基于MoOx選擇性接觸的SHJ太陽電池研究進展

陳 云,蔡厚道

(江西科技學院智能工程學院，江西南昌 330098)

太陽電池可以看成是一個吸收太陽光的半導體兩端分別連接著一個選擇性接觸。其中空穴選擇性接觸輸運空穴阻擋電子，而電子選擇性接觸輸運電子阻擋空穴[1]。鈍化半導體表面缺陷保證了光生載流子在復合之前能夠輸運接觸。高效的載流子選擇性接觸和優異的表面鈍化性能是太陽電池取得高的光電轉換效率的兩個關鍵因素[2]。基于非晶硅薄膜的硅異質結(silicon heterojunction，SHJ)太陽電池是高效硅太陽電池的典型代表，其器件結構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載流子選擇性接觸，使得電池能夠取得高達750 mV 的開路電壓[3]和26.3%的轉換效率[4]。不過非晶硅薄膜的禁帶寬度在1.7～1.8 eV 之間，吸收系數高且缺陷密度大，只需要數nm 就能引起明顯的對太陽光譜的紫外和可見光波段的寄生吸收，不能將這部分能量轉換為光電流。

利用過渡金屬氧化物(transition metal oxide，TMO)如非化學計量比的氧化鉬(MoOx，x<3)取代摻雜非晶硅制備SHJ 太陽電池是當前光伏界的研究熱點之一。MoOx是一種n 型半導體，禁帶寬度約為3.3 eV，功函數高達約6.6 eV，與n 型c-Si 組成n-n 同型異質結[5]。光生空穴將經由n-n 同型異質結輸運并被沉積在MoOx上的透明導電氧化物(yransparent conductive oxide,TCO)收集。空穴的高效輸運能提高太陽電池的填充因子和轉換效率，因此了解基于MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池中空穴輸運機制對提高太陽電池性能、設計新型太陽電池都有重要意義。本文總結了基于MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池研究現狀，主要綜述此類型太陽電池的空穴輸運機制。

1 基于MoOx 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池研究現狀

采用熱蒸發工藝在c-Si 襯底上直接沉積MoOx薄膜時，會在c-Si 和MoOx之間形成一層非晶SiOx中間層，這一中間層對c-Si表面的表面態有一定的鈍化效果。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 太陽電池和基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ太陽電池。

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

圖1(a)是基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池結構示意圖，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分別起到了化學鈍化和載流子選擇性的作用。表1 則總結了此類太陽電池的研究現狀。

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

圖1 (a)基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H空穴選擇性接觸的SHJ太陽電池結構示意圖；(b)SHJ太陽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 太陽電池

圖2(a)是基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池結構示意圖，圖2(b)則是ITO/MoOx/c-Si 結構的高分辨率透射電鏡圖。如前所述，MoOx薄膜采用熱蒸發工藝直接沉積在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總結了此種太陽電池的研究現狀。

表2 基于TCO/(n)MoOx 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池

圖2 (a)基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ太陽電池結構示意圖[5]；(b)SHJ太陽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機制

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

Messmer 等[26]利用Sentaurus TCAD 軟件對基于TCO/(n)TMO/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池的載流子輸運機制進行了模擬研究。圖3 是模擬所得的平衡狀態下的能帶圖，模擬中(i)a-Si:H 價帶的位置在真空能級以下5.62 eV 處。圖中ΦTMO是TMO(比如MoOx)的功函數，能帶彎曲量φcSi用來表征誘導c-Si 反型層的反型程度。圖中顯示了空穴輸運的兩種可能輸運機制：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)，攜帶電荷的空穴經由TMO 禁帶中的陷阱能級隧穿。當TMO 導帶的位置低于(i)a-Si:H 價帶的位置時，光生空穴輸運以B2B 隧穿占主導；當TMO 導帶的位置高于(i)a-Si:H 價帶的位置時，光生空穴輸運以TAT 隧穿占主導[27]。

圖3 基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的能帶結構和空穴輸運機制[26]

Vijayan 等[28]同樣利用Sentaurus TCAD 軟件對基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ太陽電池的空穴輸運機制進行了模擬研究。圖4 是模擬所得的平衡狀態下的能帶圖，模擬中(i)a-Si:H 價帶的位置在真空能級以下5.7 eV 處。當MoOx具有高的電子親和能(≥5.7 eV)時，MoOx導帶和(i)a-Si:H價帶明顯交疊(overlap)，空穴輸運以直接的B2B 隧穿占主導；當MoOx的電子親和能低于5.7 eV 時，能帶沒有交疊，空穴輸運以間接的TAT 隧穿占主導，并可能引入額外的串聯電阻。在空穴輸運以TAT 隧穿占主導的SHJ 太陽電池中，MoOx薄膜中的缺陷態密度需要很好地控制，因為缺陷態密度不充分時，電池會出現S 形的電流密度-電壓曲線，但缺陷態密度也不能超過MoOx薄膜的摻雜濃度，否則也會影響電池的電學性能，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的功函數應該高于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構[28]

2.2 基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的空穴輸運機制

Hernansanz 等[20]對基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池的空穴輸運機制進行了暗態下正偏壓變溫研究，基于變溫電流密度-電壓曲線，提出了如圖5 所示的載流子輸運機制。圖中黃色部分是高功函數的MoOx與c-Si 接觸時在c-Si 表面引起的反型層。MoOx薄膜中含有高密度的氧空位，在其禁帶中形成準連續的缺陷能級。正偏壓下空穴的輸運機制為空穴隧穿進入MoOx薄膜并被MoOx中的缺陷態俘獲，其后空穴復合或重新發射的多步隧穿俘獲發射理論(multitunnelling capture emission theory，MTCE)，如圖中的(1)過程所示。圖中的(2)過程和(3)過程分別為電子經過勢壘的熱發射機制和體內載流子的擴散-復合機制。

圖5 暗態正偏壓下MoOx基SHJ太陽電池載流子輸運機制示意圖

Gao 等[30]認為在c-Si 表面上熱蒸發制備MoOx薄膜時，會在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。基于密度泛函的第一性原理計算方法，認為在a-SiOx(Mo)中存在GSIM1和GSIM2 兩種局域態以及GSIM3 擴展態，并由此提出了光生空穴輸運的空穴隧穿-復合機制，如圖6 所示。光生空穴既可以通過GSIM3 擴展態直接隧穿，也可以通過GSIM1 和GSMI2兩種局域態輔助隧穿，然后光生空穴會與ITO 薄膜提供的電子在MoOx/a-SiOx(Mo)界面復合。圖6 中還顯示了電池背面的電子直接隧穿過程[22]。

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

3 結束語

高功函數的n 型MoOx與n 型c-Si 接觸時誘導c-Si 表面反型，光照引起c-Si 的費米能級分裂并產生光生電子和空穴，光生空穴向n 型MoOx端輸運。基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池效率已經達到了16.7%，而基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的SHJ 太陽電池效率更是高達23.5%。基于TCO/(n)MoOx/(i)a-Si:H 空穴選擇性接觸的空穴輸運機制有兩種，即B2B 隧穿和TAT 隧穿。當MoOx功函數較低時，空穴輸運以TAT 隧穿占主導，當MoOx功函數較高時，空穴輸運以B2B 隧穿占主導。基于TCO/(n)MoOx空穴選擇性接觸的空穴輸運機制為多步隧穿俘獲發射和空穴隧穿-復合機制。空穴輸運機制的研究將為優化光伏器件性能和設計新型太陽電池提供一定借鑒作用。