原子层沉积Al2O3及原位氢化技术提升钝化接触晶硅异质结太阳能电池载流子选择性

当前以硅基薄膜作为钝化接触结构的异质结（HJT）和隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳电池均已突破26%的转换效率。但这两种电池技术采用的掺杂硅薄膜存在较严重的寄生光学吸收且设备成本较高，限制了晶体硅（c-Si）电池效率的进一步提升。基于宽带隙金属化合物的免掺杂钝化接触c-Si异质结太阳电池可减少寄生光学吸收且制备工艺简单，具有降本增效的巨大潜力，是近年来高效c-Si电池研究领域的热点。但当前免掺杂钝化接触晶硅电池的最高效率仍不足24%，主要原因为基于宽带隙金属化合物结构的钝化性能仍需要进一步提升。HJT或TOPCon中优异的钝化层工艺难以直接应用于新型免掺杂钝化接触c-Si异质结太阳电池。因此，探索适用免掺杂钝化接触c-Si异质结太阳电池的钝化方案，提升器件载流子选择性，是突破其性能提升瓶颈的重要挑战。

近日，中国科学院上海高等研究院和上海应用物理研究所联合晋能清洁能源科技股份公司，提出一种Al₂O₃钝化隧穿层的原位氢化技术，用以提升c-Si/Cu₂O界面的钝化性能和空穴载流子的选择性。Al₂O₃的原位氢化策略与电池的制备工艺兼容，采用氢化Al₂O₃/Cu₂O的钝化接触结构，首次将基于p型半导体氧化物Cu₂O钝化接触c-Si电池效率提升到20%以上。相关成果以题为“Effective Hydrogenation Strategies to Boost Efficiency over 20% for Crystalline Silicon Solar Cell with Al₂O₃/Cu₂O Passivating Contact”发表于Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202207158）。

Al₂O₃采用原子层沉积（ALD）方法制备，通过使用混合的H₂/N₂（5v%/95v%）载气将额外的H引入Al₂O₃中（记为H-Al₂O₃）。实验分析和密度泛函理论 (DFT) 计算共同揭示了原位引入的H倾向于积聚在p-Si/H-Al₂O₃界面处，这不仅可以饱和p-Si表面的悬挂键，提高化学钝化性能，而且通过促进电子从p-Si到H-Al₂O₃的转移提高了H-Al₂O₃中的固定负电荷浓度，提升场钝化性能。最终，通过在p-Si太阳能电池中使用 H-Al₂O₃/Cu₂O 作为空穴选择性钝化接触，实现了20.35% 的光电转换效率（填充因子为84.76%），为已报道的同类型电池的最高水平。该工作提出了一种ALD过程中的原位掺H策略，可有效提高界面钝化性能和电池效率。原位掺H的方法与新型免掺杂钝化接触异质结电池的制备工艺兼容，是提升此类电池效率和稳定性的普适性方法，也为其他类型的薄膜太阳电池的研究提供了新思路。 

论文第一作者为中科院上海高等研究院博士生李乐，通讯作者为李东栋研究员、张姗婷助理研究员和高嶷研究员。该工作受到了国家自然科学基金、上海市科委、山西省科技厅、中国科学院青年创新促进会、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金和张江实验室的支持。

图1.（a）p-Si/Al₂O₃和p-Si/H-Al₂O₃（100 cycle）薄膜的傅立叶变换红外（FTIR）光谱，及其（b-c）Si-H_n和-OH信号的放大图。（d）和（e）分别为少子寿命和电压-电容（C-V）测试示意图。（f）p-Si、p-Si/Al₂O₃和p-Si/H-Al₂O₃（10 cycle）薄膜的少子寿命随注入浓度关系。（g）p-Si/Al₂O₃和p-Si/H-Al₂O₃薄膜（100 cycle）的C-V特性曲线。

图2. 理论计算得到的p-Si/Al₂O₃（完美）和p-Si/Al₂O₃（4Si-H）的（a-b）面平均电荷差分密度∆ρ、（c-d）宏观平均势能和面平均势能。黄色和蓝色的阴影区域分别指电子的积累和耗尽。

图3.（a）p-Si/Al₂O₃/Cu₂O和（b）p-Si/H-Al₂O₃/Cu₂O原子力显微照片。(c) p-Si/SiO_x（天然氧化层）、p-Si/Al₂O₃和p-Si/H-Al₂O₃的表面自由能（橘黄色和蓝色分别表示色散部分和极性部分）。

图4. p-Si/Cu₂O、p-Si/Al₂O₃/Cu₂O和p-Si/H-Al₂O₃/Cu₂O薄膜的（a）少子寿命随注入浓度的关系，（b-c）电流-电压（I-V）曲线。（d）接触电阻拟合曲线。

图5.（a）p-Si/H-Al₂O₃/Cu₂O钝化接触异质电池示意图，（b）电池的电流密度-电压（J-V）曲线，（c）外量子效率（EQE）曲线和（d）暗电流曲线。

Le Li, Lei Ying, Yinyue Lin, Xiaodong Li, Xi Zhou, Guanlin Du, Yi Gao, Wenzhu Liu, Linfeng Lu, Jilei Wang, Liyou Yang, Shan-Ting Zhang, Dongdong Li, Effective Hydrogenation Strategies to Boost Efficiency over 20% for Crystalline Silicon Solar Cell with Al₂O₃/Cu₂O Passivating Contact, Advanced Functional Materials, 2022

https://doi.org/10.1002/adfm.202207158