刘文柱/刘正新Nature Energy，实现>25%的硅基太阳能电池转换效率！

成果介绍

最近在非晶/晶体硅异质结(SHJ)太阳能电池和钙钛矿/SHJ串联太阳能电池中所取得的进展，使得氢化非晶硅(a-Si:H)成为光伏转化的研究前沿。由于非晶态四价硅中三价硼的有效掺杂效率极低，上述器件的集光性能受到其填充因子(FFs)的限制，即载流子输运的迁移率、寿命等受限。因此，开发具有高导电性且FF损失最小的掺杂a-Si:H是一项具有挑战性但至关重要的工作。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱、刘正新等人报道了光处理可以有效地提高掺硼a-Si:H薄膜(p-a-Si:H)的暗电导率。光诱导弱束缚氢原子发生扩散和跳跃，从而激活硼掺杂。这种效应是可逆的，当太阳能电池不再被照明时，暗电导率会随着时间的推移而下降。通过将此效应应用于SHJ太阳能电池，可在244.63 cm²的晶片上实现了25.18%的总面积功率转换效率，FF为85.42%。

相关工作以Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells为题在Nature Energy上发表论文。

图文详情

刘文柱/刘正新Nature Energy，实现>25%的硅基太阳能电池转换效率！

图1. 光诱导的暗电导率增加

使用原位方法监测光照期间p-a-Si:H薄膜的时间依赖性变化。由原位电流-电压数据(图1a)可知，p-a-Si:H薄膜的σ_dark在1次太阳光照时稳步增加，30 min后达到σ_dark/σ_dark0≈4.71 (σ_dark0为光处理前的暗电导率)。这一现象与在厚的固有的、p型和n型a-Si:H薄膜中观察到的σ_dark的光致降解形成了鲜明的对比。关闭光照后，σ_dark在1000 min以上逐渐衰减(接近)到初始值。

图2. 光致暗电导率增加和硼掺杂活化的机理

通过飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)研究了p-a-Si:H薄膜中的氢分布。H−光谱(图2a)显示，180°C退火30 min后，本征a-Si:H (i-a-Si:H)中的氢含量仅略有变化，而同一退火过程中p-a-Si:H中至少有21.3%的氢含量被排除。基于这些发现，作者得出结论，硼掺杂对p-a-Si:H中亚稳氢构型的形成起着至关重要的作用。

接下来考虑氢原子的迁移能垒，以了解上述亚稳态氢原子可能的结合构型。过渡态测量(图2b、c)证明，氢从B-H-Si和Si-H-Si到相邻Si-H-Si的跃迁势垒分别为0.88±0.16 eV(图2b中A到B)和0.64±0.16 eV(图2b中B到c)；相反，氢从Si-H-Si到Si-H-Si和B-H-Si的跳跃势垒分别为0.42±0.12 eV(图2b中C到B)和0.61±0.15 eV(图2b中B到A)。考虑图2c中的势垒(A与C的能量差为~0.46 eV)和Si-H-Si中氢的结合能(0.5 ~ 1.05 eV)，B-H-Si中捕获的氢的结合能约为0.96~1.51 eV，明显低于Si-H键的结合能(>3 eV)，这也解释了为什么p-a-Si:H中存在比i-a-Si:H更多的亚稳态氢构型。

图3. p-a-Si:H中弱束缚氢原子的直接证据和对光诱导暗电导率增加的影响

接下来，将p-a-Si:H中的弱键氢原子与正常的Si-H键区分开来，以理解光诱导暗电导率增加的机制。图3a显示了用于TOF-SIMS、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和电流-电压表征的p-a-Si:H薄膜的制备。在p-a-Si:H上封装一层IWO层是为了模拟SHJ太阳能电池的结构，这可能会影响退火过程中氢原子的再分布动力学。TOF-SIMS信号(图3b)发现180°C退火2 h后，p-a-Si:H薄膜中的氢含量降低了>20%，而硅和硼的含量(几乎)保持不变。相反，从图3c可以看出，经过相同的退火工艺后，正常Si-H键的摇摆、弯曲和拉伸强度(几乎)保持不变。比较氢原子的TOF-SIMS信号和Si – H键的FTIR光谱清楚地表明，相对较低的温度(180°C)退火仅从p-a-Si:H膜中排斥弱束缚的氢原子，而正常的Si-H键几乎不受影响。

在图3d中显示了p-a-Si:H薄膜的暗电导随180°C退火时间的变化，σ_dark/σ_dark0在延长的退火过程中，由于弱束缚氢原子的耗尽，σ_dark逐渐下降到~1。这明确地证明了光诱导的暗电导率的增加和硼掺杂活化确实来自于p-a-Si:H中弱结合的氢原子，而不是正常的Si-H键。

图4. 提高光致暗电导率和硼掺杂活化以改善SHJ太阳能电池性能

图5. 光致暗电导率增加和硼掺杂活化的可逆行为

文献信息

Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells，Nature Energy，2022.

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01018-5

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