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增强硅异质结太阳能电池性能的新策略
2021年04月05日    阅读量:452    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

晶体硅(c-Si)太阳能电池是市场上最有前途的太阳能技术之一。这些太阳能电池具有许多有利的特性,包括几乎最佳的带隙,高效率和稳定性。


值得注意的是,它们也可以使用可广泛获得且易于获得的原材料来制造中国建材网cnprofit.com


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近年来,许多公司和工程师将他们的研究工作专门集中在Si异质结(SHJ)太阳能电池上。已经发现这些由沉积在晶体硅表面上的非晶硅层组成的太阳能电池可实现出色的功率转换效率(PCE)。


北京工业大学,汉能成都研发中心和中国江苏大学的研究人员最近进行了一项研究,旨在仔细检查高效SHJ太阳能电池中c-Si / a-Si:H界面的结构。


他们的论文发表在《自然能源》上,通过允许工程师更好地控制c-Si / a-Si:H界面,提供了宝贵的见解,可以帮助进一步改善SHJ太阳能电池的性能。


“通过不断的制造改进,Kaneka已经实现了SHJ太阳能电池具有24.5%的PCE(总面积239 cm 2)和25.1%的PCE(孔径面积151.9 cm 2),”进行这项研究的研究人员之一张永哲,告诉TechXplore。“但是,在过去三年中,单结SHJ太阳能电池的进一步效率提升似乎停滞了。因此,我们迫切需要找到新的突破来解决瓶颈并获得更高的SHJ太阳能电池PCE。”


SHJ太阳能电池中c-Si和a-Si:H之间的界面对于确保电池实现高PCE至关重要。为了确定可以改善这些细胞PCE的策略,许多研究人员因此使用称为透射电子显微镜(TEM)的技术仔细检查了c-Si / a-Si:H界面。但是,这些检查通常受到传统TEM技术较差的空间分辨率或高分辨率TEM(HRTEM)成像对界面样品厚度的敏感性的限制。


由于这些限制,到目前为止,基于TEM的研究仅能够收集有关SHJ细胞外延层厚度或突变率的信息。但是,尚未确定原子级的c-Si / a-Si:H界面的结构特征。

 

为了进一步提高SHJ细胞的效率,研究人员需要深入检查c-Si / a-Si:H界面并确定在原子尺度上控制它的策略。在他们的研究中,Zhang及其同事使用HRTEM成像技术和基于理论的模拟来表示c-Si / a-Si:H界面的原子和电子结构。


他们鉴定了这些晶体硅/的原子结构的a-Si:使用已知的作为替代TEM技术在高效率SHJ太阳能电池?接口球面像差校正的透射电子显微镜(C小号-corrected TEM)。


这组作者说:“为了获得最佳的原子对比度来准确地解释HR-(S)TEM图像,我们使用了聚焦离子束(FIB)和纳米研磨这两种技术来精心制备SHJ太阳能电池的横截面样品。” 


“对c-Si / a-si:H界面结构的理论评估在这项工作中也至关重要,因为它考虑到嵌入式纳米孪晶是深层缺陷的水平,有助于我们绘制HRTEM图像与器件性能之间的物理联系。基于第一性原理的计算,重组中心缩短了载流子寿命。”


张和他的同事收集的结果是相当出乎意料和令人惊讶的。除了细胞的正常外延结构外,研究人员还观察到了位于c-Si和a-Si:H之间的薄外延层中的高密度纳米孪晶,它们以两种不同的形式存在,即游离纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶。他们的计算还表明,在该层中嵌入纳米孪晶会损害SHJ太阳能电池的性能。


在他们确定了c-Si和a-Si:H之间的薄外延层中的高密度纳米孪晶并确定它们损害了SHJ太阳能电池的性能后,研究人员试图确定它们的起源以及它们随时间的演变。为此,他们使用HRTEM技术检查了电池制造过程中不同阶段的c-Si / a-Si:H界面结构。


为了说明c-Si / a-Si:H界面结构的演变,研究人员使用了基于微机电系统(MEMs)的加热系统,结合经C S校正的TEM ,进行了其他原位退火实验。他们的发现表明,纳米孪晶在ia-Si:H层的沉积过程中成核,并在随后的退火过程中形成。


作者说:“根据我们的分析,我们得出结论,在初始阶段抑制孪晶成核是减少嵌入的纳米孪晶的关键步骤。” “因此,我们通过引入额外的超薄ia-Si:H缓冲层,制造了具有低密度纳米孪晶的SHJ太阳能电池,这些电池表现出更好的性能。”


Zhang和他的同事发现,他们限制c-Si / a-Si:H界面中嵌入纳米孪晶的策略进一步增强了SHJ太阳能电池的PCE。作为研究的一部分,他们进一步探索了该策略的潜力,使用它来改变c-Si晶片的初始表面以确保其偏离{111}平面。


这组作者说:“我们工作的主要目标是通过工业兼容的方法实现具有24.85%的转换效率的高效SHJ太阳能电池的实现。” “嵌入式双胞胎的发现以及它们阻碍细胞转化效率提高的发现打破了传统的理解:c-Si / a-Si:H界面处的悬空键是影响载体界面的主要绊脚石。”


张和他的同事的研究介绍了一种新的策略,可以帮助提高SHJ太阳能电池的效率。此外,它为高效SHJ太阳能电池中c-Si / a-Si:H界面的原子结构提供了新的见解,表明高密度嵌入式纳米孪晶对这些电池的性能有害。


作者说:“采用第一性原理计算,我们的理论模拟揭示了纳米孪晶的性质,这在工业化钝化过程中是不可避免的缺陷结构。” “考虑到嵌入式纳米双胞胎的超深水平,它充当了复合中心并强烈影响性能,因此,我们提出了避免超薄钝化层产生的策略。在这些过程之后,我们的原位TEM测量观察到了降低嵌入式纳米孪晶的密度,我们提供了一种新颖的方法来提高硅太阳能电池的性能。”


到目前为止,c-Si / a-Si:H界面的重组被认为是SHJ太阳能电池能量损失的主要原因。Zhang和他的同事研究了性能最高的太阳能电池的效率损失,发现高密度嵌入的纳米孪晶对器件性能有害,通常形成在c-Si和a-Si:H层之间的薄外延层中。他们还发现,添加超薄a-Si缓冲层可显着减少嵌入式纳米孪晶的存在,并提高电池效率。


这组作者补充说:“我们的发现暗示,当限制嵌入的纳米孪晶时,SHJ太阳能电池的PCE可以得到改善。” 实际上,在我们的研究中,我们通过降低嵌入式纳米孪晶的密度实现了明显的性能提升。现在,我们将专注于如何通过调整纳米晶在c-Si和a-Si:H界面上的演化过程来进一步减少/消除纳米晶。”


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