​Nature Energy：26%！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MoO_x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T_f(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T_f（1,775°C）。随后的一层是使用较高的T_f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T_f影响，获得最大的iV_oc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(iV_oc<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T_f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iV_oc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T_f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%，V_oc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J_sc=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-SiO_x:H(p) 作为前侧发射层，可以获得J_sc=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SiO_x:H/ITO的双层增透层可获得J_sc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η^theo为28.66%，对应的V_oc^theo为746.9 mV，J_sc^theo为43.72 mA cm⁻²，FF^theo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J_sc和V_oc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，R_s和R_sh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，R_sh不会对FF造成任何明显的损耗。R_s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R_s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V_oc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J_sc。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