晶體硅/氧化鎢背異質結太陽電池的制備及性能研究

何 濤 ,閆 磊 ,呂文輝 ,王行柱

(1.湘潭大學 物理與光電工程學院,湖南 湘潭 411105;2.湖州師范學院理學院應用物理系,浙江 湖州 313000)

晶體硅太陽電池穩定性好,性價比高,占據了全球光伏近95%的市場份額[1]。傳統的晶體硅太陽電池是在p 型或n 型晶體硅襯底上通過高溫擴散磷或者硼的方法制備pn 結,形成內建電場來分離光激發產生的空穴-電子對,實現光電轉換。最近幾年,在晶體硅表面沉積薄膜形成異質結應用于太陽電池成為研究熱點,以期有效地提高電池的光電轉換效率和降低制造成本。為此,Panasonic's 提出了異質結太陽能電池的概念,主要是通過摻雜非晶硅材料與晶體硅構成異質結,獲得了25.6%光電轉換效率[2]。但是上述電池需要通過化學氣相沉積技術來制備摻雜非晶硅薄膜,在這過程中使用了易燃且有毒材料。因此,利用無風險的材料與晶體硅構成異質結是研究的重點。例如,Dimitri 等[3]將有機半導體材料PEDOT∶PSS 用于晶體硅背面形成異質結,改善了電池的光寄生吸收,相比于前表面異質結電池,電池的開路電壓和短路電流均增大。但是有機半導體材料PEDOT∶PSS 等在空氣中化學性質不穩定,受光易降解。

另一類材料是過渡金屬氧化物,如氧化鉬(MoOx)、氧化鎢(WOx)、氧化釩(VOx) 等,有著卓越的載流子傳輸特性,是應用于硅基太陽電池的理想候選材料[4-10]。這些金屬氧化物的禁帶寬度大于3 eV,吸光損失小;并且其功函數大于5.2 eV[11],不受光而降解,能夠與n 型晶體硅形成整流異質結,分離光生載流子。同時,這些過渡金屬氧化物能夠采用熱蒸發法[12]、濺射沉積法[13]、原子層沉積法或電子術蒸發沉積法在晶體硅襯底上形成薄膜,且兼容器件的制造工藝。因此,本文將過渡金屬物材料用于n 型晶體硅太陽電池探究其光伏性能,從而開發高效且低成本晶體硅太陽電池。

本研究采用熱蒸發法制備了n 型晶體硅/WOx異質結,將其應用于背結晶體硅太陽電池,研究其光電轉換性能。該異質結電池的結構如圖1 所示,n 型晶體硅/WOx異質結在n 型晶體硅背面形成內建電場,用于分離光生載流子。基于該器件結構,對比研究了銀電極和鋁電極對電池性能的影響,并進一步表征了電池的電阻效應和變溫特性。

圖1 n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的結構Fig.1 Structure of n-type crystalline silicon/WOx heterojunction solar cell

1 實驗

本研究采用n 型晶體硅片(電阻率為1～3 Ω·cm,厚度為160 μm)制備晶體硅太陽電池,其工藝流程如圖2 所示,主要包含兩個部分:(1)制備前表面光電結構,采用標準的工業產線工藝[14-15]。首先,采用傳統堿刻蝕法在硅表面制備了金字塔絨面,隨后放入管式退火爐進行POCl3擴散,形成重摻雜n+層,接著去邊、去背結、拋光,并利用PECVD 法在重摻雜的n+層上沉積一層80 nm 的SiNx,最后通過絲網印刷和燒結工藝形成前表面柵線電極。(2)制備背表面光電結構。將上述半成品電池的背面用濃度5%的氫氟酸溶液清洗,吹干后移入真空系統,真空度為5×10-4Pa,在其背面采用熱蒸發的方法制備一層30 nm 的WOx薄膜,蒸發的速率控制在0.05 nm/s。然后,蒸鍍一層300 nm 的金屬銀電極或者鋁電極,熱蒸發速率為0.1 nm/s,最終形成了異質結的晶體硅太陽電池。

圖2 異質結晶體硅太陽電池的制備過程Fig.2 Fabrication process of heterojunction silicon solar cells

在AM 1.5G 模擬太陽光照下測試晶硅太陽電池的電性能,光照強度為100 mW/cm2。通過測試臺控溫系統改變電池的測試溫度,溫度范圍為25～75 ℃,表征n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的電學性能和變溫特性。

2 結果與討論

圖3(a)為暗態下引入WOx前后電池的電流密度-電壓(J-V)特性曲線。從圖中可以看出,當鋁電極直接和n 型晶體硅接觸時,表現出歐姆接觸,而當引入WOx之后,從歐姆接觸轉變為整流接觸。其主要原因是WOx薄膜功函數高,與n 型晶體硅能夠形成肖特基異質結,使其具有整流特性。同時,圖中顯示銀作為背電極直接和n 型晶體硅接觸展示出了整流特性,但其開啟電壓較低。當引入WOx薄膜之后,其開啟電壓增加,整流特性更加顯著。在標準光照條件下,25 ℃時測得各種電池的J-V特性曲線,結果如圖3(b)所示。結合光態下的J-V特性曲線,獲得相應電池的光電轉換性能參數,如表1 所示。結果表明,鋁背電極直接與n 型晶體硅直接接觸的電池無光伏行為,光電轉換效率為零。其物理原因是鋁電極的功函數低,與n 型晶體硅形成歐姆接觸,不能夠形成分離光生載流子的內建電場。而引入高功函數薄膜之后將形成n 型晶體硅/WOx異質結及分離電荷的內建電場,使得電池具有明顯的光伏行為,在鋁中引入WOx獲得了377 mV 的開路電壓,效率為4.2%,當銀直接和n 型晶體硅接觸時,其能獲得0.6%的效率,但是其開路電壓較低。其物理機制可能是蒸鍍的銀薄膜功函數相對蒸鍍鋁電極更高,能夠與n 型晶體硅形成肖特基勢壘及內建電場。當在n 型晶體硅和銀電極中引入WOx薄膜后,電池的光電轉換性能進一步提升。其開路電壓、短路電流密度及填充因子分別為615 mV,34.1 mA/cm2和72%,最終的光電轉換效率達到了15.1%。該結果表明,WOx薄膜與n 型晶體硅能夠形成內建電場更大的異質結,有利于光電轉換。同時,結果證實與WOx薄膜接觸的電極是影響該電池性能的重要因素。蒸發獲得銀電極相對鋁電極有更高的功函數,能夠產生更大的內建電場和較低的接觸電阻,從而使電池獲得更高的光電轉換性能。

表1 引入WOx前后的鋁和銀背電極晶體硅太陽電池的光伏性能參數Tab.1 Photovoltaic performance parameters of crystalline silicon solar cells with aluminum and silver back electrodes by introducting WOx

圖3 引入WOx前后及分別采用鋁和銀背電極的晶體硅太陽電池的J-V 特性曲線。(a)暗態J-V 曲線;(b)光態J-V 曲線Fig.3 Current density (J)-voltage (V) characteristic curves of crystalline silicon solar cells before and after the introduction of WOx by using aluminum and silver back electrodes respectively.(a)Dark J-V;(b)Light J-V

為了探究n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的串聯電阻效應,通過Sun-Voc 測試技術對電池進行表征。圖4 為偽J-V特性曲線,該測試結果中無串聯電阻的影響。通過該測試結果,可得出偽填充因子和偽光電轉換效率分別為82.1%和17.2%。相比包含串聯電阻效應的J-V測試,電池的填充因子和光電轉換效率分別提高了10.1%和2.1%。該研究結果表明,通過改善串聯電阻能進一步提高電池性能。晶體硅太陽電池的填充因子(FF)可表示為[16]:

圖4 Sun-Voc 測試的n 型晶體硅/WOx電池的偽電流密度-電壓(J-V)特性曲線Fig.4 Pseudo current density-voltage (J-V) characteristic curves of Sun-Voc test of n-type silicon/WOx cell

式中:rs=;FF0為不考慮串聯電阻的偽填充因子。根據測試結果,由公式(1)計算出n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的串聯電阻(Rs)為2.08 Ω·cm2。相比于目前最高性能的晶體硅太陽電池的Rs為0.2 Ω·cm2[17],電池的串聯電阻還是較大。需要進一步通過改善背面接觸,減少電池串聯電阻,從而提高電池性能。

溫度是影響晶體硅太陽電池的重要參數。隨著溫度的增加,硅基太陽電池的性能會下降。溫度系數是評價太陽電池對溫度依賴的重要指標,溫度系數越低表明電池能夠更好地在高溫下工作。本研究通過溫控系統改變測試溫度,研究n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的變溫特性。圖5 為溫度從25 ℃升高至75 ℃過程中電池關鍵光電參數的變化規律。圖中顯示,隨著溫度的升高,電池的開路電壓下降,短路電流略微上升,填充因子下降,最終使得光電轉換效率下降。依據測試結果,計算可得光伏參數對應的溫度系數,可知短路電流密度、開路電壓、填充因子、光電轉換效率的溫度系數分別為 0.065%/K,-0.27%/K,-0.14%/K,-0.35%/K。相比于傳統的晶體硅太陽電池的光電轉換效率溫度系數(-0.45%/K),本研究n型晶體硅/WOx異質結太陽電池的相對降低了22%,該研究結果表明,n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池具有更佳的溫度特性,更有利于在高溫下工作。

圖5 n 型晶體硅/WOx電池的性能參數隨溫度的變化規律。(a)開路電壓;(b)短路電流密度;(c)填充因子;(d)光電轉換效率Fig.5 The relationship between the performance parameters of n-type silicon/WOx cell and the temperature.(a) Open-circuit voltage;(b) Short-circuit current density;(c) Fill factor;(d)Photoelectric conversion efficiency

3 結論

本研究制備了n 型晶體硅/WOx異質結及基于該異質結的背結晶體硅太陽電池。光伏性能測試結果表明,相對于背鋁電極,背銀電極能夠有效地提升電池的光電轉換性能,具有較高的開路電壓與填充因子,最高光電轉換效率達到了15.1%。Sun-Voc 測試結果表明,通過降低串聯電阻可使該電池的光電轉換效率進一步提升至17.2%。同時,n 型晶體硅/WOx異質結晶硅太陽電池具有優異的溫度特性,光電轉換效率的溫度系數為-0.35%/K,相比傳統的鋁背場晶體硅太陽電池的溫度系數降低22%。上述研究結果證實,n 型晶體硅/WOx異質結太陽電池的性能可進一步提升,且具有較低的溫度系數,更有利于在高溫下工作,具有實際應用的潛力。