西南科大&SIAM ACS：通過納秒脈沖激光熔化對硅太陽能電池進(jìn)行鈦超摻雜，探討其影響性能的關(guān)鍵因素

新型太陽能電池技術(shù)層出不窮，其中包括銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和Kesterite太陽能電池等。然而，單晶硅（c-Si）太陽能電池憑借其**的材料質(zhì)量、成熟的制造工藝以及高效的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），在商用領(lǐng)域依然占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，市場份額超過90%。盡管如此，提升c-Si太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍是推動(dòng)其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在，因?yàn)镻CE的每1%增長都能帶來約7%的成本降低。

為了提升c-Si太陽能電池的PCE，研究者們廣泛聚焦于改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)和制造工藝。目前，通過采用鈍化發(fā)射極和背面電池（PERC）、隧道氧化物鈍化接觸（TOPCon）和異質(zhì)結(jié)-內(nèi)稟薄膜（HJT）等制備技術(shù)，c-Si太陽能電池已實(shí)現(xiàn)23.0%至26.8%的PCE值。其中，PERC技術(shù)憑借其高PCE和低制造成本，在光伏市場中脫穎而出。然而，電學(xué)和光學(xué)損耗成為制約硅單結(jié)太陽能電池實(shí)際PCE的瓶頸，通常被限定在約27.1%的水平。電損耗主要包括二極管非線性損耗、復(fù)合損耗和電阻損耗；而光損耗則主要包括表面反射損耗和光子吸收損耗。由于硅的本征帶隙（Eg）為1.12eV，只有能量高于此值的光子（即波長低于約1100nm）才能被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對。

為了突破這一限制，西南科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院的溫才教授聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)公司第九研究所的團(tuán)隊(duì)，探索了通過超摻雜硅與深層雜質(zhì)（如硫基和過渡金屬雜質(zhì)）的方法來拓寬太陽光譜的吸收范圍，從而提高c-Si太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。納秒脈沖激光熔融（NPLM）作為一種高效且經(jīng)濟(jì)的方法，被用于制備高效率的超摻雜硅太陽能電池。然而，關(guān)于影響這些太陽能電池中載流子產(chǎn)生和收集的關(guān)鍵因素，仍存在許多未知。為了深入理解這些因素，研究者們通過結(jié)合電子束沉積和空氣或低真空環(huán)境中的NPLM方法，在具有PERC結(jié)構(gòu)的c-Si太陽能電池基板上實(shí)現(xiàn)了硅薄膜的鈦超摻雜。他們系統(tǒng)研究了鈦超摻雜硅（Si:Ti）太陽能電池的性能，評估了Si:Ti薄膜的結(jié)晶度、厚度以及NPLM過程中引入的氧雜質(zhì)等因素對器件性能的影響。

研究結(jié)果顯示，Si:Ti薄膜的結(jié)晶度決定了鈦雜質(zhì)的電激活率（或亞帶隙光學(xué)吸收），而薄膜的厚度則影響了Si:Ti薄膜中的載流子傳輸效率。此外，Si:Ti薄膜形成的金字塔狀微觀結(jié)構(gòu)粗糙表面增強(qiáng)了太陽能電池的本征光學(xué)吸收。值得注意的是，盡管引入了氧雜質(zhì)，但它們更傾向于與硅結(jié)合，并不影響電激活鈦雜質(zhì)的濃度。因此，在空氣中通過NPLM制備的Si:Ti太陽能電池實(shí)現(xiàn)了19.4%的高光電轉(zhuǎn)換效率，比裸露的c-Si太陽能電池基板（17.3%）提高了2.1%。短路電流密度和外部量子效率測量進(jìn)一步證實(shí)了這種效率提升是由于本征和亞帶隙光電流的增加。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)完全的NPLM并獲得良好的薄膜結(jié)晶度，薄膜厚度與激光能量密度之間的匹配至關(guān)重要。較大的薄膜厚度需要對應(yīng)較高的激光能量密度，但這也可能導(dǎo)致更大的激光燒蝕和晶體質(zhì)量變差，從而影響光生載流子的傳輸。因此，當(dāng)Si:Ti太陽能電池的薄膜厚度達(dá)到或超過200nm時(shí)，其串聯(lián)電阻會(huì)迅速增大。

本研究不僅為深入理解微觀結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系提供了寶貴的基礎(chǔ)結(jié)果，還展示了超摻雜硅在實(shí)現(xiàn)全太陽光譜光響應(yīng)方面的巨大潛力。通過選擇高效率的基板（如HJT和TOPcon太陽能電池），可以進(jìn)一步提高效率并降低現(xiàn)有商用c-Si太陽能電池的成本。同時(shí)，研究還指出，在使用NPLM工藝制備Si:Ti太陽能電池時(shí)，Si:Ti薄膜中存在的晶界等結(jié)構(gòu)缺陷對近紅外光生載流子傳輸具有重要影響。這些發(fā)現(xiàn)為未來的研究和應(yīng)用提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

• Hongwang Yang，

• Xudong Cai，

• Shijie Zeng，

• Yubei Lin，

• Guoying Dong，

• Cai Wen，

• Min Chen，

• Xiaoyu Li，

• Zhuang Xu，

• Yuan Wei，

• Yong Ren

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.4c02537?articleRef=control

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