晶硅(c-Si)太陽能電池是迄今為止最先進(jìn)的光伏技術(shù)之一，其顯著優(yōu)勢包括接近最佳帶隙、高轉(zhuǎn)換效率、廣為認(rèn)可的穩(wěn)定性和廣泛可用的原材料等。硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)c-Si太陽能電池高轉(zhuǎn)換效率最有前景的技術(shù)之一。2017年，孔徑面積為151.9cm2、效率為25.1%的SHJ太陽能電池由Kaneka成功制備。但在隨后的幾年中，SHJ太陽能電池的效率提升幾乎陷入停滯。晶硅/氫化非晶硅（c-Si/a-Si:H）界面是影響SHJ太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，因此，在原子尺度上精準(zhǔn)認(rèn)知和調(diào)控c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)成為突破電池效率提升瓶頸的一個(gè)重要途徑但也極具挑戰(zhàn)。

近日，北京工業(yè)大學(xué)鄭坤教授團(tuán)隊(duì)、張永哲教授團(tuán)隊(duì)與漢能成都研發(fā)中心合作，以高效SHJ太陽能電池為研究對象，通過在球差校正透射電子顯微鏡中引入與電池制備工藝對應(yīng)的退火溫度，離位/原位研究了SHJ太陽能電池中c-Si/a-Si:H界面的原子結(jié)構(gòu)特征以及退火導(dǎo)致的界面原子結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。研究首次發(fā)現(xiàn)了SHJ太陽能電池c-Si/a-Si:H界面處嵌入式納米孿晶的存在，并闡明了該缺陷的形成演化規(guī)律及其阻礙電池光電轉(zhuǎn)換效率提升的機(jī)理；基于上述認(rèn)知，研究者進(jìn)而研發(fā)出減少該缺陷形成的新工藝并實(shí)現(xiàn)了電池效率的進(jìn)一步提升。該研究成果于2021年2月8日以“Identification of embedded nano twins at c-Si/a-Si:H interface limiting the performance of high-efficiency silicon heterojunction solar cells”為題發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature Energy》上。北京工業(yè)大學(xué)博士生曲先林，何永才和漢能成都研發(fā)中心曲銘浩為共同第一作者，北京工業(yè)大學(xué)鄭坤教授和張永哲教授為共同通訊作者。

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https://doi.org/10.1038/s41560-020-00768-4

本研究中，研究者以轉(zhuǎn)換效率為24.85%的高效SHJ太陽能電池（面積：244.5cm2）為研究對象，利用精準(zhǔn)的樣品制備技術(shù)，獲取了超薄的電池截面透射電鏡樣品。通過先進(jìn)球差校正透射電子顯微（Cs-corrected S/TEM）技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)在c-Si{111}面的a-Si:H鈍化薄膜中不僅存在常規(guī)的外延生長，而且在2~3納米的外延層中還首次觀察到大量納米孿晶結(jié)構(gòu)，包括自由式納米孿晶和嵌入式納米孿晶兩種形態(tài)。通過高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微成像（HAADF-STEM），兩種納米孿晶的原子結(jié)構(gòu)被清晰揭示，其中嵌入式納米孿晶與常規(guī)的外延層之間形成了新的晶界結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1. a. 研究所用SHJ太陽能電池截面結(jié)構(gòu)示意圖。b. 研究所用SHJ太陽能電池的IV曲線和PV曲線。c. 常規(guī)外延層的HRTEM圖像。d. 納米孿晶結(jié)構(gòu)的HRTEM圖像。e-f. 自由式納米孿晶和嵌入式納米孿晶的HAADF圖像。g-h. 自由式納米孿晶和嵌入式納米孿晶原子結(jié)構(gòu)模型。

通過DFT理論計(jì)算表明，由于嵌入式納米孿晶與常規(guī)外延層之間的晶界結(jié)構(gòu)引入了應(yīng)變場，嵌入式納米孿晶將誘發(fā)產(chǎn)生缺陷能級，加劇光生載流子在c-Si/a-Si:H界面處的復(fù)合，阻礙SHJ太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提升，如圖2所示。

圖2. a-c. 單晶硅、自由式納米孿晶和嵌入式納米孿晶的等效原子模型。d-f. 單晶硅、自由式納米孿晶和嵌入式納米孿晶的能帶結(jié)構(gòu)。g-i. 嵌入式納米孿晶中缺陷態(tài)（g-h: 深缺陷態(tài)，i: 淺缺陷態(tài)）的局域電荷密度。j. 嵌入式納米孿晶中晶界處的應(yīng)變分布。

通過對電池制備過程不同工藝階段的c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子尺度解析，結(jié)合退火條件下對c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)演化的原位原子尺度觀測，嵌入式納米孿晶的形成機(jī)理被清晰揭示。研究者發(fā)現(xiàn)納米孿晶結(jié)構(gòu)形核于沉積i-a-Si:H階段，而在后續(xù)工藝的退火條件下進(jìn)一步生長，交匯。圖3展示了不同工藝階段c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)的HRTEM圖像，圖4展示了近工藝退火條件下c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)演化的原位HRTEM圖像。

圖3. a-d.4個(gè)工藝階段的示意圖，其中a：晶硅表面清洗后。b：晶硅表面沉積i-a-Si:H后。c：晶硅表面沉積p-a-Si:H后。d：電極制備后。e-h. 對應(yīng)a-d 4個(gè)工藝階段c-Si/a-Si:H界面的HRTEM圖像。

圖4. 原位加熱條件下，c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)演化的系列HRTEM圖像。a. 初始c-Si/a-Si:H界面的HRTEM圖像。b-e.不同溫度退火后，c-Si/a-Si:H界面的HRTEM圖像。f-o.分別對應(yīng)圖a-e的放大HRTEM圖像。

基于對納米孿晶形成機(jī)理的認(rèn)知，通過優(yōu)化沉積工藝，額外引入一超薄i-a-Si:H緩沖層（小于1nm），研究者成功制備出界面納米孿晶密度為原工藝條件下1/3 的SHJ太陽能電池。測試發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的少數(shù)載流子壽命從3.2 ms提升至4.3 ms，外部復(fù)合損失降低33%，電池的轉(zhuǎn)換效率平均提高~0.32%。這表明抑制c-Si/a-Si:H界面處的納米孿晶可以進(jìn)一步提升SHJ太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，如圖5所示。

圖5. 引入超薄i-a-Si:H緩沖層（i* layer）后c-Si/a-Si:H界面結(jié)構(gòu)和少子壽命對比。

與此同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)初始晶硅表面構(gòu)型對納米孿晶的形成具有重要影響。當(dāng)晶硅表面稍微偏離{111}面時(shí)，很少有嵌入式納米孿晶形成，而當(dāng)晶硅表面嚴(yán)格平行于{111}面時(shí)，納米孿晶更易于形成。這是由于表面偏離{111}面時(shí)，晶硅表面將由{111}面與其他面組成的原子臺(tái)階構(gòu)成，原子臺(tái)階的存在限制了外延次序的錯(cuò)排。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，研究人員提出進(jìn)一步減少c-Si/a-Si:H界面納米孿晶密度的策略——精細(xì)修飾晶硅的初始表面構(gòu)型，使晶硅的初始表面偏離{111}面，如圖6所示。

圖6. 晶硅表面構(gòu)型對納米孿晶形成的影響。a-b. 不同晶硅表面沉積i-a-Si:H層后的HRTEM圖像。a. 晶硅表面平行{111}面。b. 晶硅表面偏離{111}面。c.偏離{111}面的晶硅表面在沉積i-a-Si:H層后的結(jié)構(gòu)演化示意圖。

本工作的研究對象是采用行業(yè)主流工藝制備的轉(zhuǎn)換效率為24.85%的高效SHJ太陽能電池，因此對它的研究在領(lǐng)域內(nèi)具有代表性和普適意義。嵌入式孿晶的發(fā)現(xiàn)及其阻礙電池轉(zhuǎn)換效率提升的揭示打破了人們對這一領(lǐng)域的傳統(tǒng)認(rèn)知：c-Si/a-Si:H界面處點(diǎn)空位引起的懸掛鍵是影響載流子界面復(fù)合的主要絆腳石，而該研究工作指出了影響電池效率提升的另一個(gè)重要絆腳石的存在，為SHJ太陽能電池效率的進(jìn)一步提升指明了一個(gè)新的方向。