c-Si/a-Si:SHJ太阳能电池的氢界面结构特性。SHJ太阳能电池的横截面示意图。b、转换效率为24.85%的SHJ电池的电流-电压(IV)曲线和功率-电压(PV)曲线。c和d，从取向观察的c-Si/a-Si:H界面的HRTEM图像，分别显示轻微的正常外延层和缺陷外延结构。e和f，分别是自由纳米孪晶和嵌入纳米孪晶两种缺陷的原子分辨率HAADF-STEM图像。g和h，分别从1e和1f中的绿色虚线矩形区域导出的几何原子结构模型。信用:曲等。晶体硅(c-Si)太阳能电池是市场上最有前途的太阳能技术之一。这些太阳能电池具有许多有利的特性，包括接近最佳的带隙、高效率和稳定性。值得注意的是，它们也可以使用可广泛获得且容易获得的原材料来制造。近年来，许多公司和工程师专门将研究重点放在硅异质结(SHJ)太阳能电池上。已经发现，这些由沉积在晶体硅表面上的非晶硅层组成的太阳能电池实现了显著的功率转换效率(PCE)。
北京工业大学、汉能成都研发中心和中国江苏大学的研究人员最近开展了一项研究，旨在仔细检查高效SHJ太阳能电池中c-Si/ a-Si:H界面的结构。他们发表在《自然能源》杂志上的论文提供了有价值的见解，通过允许工程师更好地控制碳硅界面，可以帮助进一步提高SHJ太阳能电池的性能。
开展这项研究的研究人员之一张永哲告诉TechXplore:“随着制造工艺的不断改进，Kaneka已经实现了太阳能电池占24.5%(总面积，239 cm2)和占25.1%(孔径面积，151.9 cm2)。“然而，单结SHJ太阳能电池效率的进一步提高似乎在过去三年停滞不前。因此，迫切需要我们发现新的突破来解决瓶颈，获得更高的SHJ太阳能电池PCEs。”
在SHJ太阳能电池中，碳硅和非晶硅之间的界面对于确保电池获得高PCE至关重要。为了确定可以改善这些细胞PCE的策略，许多研究人员因此使用一种被称为透射电子显微镜的技术仔细检查了碳硅/铝硅氢界面。然而，这些检查往往受到传统瞬变电磁技术空间分辨率低或高分辨率瞬变电磁(HRTEM)成像对界面样品厚度的敏感性的限制。
由于这些限制，到目前为止，基于透射电镜的研究只能收集到关于SHJ电池外延层厚度或陡峭程度的信息。然而，在原子尺度上碳硅/铝硅氢界面的结构特征还没有被确定。
为了进一步提高SHJ电池的效率，研究人员需要深入研究碳硅/铝硅氢界面，并确定在原子尺度上控制它的策略。在他们的研究中，张和他的同事使用成像技术和基于理论的模拟来表示c-Si/ a-Si:H界面的原子和电子结构。他们使用另一种被称为球面像差校正透射电子显微镜的透射电子显微镜技术，研究了高效SHJ太阳能电池中碳硅/铝硅氢界面的原子结构。
作者说:“为了获得最佳原子对比度以准确解释HR-(S)TEM图像，我们使用了两种称为聚焦离子束(FIB)和纳摩尔(nanomill)的技术来仔细制备SHJ太阳能电池的横截面样本。“在这项工作中，c-Si/a-si:H界面结构的理论评估也至关重要，因为根据第一性原理计算，考虑到嵌入的纳米孪晶作为复合中心的深缺陷能级导致载流子寿命较短，它帮助我们在HRTEM图像和器件性能之间建立了物理联系。”
张和他的同事们收集的结果出乎意料。除了细胞正常的外延结构，研究人员还在c-Si和a-Si:H之间的薄外延层中观察到了高密度的纳米孪晶，它们以两种不同的形式存在，即自由纳米孪晶和嵌入纳米孪晶。他们的计算还表明，在这一层嵌入的纳米孪晶损害了SHJ太阳能电池的性能。
在他们在碳硅和碳硅氢之间的薄外延层中发现了高密度纳米孪晶，并确定它们损害了HJ太阳能电池的性能后，研究人员试图确定它们的来源以及它们是如何随着时间的推移而演变的。为了做到这一点，他们使用HRTEM技术研究了电池制造过程不同阶段的碳硅/铝硅氢界面结构。
为了说明碳硅/碳硅氢界面结构的演变，研究人员使用基于微机电系统(MEMs)的加热系统，结合CS校正的透射电子显微镜，进行了额外的原位退火实验。他们的发现揭示了纳米孪晶在非晶硅层沉积过程中成核，并在随后的退火过程中形成。
“从我们的分析中，我们得出结论，在初始阶段抑制孪晶成核是减少嵌入式纳米孪晶的关键步骤，”作者说。“因此，我们通过引入额外的超薄非晶硅缓冲层来制造具有低密度纳米孪晶的SHJ太阳能电池，这些电池表现出更好的性能。”
张和他的同事发现，他们抑制嵌入c-Si/ a-Si:H界面的纳米孪晶的策略进一步增强了太阳能电池的。作为研究的一部分，他们进一步探索了这种策略的潜力，利用它来改变c-Si晶片的初始表面，以确保它偏离{111}平面。
作者说:“我们工作的关键目标是实现一种高效的SHJ太阳能电池，其转换效率为24.85%，这是通过一种工业兼容的工艺制备的。“嵌入孪晶的发现及其阻碍细胞转化效率提高的揭示打破了传统认识:c-Si/a-Si:H界面的悬空键是影响载流子界面的主要绊脚石。”
张和他的同事的研究引入了一种新的策略，可以帮助提高太阳能电池的效率。此外，它在原子尺度上提供了关于高效SHJ太阳能电池中c-Si/a-Si:H界面结构的新见解，表明高密度嵌入的纳米孪晶对这些电池的性能有害。
“采用第一原理计算，我们的理论模拟揭示了纳米孪晶的本质，这是工业化钝化过程中不可避免的缺陷结构，”作者说。“考虑到超深层次的嵌入式纳米孪晶，它作为复合中心并强烈影响性能，因此我们提出了从其产生开始就避免超薄钝化层的策略。在这些过程之后，我们的原位透射电镜测量观察到嵌入纳米孪晶的密度降低，我们提供了一种改善硅太阳能电池性能的新方法。”
到目前为止，碳硅/铝硅氢界面的复合被认为是SHJ太阳能电池能量损失的主要原因。张和他的同事研究了性能最高的太阳能电池的效率损失，发现高密度嵌入的纳米孪晶通常形成在c-Si和a-Si:H层之间的薄外延层中，对器件性能有害。他们还发现，添加超薄的非晶硅缓冲层显著减少了嵌入纳米孪晶的存在，并提高了电池的效率。
“我们的发现意味着，当嵌入的纳米孪晶受到限制时，SHJ PCE太阳能电池可以得到改善，”作者补充道。事实上，在我们的研究中，我们通过降低嵌入式纳米孪晶的密度实现了明显的性能提升。我们现在将关注如何通过调整纳米孪晶在碳硅和非晶硅界面上的演化过程来进一步减少/消除纳米孪晶。"
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