上海高研院在晶體硅太陽電池研究中取得進(jìn)展

晶體硅（c-Si）太陽電池的降本增效是發(fā)展和普及光伏發(fā)電、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要推動(dòng)力。以非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）為代表的鈍化接觸太陽電池已獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注；SHJ電池存在的寄生光吸收高、設(shè)備和工藝成本高等問題促使學(xué)界尋找替代材料和工藝。

近日，中國科學(xué)院上海高等研究院研究員李東棟、副研究員魯林峰等人在ACS Applied Materials & Interfaces上，發(fā)表了題為Interfacial Engineering of Cu₂O Passivating Contact for Efficient Crystalline Silicon Solar Cells with an Al₂O₃ Passivation Layer的研究成果。

晶體硅與p型Cu₂O材料具有低的價(jià)帶偏移和高的導(dǎo)帶偏移，因此，c-Si/Cu₂O異質(zhì)結(jié)可對(duì)電子進(jìn)行阻擋，實(shí)現(xiàn)空穴的選擇性傳輸。該研究中，研究人員以p-Si/Cu₂O鈍化接觸異質(zhì)結(jié)太陽能電池為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)直接的p-Si/Cu2O接觸將導(dǎo)致一個(gè)自發(fā)形成的亞化學(xué)計(jì)量比SiO_X夾層。同時(shí)，Cu元素也擴(kuò)散到硅表面形成深能級(jí)摻雜，減少少數(shù)載流子壽命。研究人員隨后在p-Si/Cu₂O界面上引入超薄Al₂O₃層（~1 nm），它不僅能夠起到鈍化隧道層的作用，而且還抑制了Si/Cu₂O界面上的氧化還原反應(yīng)和Cu擴(kuò)散。結(jié)合金的高功函數(shù)和銀的優(yōu)異光學(xué)特性，基于p-Si/Al₂O₃/Cu₂O/Au/Ag鈍化接觸的太陽電池功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到19.71%，為已報(bào)道的同類型電池的最高水平。該研究揭示了p-Si/Cu₂O鈍化接觸的界面特性和載流子傳輸機(jī)制，為減少其界面缺陷和實(shí)現(xiàn)載流子的選擇性傳輸提供了有效策略，可作為一種普適的方法在提升異質(zhì)結(jié)電池效率和穩(wěn)定性方面得到應(yīng)用，并為其他類型的薄膜太陽電池的研究提供新思路。

研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、上海市科委和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。

圖1.p型Si片上沉積Cu₂O和Al₂O₃/Cu₂O疊層薄膜后的（a）少子壽命隨注入濃度的關(guān)系，以及（b）飽和電流密度（J0S）

圖2.p-Si和p-Si/Al₂O₃襯底上制備Cu₂O薄膜的Cu 2p, Cu LMM, Si 2p 以及O 1s的XPS圖譜

圖3.p-Si和p-Si/Al₂O₃襯底上制備Cu₂O薄膜截面的高分辨透射電子顯微鏡照片以及相應(yīng)的能譜分析

圖4.（a）p-Si/Al₂O₃/Cu₂O背接觸異質(zhì)電池示意圖，以及不同疊層器件的（b）電流密度-電壓（J-V）和（c）外量子效率（EQE）曲線。（d）在不同金屬背電極下，體硅和電極的光吸收特性