Nb2O5/Si异质结太阳能电池钝化性能和选择性接触层研究

作     者：余国强 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王朋

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：硅太阳电池 氧化铌 空穴选择性接触 离子掺杂 功函数 

摘      要：晶体硅太阳电池凭借高稳定性、高效率等特点,占据了光伏市场95%以上的份额。为了减少背表面的复合,钝化发射极和背面电池(PERC)已取代铝背场(Al-BSF)并成为当前商业化硅电池的主流结构。但是,重掺杂工艺、硅与金属电极的直接接触会产生严重的俄歇复合、费米能级钉扎效应和能源消耗。因此,能够突破上述限制而实现更高的转换效率的钝化接触太阳电池受到了广泛关注。尽管掺杂硅(非晶硅或多晶硅)结构获得了优异的钝化接触性能,但仍存在寄生吸收、沉积设备昂贵和工艺复杂等缺点。过渡族金属氧化物(TMO)具有宽带隙、宽范围的功函数、低成本工艺制备等优点,其作为钝化接触材料是当前国内外光伏界的研究热点。其中,氧化铌(NbO)具有良好的钝化和电子选择性,但在硅太阳电池中应用还未有报道。本文使用低温溶液法制备了NbO薄膜,研究了NbO薄膜在硅表面的钝化动力学机制。并且,实验发现其具有与普遍认知相反的高的空穴选择性,制备了p-Si/NbO异质结太阳电池,并通过离子掺杂与界面优化提升薄膜的功函数,研究空穴传输机制并提升电池性能。本文的主要工作包括:(1)本文通过低温溶液法制备NbO薄膜,证明其在硅表面的钝化可以通过低温退火(350C)会使钝化失活,HF和RCA预处理表面钝化的失活能分别为0.86和1.06 e V。结合XPS等测试分析,本文推测NbO薄膜在硅表面的钝化激活和失活过程与氢的扩散密切相关。(2)本文在n-Si和p-Si上分别沉积NbO薄膜研究其载流子选择性,有趣的是,与n-Si接触表现出电子阻挡性质,而与p-Si极低的接触电阻率证明其优异的空穴选择性。基于NbO/p-Si异质结结构,本文制备了太阳电池并进行了一系列性能优化研究。a)对硅片表面进行UV-O预处理,形成一层超薄氧化硅(Si O)界面层,有效提升溶液旋涂薄膜的质量和界面接触性能,将电池的效率从15.3%提升至16.9%;b)在NbO前驱体溶液中进行Sn离子掺杂,薄膜的功函数由5.02 e V提升至5.20 e V,显著地提升了电池的开路电压,电池的效率从17.5%提升至18.4%。(3)使用热蒸发沉积氧化钼(Mo O),形成p-Si/Si O/Sn:NbO/Mo O叠层结构,显著提升薄膜的空穴选择性,进一步将电池的开路电压从610 m V提升至645 m V,电池的效率提升至18.5%。得益于氧化钼的高功函数和增强的能带弯曲作用,空穴接触钝化性能进一步提升。综上所述,本文研究表明低温溶液法制备NbO薄膜具有优异的钝化和空穴选择性。此外,本文比较系统和深入地研究了NbO用于空穴选择性接触的工艺和机制,证明了离子掺杂调控薄膜功函数的可行性,并显示出溶液法制备的NbO在空穴传输层的应用中的独特优势和应用潜力,为发展TMO/晶体硅钝化接触和未来降低商业化电池成本提供了新的可能。