基于MoOx選擇性接觸的SHJ太陽(yáng)電池研究進(jìn)展

陳 云,蔡厚道

(江西科技學(xué)院智能工程學(xué)院，江西南昌 330098)

太陽(yáng)電池可以看成是一個(gè)吸收太陽(yáng)光的半導(dǎo)體兩端分別連接著一個(gè)選擇性接觸。其中空穴選擇性接觸輸運(yùn)空穴阻擋電子，而電子選擇性接觸輸運(yùn)電子阻擋空穴[1]。鈍化半導(dǎo)體表面缺陷保證了光生載流子在復(fù)合之前能夠輸運(yùn)接觸。高效的載流子選擇性接觸和優(yōu)異的表面鈍化性能是太陽(yáng)電池取得高的光電轉(zhuǎn)換效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素[2]?；诜蔷Ч璞∧さ墓璁愘|(zhì)結(jié)(silicon heterojunction，SHJ)太陽(yáng)電池是高效硅太陽(yáng)電池的典型代表，其器件結(jié)構(gòu)中的本征非晶硅薄膜有效鈍化晶體硅(c-Si)表面，摻雜非晶硅薄膜充當(dāng)載流子選擇性接觸，使得電池能夠取得高達(dá)750 mV 的開(kāi)路電壓[3]和26.3%的轉(zhuǎn)換效率[4]。不過(guò)非晶硅薄膜的禁帶寬度在1.7～1.8 eV 之間，吸收系數(shù)高且缺陷密度大，只需要數(shù)nm 就能引起明顯的對(duì)太陽(yáng)光譜的紫外和可見(jiàn)光波段的寄生吸收，不能將這部分能量轉(zhuǎn)換為光電流。

利用過(guò)渡金屬氧化物(transition metal oxide，TMO)如非化學(xué)計(jì)量比的氧化鉬(MoOx，x<3)取代摻雜非晶硅制備SHJ 太陽(yáng)電池是當(dāng)前光伏界的研究熱點(diǎn)之一。MoOx是一種n 型半導(dǎo)體，禁帶寬度約為3.3 eV，功函數(shù)高達(dá)約6.6 eV，與n 型c-Si 組成n-n 同型異質(zhì)結(jié)[5]。光生空穴將經(jīng)由n-n 同型異質(zhì)結(jié)輸運(yùn)并被沉積在MoOx上的透明導(dǎo)電氧化物(yransparent conductive oxide,TCO)收集?？昭ǖ母咝л斶\(yùn)能提高太陽(yáng)電池的填充因子和轉(zhuǎn)換效率，因此了解基于MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池中空穴輸運(yùn)機(jī)制對(duì)提高太陽(yáng)電池性能、設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)電池都有重要意義。本文總結(jié)了基于MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池研究現(xiàn)狀，主要綜述此類型太陽(yáng)電池的空穴輸運(yùn)機(jī)制。

1 基于MoOx 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池研究現(xiàn)狀

采用熱蒸發(fā)工藝在c-Si 襯底上直接沉積MoOx薄膜時(shí)，會(huì)在c-Si 和MoOx之間形成一層非晶SiOx中間層，這一中間層對(duì)c-Si表面的表面態(tài)有一定的鈍化效果。為了提升鈍化性能，在沉積薄膜之前先在c-Si 表面沉積一層本征非晶硅[(i)a-Si:H]，這是制備SHJ 太陽(yáng)電池工序中非常重要的一步。因此，基于MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池又可分為基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池和基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ太陽(yáng)電池。

1.1 基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池

圖1(a)是基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)則是電池的掃描電鏡斷面圖。如前所述，(i)a-Si:H 和MoOx分別起到了化學(xué)鈍化和載流子選擇性的作用。表1 則總結(jié)了此類太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀。

表1 基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池

圖1 (a)基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H空穴選擇性接觸的SHJ太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖；(b)SHJ太陽(yáng)電池的掃描電鏡斷面圖[2]

1.2 基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池

圖2(a)是基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)則是ITO/MoOx/c-Si 結(jié)構(gòu)的高分辨率透射電鏡圖。如前所述，MoOx薄膜采用熱蒸發(fā)工藝直接沉積在c-Si表面，在MoOx和c-Si之間形成了一層SiOx中間層，SiOx厚度為2.2～2.5 nm[18]。表2總結(jié)了此種太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀。

表2 基于TCO/(n)MoOx 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池

圖2 (a)基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖[5]；(b)SHJ太陽(yáng)電池的高分辨率透射電鏡圖[18]

2 基于MoOx空穴選擇性接觸的空穴輸運(yùn)機(jī)制

2.1 基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的空穴輸運(yùn)機(jī)制

Messmer 等[26]利用Sentaurus TCAD 軟件對(duì)基于TCO/(n)TMO/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池的載流子輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了模擬研究。圖3 是模擬所得的平衡狀態(tài)下的能帶圖，模擬中(i)a-Si:H 價(jià)帶的位置在真空能級(jí)以下5.62 eV 處。圖中ΦTMO是TMO(比如MoOx)的功函數(shù)，能帶彎曲量φcSi用來(lái)表征誘導(dǎo)c-Si 反型層的反型程度。圖中顯示了空穴輸運(yùn)的兩種可能輸運(yùn)機(jī)制：一是帶-帶隧穿(band-to-band tunneling，B2B)，攜帶電荷的空穴直接隧穿；二是陷阱輔助隧穿(trapassisted tunneling，TAT)，攜帶電荷的空穴經(jīng)由TMO 禁帶中的陷阱能級(jí)隧穿。當(dāng)TMO 導(dǎo)帶的位置低于(i)a-Si:H 價(jià)帶的位置時(shí)，光生空穴輸運(yùn)以B2B 隧穿占主導(dǎo)；當(dāng)TMO 導(dǎo)帶的位置高于(i)a-Si:H 價(jià)帶的位置時(shí)，光生空穴輸運(yùn)以TAT 隧穿占主導(dǎo)[27]。

圖3 基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的能帶結(jié)構(gòu)和空穴輸運(yùn)機(jī)制[26]

Vijayan 等[28]同樣利用Sentaurus TCAD 軟件對(duì)基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ太陽(yáng)電池的空穴輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了模擬研究。圖4 是模擬所得的平衡狀態(tài)下的能帶圖，模擬中(i)a-Si:H 價(jià)帶的位置在真空能級(jí)以下5.7 eV 處。當(dāng)MoOx具有高的電子親和能(≥5.7 eV)時(shí)，MoOx導(dǎo)帶和(i)a-Si:H價(jià)帶明顯交疊(overlap)，空穴輸運(yùn)以直接的B2B 隧穿占主導(dǎo)；當(dāng)MoOx的電子親和能低于5.7 eV 時(shí)，能帶沒(méi)有交疊，空穴輸運(yùn)以間接的TAT 隧穿占主導(dǎo)，并可能引入額外的串聯(lián)電阻。在空穴輸運(yùn)以TAT 隧穿占主導(dǎo)的SHJ 太陽(yáng)電池中，MoOx薄膜中的缺陷態(tài)密度需要很好地控制，因?yàn)槿毕輵B(tài)密度不充分時(shí)，電池會(huì)出現(xiàn)S 形的電流密度-電壓曲線，但缺陷態(tài)密度也不能超過(guò)MoOx薄膜的摻雜濃度，否則也會(huì)影響電池的電學(xué)性能，特別是電池的填充因子。為了克服填充因子損失，Vijayan等[29]隨后指出空穴接觸端MoOx的功函數(shù)應(yīng)該高于5.5 eV。

圖4 不同MoOx電子親和能下基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H空穴選擇性接觸的能帶結(jié)構(gòu)[28]

2.2 基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的空穴輸運(yùn)機(jī)制

Hernansanz 等[20]對(duì)基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池的空穴輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了暗態(tài)下正偏壓變溫研究，基于變溫電流密度-電壓曲線，提出了如圖5 所示的載流子輸運(yùn)機(jī)制。圖中黃色部分是高功函數(shù)的MoOx與c-Si 接觸時(shí)在c-Si 表面引起的反型層。MoOx薄膜中含有高密度的氧空位，在其禁帶中形成準(zhǔn)連續(xù)的缺陷能級(jí)。正偏壓下空穴的輸運(yùn)機(jī)制為空穴隧穿進(jìn)入MoOx薄膜并被MoOx中的缺陷態(tài)俘獲，其后空穴復(fù)合或重新發(fā)射的多步隧穿俘獲發(fā)射理論(multitunnelling capture emission theory，MTCE)，如圖中的(1)過(guò)程所示。圖中的(2)過(guò)程和(3)過(guò)程分別為電子經(jīng)過(guò)勢(shì)壘的熱發(fā)射機(jī)制和體內(nèi)載流子的擴(kuò)散-復(fù)合機(jī)制。

圖5 暗態(tài)正偏壓下MoOx基SHJ太陽(yáng)電池載流子輸運(yùn)機(jī)制示意圖

Gao 等[30]認(rèn)為在c-Si 表面上熱蒸發(fā)制備MoOx薄膜時(shí)，會(huì)在MoOx和c-Si 之間形成一層由Mo、O 和Si 原子組成的厚3.5～4.0 nm 的鉬摻雜非晶氧化硅[a-SiOx(Mo)]層?；诿芏确汉牡谝恍栽碛?jì)算方法，認(rèn)為在a-SiOx(Mo)中存在GSIM1和GSIM2 兩種局域態(tài)以及GSIM3 擴(kuò)展態(tài)，并由此提出了光生空穴輸運(yùn)的空穴隧穿-復(fù)合機(jī)制，如圖6 所示。光生空穴既可以通過(guò)GSIM3 擴(kuò)展態(tài)直接隧穿，也可以通過(guò)GSIM1 和GSMI2兩種局域態(tài)輔助隧穿，然后光生空穴會(huì)與ITO 薄膜提供的電子在MoOx/a-SiOx(Mo)界面復(fù)合。圖6 中還顯示了電池背面的電子直接隧穿過(guò)程[22]。

圖6 光照下基于MoOx/a-SiOx(Mo)/c-Si器件的載流子輸運(yùn)機(jī)制示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

高功函數(shù)的n 型MoOx與n 型c-Si 接觸時(shí)誘導(dǎo)c-Si 表面反型，光照引起c-Si 的費(fèi)米能級(jí)分裂并產(chǎn)生光生電子和空穴，光生空穴向n 型MoOx端輸運(yùn)?；赥CO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池效率已經(jīng)達(dá)到了16.7%，而基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽(yáng)電池效率更是高達(dá)23.5%。基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的空穴輸運(yùn)機(jī)制有兩種，即B2B 隧穿和TAT 隧穿。當(dāng)MoOx功函數(shù)較低時(shí)，空穴輸運(yùn)以TAT 隧穿占主導(dǎo)，當(dāng)MoOx功函數(shù)較高時(shí)，空穴輸運(yùn)以B2B 隧穿占主導(dǎo)?；赥CO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的空穴輸運(yùn)機(jī)制為多步隧穿俘獲發(fā)射和空穴隧穿-復(fù)合機(jī)制?？昭ㄝ斶\(yùn)機(jī)制的研究將為優(yōu)化光伏器件性能和設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)電池提供一定借鑒作用。