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我國學者在硅異質結太陽能電池研究方面取得進展
2021年03月15日 15:22:39
來源：信息科學部 點擊量：7019
SHJ電池是在晶硅兩側表面依次沉積本征非晶硅和摻雜非晶硅形成的一種可雙面入光發電的太陽能電池(圖1A)，其結構中的非晶硅薄膜一方面可以鈍化晶硅表面懸掛鍵，從而確保光生載流子的有效傳輸與抽取；另一方面，非晶硅薄膜較大的帶隙也促使該類電池具有顯著的高開路電壓和高光電轉換效率(理論極限效率為29.4%)，被認為是具有產業化競爭力的光伏技術之一。然而，實際制備的SHJ電池效率與理論極限效率仍存在較大差距，
【化工儀器網 項目成果】在國家自然科學基金項目(批準號：11774016、61922005、11874314、62034001)等的資助下，北京工業大學鄭坤研究員團隊(顯微學表征)、張永哲教授團隊(半導體光電器件物理)與漢能成都研發中心團隊(異質結電池技術)聯合攻關，在晶體硅(c-Si)/非晶硅(a-Si:H)異質結(Silicon Heterojunction，簡稱SHJ)太陽能電池研究方面取得進展。研究成果以“晶硅/非晶硅界面嵌入式納米孿晶制約高效硅異質結太陽能電池性能(Identification of embedded nanotwins at c-Si/a-Si:H interface limiting the performance of high-efficiency silicon heterojunction solar cells)”為題，于2021年2月8日在《自然?能源》(Nature Energy)上發表。 
SHJ電池是在晶硅兩側表面依次沉積本征非晶硅和摻雜非晶硅形成的一種可雙面入光發電的太陽能電池(圖1A)，其結構中的非晶硅薄膜一方面可以鈍化晶硅表面懸掛鍵，從而確保光生載流子的有效傳輸與抽取；另一方面，非晶硅薄膜較大的帶隙也促使該類電池具有顯著的高開路電壓和高光電轉換效率(理論極限效率為29.4%)，被認為是具有產業化競爭力的光伏技術之一。然而，實際制備的SHJ電池效率與理論極限效率仍存在較大差距，影響了其產業化進程。因此，尋找制約SHJ電池效率提升的根本原因成為領域迫切需要解決的核心問題。
針對上述問題，聯合團隊以產業化SHJ電池(M2基片，面積244.5 cm2)為研究對象，采用電子顯微學觀察、理論計算、器件物理分析相結合的方式，模擬產業化工藝步驟參數，離位/原位觀察并確定了界面處的原子結構特征及結構演變規律。在c-Si{111}/a-Si:H電池界面處，不僅觀察到常規外延生長現象，更重要的是在外延層中發現了“嵌入式納米孿晶”(圖1B)；進一步理論計算及器件物理性能分析表明，該缺陷扮演了深能級復合陷阱的角色(圖1C、圖1D)，能引起光生載流子的SRH(Shockley-Read-Hall)復合效應，進而降低器件的少子壽命，限制了SHJ電池的轉換效率。這一發現顛覆了過去40多年SHJ電池研究總結的一個共識觀點，即影響SHJ電池效率的是界面處存在的Si-懸掛鍵點缺陷，也解釋了氫鈍化工藝改進為何難以進一步提升電池性能。同時，基于“嵌入式納米孿晶”缺陷的形核-生長-終止乃至對稱性的反轉規律，聯合團隊還闡釋了產生“納米孿晶缺陷”缺陷的誘導因素和作用機制，提出了超薄抑制鈍化層等系統器件工藝，制備的SHJ電池測試結果表明，工藝改進后界面缺陷密度明顯降低(圖1E)、電池光電轉換效率得到提升(圖1F)。
項目研究成果對SHJ電池乃至其他種類硅異質結電池具有參考價值，為我國光伏產業的自主創新和穩健發展貢獻了力量。
圖1 硅異質結(SHJ)太陽能電池中晶硅/非晶硅界面研究。(A)硅異質結太陽能電池結構示意圖；(B)嵌入式納米孿晶缺陷的原子分辨顯微結構；缺陷態的電荷分布(C)和能帶結構(D)；工藝改進前后界面缺陷密度(E)與電池光電轉換效率(F)的情況對比
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