鉅大LARGE | 點擊量：348次 | 2024年08月15日
工程師們提出了提高硅異質結太陽能電池性能的方案
晶體硅(c-Si)太陽能電池是市場上最有前途的太陽能技術之一。這些太陽能電池有許多優點，包括接近最佳的帶隙、高效率和穩定性。值得注意的是，它們也可以用廣泛可用和容易獲得的原材料來制造。
近年來，許多公司和工程師專門致力于硅異質結(SHJ)太陽能電池的研究。這些太陽能電池由沉積在晶體硅表面的非晶態硅層組成，已被發現具有顯著的能量轉換效率(PCE)。
北京工業大學、漢能成都研發中心和江蘇大學的研究人員最近進行了一項研究，旨在仔細檢查高效SHJ太陽能電池中c-Si/a-si:H界面的結構。他們的論文發表在《自然能源》雜志上，通過允許工程師對c-Si/a-Si:H界面進行更大的控制，為進一步提高SHJ太陽能電池的性能提供了有價值的見解。
隨著制造技術的不斷改進，Kaneka已經實現了具有24.5%PCE(總面積，239cm2)和25.1%PCE(孔徑面積，151.9cm2)的SHJ太陽能電池。然而，單結SHJ太陽能電池效率的進一步提高在過去三年似乎停滯不前。因此，迫切需要找到新的突破點來解決瓶頸，獲得更高的SHJ太陽能電池PCEs。
同單晶硅和硅之間的接口:HSHJ太陽能電池關鍵重要細胞在確保實現高PCE。識別策略,可以提高這些細胞的PCE,許多研究人員因此密切了同單晶硅/硅:H接口使用一種技術稱為透射電子顯微鏡(TEM)。然而，這些檢查往往受到傳統TEM技術空間分辨率較差或高分辨率TEM(HRTEM)成像對界面樣品厚度的敏感性的限制。
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由于這些限制，迄今為止，基于tem的研究只能收集到SHJ細胞外延層厚度或突然性的信息。然而，在原子尺度上c-Si/a-Si:H界面的結構特征還沒有被確定。
為了進一步提高SHJ電池的效率，研究人員需要深入研究c-Si/a-Si:H界面，并確定在原子尺度上控制它的策略。在他們的研究中，Zhang和他的同事使用HRTEM成像技術和基于理論的模擬來表示c-Si/a-Si:H界面的原子和電子結構。他們使用一種被稱為球面像差校正透射電子顯微鏡(CS-correctedTEM)的替代TEM技術檢測了高效SHJ太陽能電池中c-Si/a-Si:H界面的原子結構。
“為了獲得準確解釋HR-(S)TEM圖像的最佳原子對比度，我們使用了兩種技術，即聚焦離子束(FIB)和納米磨來精心制備SHJ太陽能電池的橫截面樣品，”Zhang說。”的理論評價同單晶硅/硅:H界面結構在這個工作也是至關重要的,因為它幫助我們畫一個介紹圖像之間的物理連接和設備性能,考慮到嵌入式nanotwins復合中心的深層缺陷水平導致短載體壽命,基于采用基于計算。”
張和他的同事們收集的結果相當出乎意料和驚訝。除了細胞正常的外延結構外，研究人員還在c-Si和a-Si:H之間的薄外延層中觀察到高密度的納米孿晶，它們以兩種不同的形式存在，即自由納米孿晶和嵌入納米孿晶。他們的計算還表明，嵌入在這一層的納米孿晶破壞了SHJ太陽能電池的性能。
在他們在c-Si和a-Si:H之間的薄外延層中識別出高密度納米孿晶，并確定它們會損害SHJ太陽能電池的性能后，研究人員試圖確定它們的起源以及它們如何隨時間進化。為此，他們使用HRTEM技術檢測了c-Si/a-Si:H在細胞制造過程不同階段的界面結構。
為了說明c-Si/a-si:H界面結構的演變，研究人員使用基于微機電系統(MEMs)的加熱系統，結合cs校正的TEM，進行了額外的原位退火實驗。他們的研究結果表明，納米孿晶在i-a-Si:H層沉積過程中成核，并在隨后的退火過程中形成。
“從我們的分析中，我們得出結論，在初始階段抑制孿晶成核是減少嵌入納米孿晶的關鍵步驟，”張說。“因此，我們通過引入超薄的i-a-Si:H緩沖層，利用低密度納米孿晶制作了SHJ太陽能電池，這些電池表現出了更好的性能。”
張和他的同事們發現，他們抑制嵌在c-Si/a-Si:H界面中的納米孿晶的策略進一步增強了SHJ太陽能電池的PCE。作為研究的一部分，他們進一步探索了這種策略的潛力，使用它來改變c-Si晶片的初始表面，以確保它偏離{111}平面。
“我們工作的主要目標是實現一種轉換效率為24.85%的高效SHJ太陽能電池，其制備工藝與工業兼容，”張說。“嵌入孿晶的發現和它們阻礙細胞轉換效率提高的發現打破了傳統的理解:c-Si/a-Si:H界面上的懸空鍵是影響載流子界面的主要絆腳石。”
張和他的同事們的研究引入了一種新的策略，可以幫助提高SHJ太陽能電池的效率。此外，該研究還提供了原子尺度下高效SHJ太陽能電池c-Si/a-Si:H界面結構的新見解，表明高密度嵌入的納米孿晶對這些電池的性能有害。
“運用第一性原理計算，我們的理論模擬揭示了納米孿晶的本質，這是工業化鈍化過程中不可避免的缺陷結構，”張說。“考慮到嵌入的超深納米孿晶作為復合中心，對性能有很大的影響，因此我們提出了避免產生超薄鈍化層的策略。在這些過程之后，我們的原位TEM測量觀察到嵌入納米孿晶的密度降低，我們提供了一種提高硅太陽能電池性能的新方法。”
到目前為止，c-Si/a-Si:H界面的復合被認為是SHJ太陽能電池能量損失的主要原因。Zhang和他的同事們研究了最高性能太陽能電池的效率損失，發現高密度嵌入的納米孿晶對器件性能有害，通常形成于c-Si和a-Si:H層之間的薄外延層。他們還發現，添加超薄的a-Si緩沖層顯著減少了嵌入納米孿晶的存在，并提高了電池的效率。
Zhang補充道：“我們的發現表明，當抑制嵌入的納米孿晶時，SHJ太陽能電池的PCE可以得到改善。”事實上，在我們的研究中，通過降低嵌入納米孿晶的密度，我們取得了明顯的性能改善。現在我們將重點研究如何通過調整納米孿晶在c-Si和a-Si:H界面上的演化過程來進一步減少/消除納米孿晶。
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