刚发Nature Energy，丁楷宁团队又发Joule！

为了收集硅异质结（SHJ）太阳能电池前端的载流子和弥补异质结薄膜电导率的不足，通常在SHJ太阳能电池的两侧使用铟氧化物（如ITO）作为透明导电氧化物（TCO）层，以提供载流子收集的横向传导（图1A）。然而，由于铟的储量低，价格贵，供应风险大。此外，TCO的透明性并不完美，存在寄生吸收损失，降低了器件的短路电流密度（J_sc）。因此在SHJ光伏中，为了避免对铟的使用和去除前端TCO的寄生吸收，建立一种不使用TCO（TCO free）的设计方案成为了SHJ光伏的发展需求。

图1 不同的SHJ太阳能电池结构及载流子到电极的传输路径示意图

有鉴于此，德国于利希研究中心丁楷宁团队的李圣浩博士等人利用晶体硅（c-Si）吸收层的横向传导（图1B），直接省去了SHJ太阳能电池前端的TCO层，实现了0.32 Ωcm²的低串联电阻，80.7%的填充因子（FF）和超过22%的器件效率。

TCO free的概念验证

实验室制备的前端TCO free和完全TCO free的SHJ太阳能电池结构如图1B所示，以验证c-Si吸收层中多数载流子的横向传导。太阳电池使用了Ti/Au/Ag作为与a-Si:H接触的电极。没有TCO作为缓冲层，金属和a-Si:H的直接接触降低了钝化质量，而增加a-Si:H层厚度可以避免钝化质量的下降。a-Si:H层厚度对太阳能电池性能的影响如图2所示。对于前端TCO free的SHJ太阳能电池，最高FF可达79.8%（图2C），说明c-Si吸收层具有良好的载流子收集能力。完全TCO free的SHJ太阳能电池也证明了这一点，其FF达到80.7%（图2H），而串联电阻则低至0.32 Ωcm²（图2I）。从前端TCO free到完全TCO free的太阳能电池，FF的提高源于取消背面TCO后，背面接触电阻的降低。

图2 前端TCO free和完全TCO free的SHJ太阳能电池性能

在前端TCO free和完全TCO free的器件中，随着 a-Si:H 厚度的增加，开路电压明显提高（图2A，F），说明了增加a-Si:H层厚度可以缓解在a-Si:H层上直接制备金属导致的钝化恶化。但是，在SHJ太阳能电池的前表面增加a-Si:H(n⁺)的厚度也增加了a-Si:H (n⁺)层的寄生吸收，并降低了短路电流密度（图2 B）。

图3A为在高注入水平下，前端TCO free太阳能电池的电致发光图像，在1.8毫米的金属细栅间隔内，发光强度很均匀。从图3A提取得到局域二极管电压分布(图3B)，表明二极管电压分布均匀，波动约为1 mV，说明这个太阳能电池没有横向传导问题。

图3前端TCO free SHJ太阳能电池的导电性质

在前端TCO free的太阳能电池中，当光照强度从0.2 suns增加到1.3 suns时，串联电阻从1.06减少了至0.79  Ωcm²（图3C），这表明随着光照的增加，体相c-Si的导电率增加。图3D显示了模拟结果与实验结果相吻合，这表明串联电阻的变化随c-Si体电阻的增加而增加。

金属/a-Si:H直接接触

当在SHJ太阳能电池中省去了TCO，金属栅线与a-Si:H薄膜直接接触。为了实现高性能的TCO-free SHJ太阳能电池，金属/a-Si:H直接接触必须解决两个问题：1）金属与光吸收层的局域接触电阻应较低；2）在没有TCO缓冲层的情况下，直接在a-Si:H上制造金属会导致太阳能电池钝化性能下降。

为了研究金属/a-Si:H接触性质，研究人员将Ti/Au/Ag金属叠层蒸发到85纳米厚的a-Si:H上，然后进行了STEM测试。金属/a-Si:H之间并没有形成界限分明的接触界面，而是金属扩散到a-Si:H层（图4A，C）。当金属扩散深度大于a-Si:H薄膜的厚度时，金属原子到达c-Si衬底，增加了Shockley-Read-Hall复合，并导致钝化性能下降。STEM图像显示从接触界面的扩散距离深达50 nm，这表明需要a-Si:H的厚度超过50 nm才能避免金属诱导的性能退化。这一观察结果与图2中太阳能电池的性能一致。

图4 金属和a-Si:H界面的STEM图像

为了避免金属扩散，在金属和a-Si:H的界面处添加了1.6 nm的SiO_x层。为此，在制备金属接触之前，对a-Si:H层的表面进行了臭氧氧化，发现金属在界面处的扩散受到了显著的抑制（图4B），在Ti和a-Si:H层之间形成明显的界面（图4D）。尽管在图4D中仍存在少量的扩散，但是其扩散深度小于10 nm。虽然臭氧氧化为金属扩散起到了很好的屏障作用，但在Ti/a-si:H界面中，超薄SiO_x在STEM图像中并不明显（图4E）。

臭氧氧化处理后的前端TCO-free SHJ太阳能电池性能如图5A所示。对15 nm的 a-Si:H (n⁺) 层进行臭氧氧化后，开路电压提高了11 mV，FF可达79.9%，效率为22.34%。另外，消除了TCO寄生吸收后，外量子效率明显提升（图5B），电流密度提高了约1 mA/cm²。

图5 前端无TCO太阳能电池的性能

TCO free结构的潜力

为了比较TCO free SHJ太阳能电池与传统的有TCO电池的横向导电性，研究人员进行了模拟计算，结果如图6A所示。当SHJ太阳电池前端从40 Ω TCO变为TCO free时，串联电阻从0.35 Ωcm²增加到0.39 Ωcm², FF从83.7%下降到83.2%。计算结果表明：在导电的体相c-Si帮助下，去除TCO仅使串联电阻略微提高了0.04 Ωcm²。

图6 前端有和无TCO SHJ太阳能电池的仿真

另一方面，在略微提高串联电阻的代价下（0.04 Ωcm²），前端TCO引起的寄生吸收可以完全去除。图6B的光学模拟显示，用SiN_x作为减反膜替代ITO (44 Ω)后，寄生吸收降低了0.88 mA/cm²，反射降低了0.21 mA/cm²。

总而言之，仅使用体相c-Si进行横向传导替代TCO层，实现了80.7％的FF和0.32Ω·cm²的低串联电阻，证明了TCO-free SHJ太阳电池出色的横向载流子收集。为了抑制金属的界面扩散，在a-Si:H表面上进行了臭氧氧化，从而在不增加接触电阻的情况下，提高了TCO free的SHJ太阳能电池的开路电压。通过避免铟的消耗并改善SHJ太阳能电池的光收集，这种TCO free的SHJ太阳能电池结构同时具有降低成本和提高效率的潜力，有望可以进一步促进硅光伏产业的发展。

Li et al., Transparent-conductive-oxide-free front contacts for high-efficiency silicon heterojunction solar cells, Joule (2021), DOI:10.1016/j.joule.2021.04.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243512100177X