碱土金属氟化物电子选择性输运材料及其在硅基电池中的应用研究

作     者：狄翀 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许颖

授予年度：2024年

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

主      题：太阳电池 碱土金属氟化物 电子传输层 选择性接触 

摘      要：晶体硅太阳电池由于具有能量转换效率高、工艺技术成熟以及发电成本低等优点,在光伏市场中占据超过95%的市场份额。近年来,商业晶体硅太阳电池的能量转换效率已经超过25%,但其主要电池产品如隧穿氧化层钝化接触电池（TOPCon）、异质结电池（HJT）等涉及晶体硅晶圆局部热扩散、掺杂多晶硅或非晶硅薄膜生长等重掺杂工艺来实现载流子的选择性传输。以上方法涉及较复杂的工艺手段以及昂贵的镀膜设备。而且,重掺杂还会不可避免地引起例如俄歇复合、自由载流子复合等负面效应,阻碍电池效率的进一步提升。因此,采用极端功函数金属或金属化合物材料与晶体硅形成异质接触的策略,可以导致硅表面能带弯曲形成一个势阱和一种载流子积累而便于传输。同时,这一能带结构也会形成对另一种载流子的高势垒而导致其难以穿过异质接触界面,从而实现免掺杂的载流子选择性传输。近年来,这一研究课题受到广泛关注。碱土金属氟化物具有较低功函数,是具有较大潜力的电子传输材料,但相关研究报道并不多。因此,本论文主要聚焦于以BaFx、CaFx、SrFx等三种碱土金属氟化物薄膜作为晶体硅太阳电池的电子传输层材料研究。我们不仅研究了三种功能薄膜的化学组分、功函数等材料性质,还系统地研究了其与N型晶体硅形成的异质接触的电学特性,并将其应用到两种不同结构的晶体硅太阳电池中,研究其对光伏器件性能的影响规律。论文内容主要包括以下几个部分: （1）采用电子束蒸发法制备具有2.55 e V的超低功函数（远低于n-Si的4.3e V）的BaFx薄膜。在薄膜蒸发速率为1?/s、厚度为2 nm时,n-Si/BaFx/Al异质接触实现了对电子的选择性传输,并获得了较低的接触电阻率（23.98 mΩ·cm2）。将BaFx薄膜应用到n-Si太阳电池提高了电池在近红外波段的光谱响应,使得器件效率从12.73%提升到15.26%。 （2）为解决晶圆表面载流子复合严重问题,采用一种物理气相沉积法,即电子束蒸发,沉积BaFx薄膜钝化N型单晶硅晶圆,发现BaFx薄膜对N型单晶硅晶圆的钝化作用较弱。为解决晶圆表面钝化问题,我们选择在BaFx和硅晶圆之间插入独立超薄高质量Ti Ox钝化薄膜的策略。采用原子层沉积法制备了超薄Ti Ox钝化薄膜,并系统地研究了沉积温度、薄膜厚度等参量对晶圆钝化效果的影响,在25℃沉积温度和10 nm薄膜厚度条件下实现了2.4 ms的少子寿命。我们将Ti Ox钝化层应用到基于HJT架构的晶体硅电池背面,实现了开路电压从581.9 m V到624.1 m V的提升,同时将电流密度提高了3.73 m A·cm2,最终实现了最高效率为18.04%、氟化钡/氧化钛背面双功能叠层的HJT架构单晶硅太阳电池。 （3）开展了对CaFx、SrFx等其它碱土金属氟化物作为晶体硅电子传输层的应用研究,开发具有2.80 e V和2.68 e V的超低功函数制备工艺,实现了接触电阻率低至30.45 mΩ·cm2的n-Si/CaFx/Al异质接触和接触电阻率低至14.03 mΩ·cm2的n-Si/SrFx/Al异质接触。当我们将两种电子传输功能薄膜应用于前表面基于TOPCon架构的Ag/Si Nx/Al2O3/P+/n-Si/（CaFx or SrFx）/Al电池结构背面时,促进了太阳电池性能的大幅度提升,最终研制了开路电压为624.1 m V、电流密度为38.04 m A·cm2、填充因子为81.50%、转换效率为19.35%的基于CaFx电子传输层的最佳性能的单晶硅电池。类似地,我们也获得了开路电压为624.2 m V、电流密度为39.40 m A·cm2、填充因子为81.72%、转换效率为20.10%的基于SrFx电子传输层的最佳性能的单晶硅电池。 （4）开展了对基于BaFx、CaFx、SrFx三种碱土金属氟化物的太阳电池的热稳定性研究。分别在250℃、300℃和300℃温度30分钟条件下真空退火后,太阳电池可以保持95%左右的初始能量转换效率,表现出高度的热稳定性,具有应用于商业低温HJT太阳电池制造的巨大应用潜力。