜杜拉国王科技大学太阳能中心任博士后。主要研究领域为晶体硅/非晶硅异质结太阳电池。先后以第一/通讯作者在Joule, ACS Applied Material Interfaces, Solar Energy Material & Solar Cells等期刊发表多篇论文。

Stefaan de Wolf：2005年毕业于比利时鲁汶大学，获博士学位。2005年至2008年，在日本产业技术综合研究所(AIST)任博士后；2008年至2016年8月在瑞士洛桑联邦学院(EPFL)任课题组长; 2016年9月至今，在沙特阿卜杜拉国王科技大学太阳能中心任教授。主要研究领域为太阳能电池材料与器件，包括高效晶硅异质结电池、钙钛矿电池及钙钛矿/晶硅叠层电池的研究与开发。在Nature Energy，Joule, Energy and Environmental Science, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Progress in Photovoltaics, Nano Letter等学术刊物上发表论文180余篇，被引8800 余次，H-Index 45。

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