基于隧道氧化物/低功函数金属堆叠的无掺杂电子选择性接触原理及其在异质结太阳能电池中的应用

本文探讨了无掺杂电子选择性接触原理，并阐述了该原理在异质结太阳能电池中的应用。无掺杂电子选择性接触（Dopant-free carrier-selective contacts, CSCs）在制备高效晶体硅(c-Si)基异质结太阳能电池（Heterojunction solar cells, HSCs）中极具吸引力，原因在于它们结合了低热预算、易于加工和设备架构简洁的优势。然而，由于其较差的钝化性能和相对较高的电阻率，硅氧化物（SiOx）薄膜通常不被视作CSC中的可用界面层。本研究展示了在纳米尺度的SiOx薄膜上使用低功函数金属（Low work-function metals, WFMs）进行功能化，从而在轻掺杂n型c-Si上实现了中等水平的钝化和低接触电阻率。通过模拟分析了由SiOx/低功函数金属组成的CSC，结果表明，隧道SiOx层可减轻费米能级钉扎效应，而低功函数金属有助于降低有效势垒高度和接触电阻率。这种双功能电子选择性设计对c-Si表面态密度和SiOx层厚度具有较高的容忍度，这一点通过SiOx/Mg堆叠实现了高达1.7nm厚的SiOx薄膜，得到了661mV的隐含开路电压和35.2mΩ·cm²的接触电阻率的实验结果得到证实。综合评估表明，这种新型电子传输层（ETL）使理论光电转换效率（PCE）达到27.4%，假设某种条件下。 知识点概括： 1. 无掺杂电子选择性接触（Dopant-free electron-selective contact, CSC）：CSC是指在异质结太阳能电池中，采用无需掺杂的材料来实现电子的选择性接触。与传统的掺杂电子选择性接触相比，无掺杂CSC可以简化制造过程、减少热预算，并提供更为简洁的设备架构，从而有望提高电池的转换效率。 2. 异质结太阳能电池（Heterojunction solar cells, HSCs）：HSCs是一种利用异质结技术的太阳能电池，其利用不同半导体材料之间的接触形成内建电场，从而提高载流子的分离效率和电荷的传输特性。HSCs在提高太阳能电池效率方面具有巨大潜力。 3. 硅氧化物（SiOx）：SiOx是一种广泛使用的绝缘材料，常用于太阳能电池中作为钝化层，以减少表面复合损失并改善电荷载流子的寿命。然而，SiOx薄膜通常存在电阻率较高和钝化效果不足的问题。 4. 低功函数金属（Low work-function metals）：低功函数金属指的是拥有较低电子逸出功的金属材料。在太阳能电池中，低功函数金属可作为接触材料，有助于降低接触电阻和提高电子选择性，从而提升电池性能。 5. 隧道效应（Tunneling）：在纳米尺度的SiOx薄膜中，电子可以通过量子力学中的隧道效应穿过一个潜在障碍，即使这个障碍从经典物理学角度看是无法逾越的。隧道效应在太阳能电池中可利用来降低接触电阻率。 6. 费米能级钉扎（Fermi-level pinning）：在半导体-金属接触中，费米能级钉扎是指由于表面态或其他效应导致费米能级位置固定的现象，这会影响太阳能电池的电子传输效率。 7. 电子传输层（Electron transport layer, ETL）：ETL是指在太阳能电池中，用来帮助电子高效传输的界面层。合理的ETL设计对于提高电池的整体性能至关重要。 8. 光电转换效率（Power conversion efficiency, PCE）：光电转换效率是衡量太阳能电池性能的一个关键参数，它定义为电池输出的电功率与入射太阳光功率的比值。提高PCE是太阳能电池研究的核心目标之一。 本研究通过硅氧化物与低功函数金属堆叠的方法，实现了对c-Si表面及界面层的有效钝化和低接触电阻率，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。这一成果对于未来太阳能电池技术的发展具有重要意义。