背面黑硅层晶硅太阳能电池：通过梯度带隙工程提升效率

摘要

我们研究了在背面引入黑硅（b-Si）层的晶体硅（c-Si）太阳能电池。化学刻蚀制备纳米结构 b-Si，其位于器件背面时，相较于无 b-Si 层的等效电池，功率转换效率相对提升了 27.7%。改善归因于背面形成的梯度带隙，将自由电子从高比表面积的 b-Si 驱离，从而抑制表面复合。本研究表明，背面 b-Si 层可用于将 c-Si 太阳能电池的光谱响应延伸至亚带隙近红外区域。

背景

掺杂金属或非金属离子的高纹理硅表现出宽带吸收率，称为黑硅（b-Si）效应。此类 Si 吸引了宽带光伏应用的关注。现有工作通常将 b-Si 层置于电池正面，但这阻止了亚带隙近红外（NIR）光子产生可用载流子，因为产生的电子-空穴对距离 PN 结太远。我们假设将 b-Si 层置于背面，可利用 Si/氧化物界面的内建场或交叉指状背接触场分离 NIR 产生的载流子，实现亚带隙光伏电压。然而，b-Si 的巨大比表面积可能引入严重表面复合。本工作探讨背面 b-Si 层的 c-Si 电池光伏响应并阐明其物理机制。

方法

材料

使用 p 型 Si<100> 晶圆 (CZ, 双面抛光, 10×10×0.2 mm³, 1–10 Ω·cm)。超声清洗后浸 1% HF，随后在 90 °C 下用 NaOH/醇/水 (0.5 g/200 mL/200 mL) 溶液刻蚀 15 min 形成轻微抗反射纹理。为形成背面 b-Si，一面蒸发 3 nm Ag 催化剂层，然后浸入 1:5:10 HF(40%):H₂O₂(30%):H₂O 溶液中室温刻蚀 120 s 得纳米结构 b-Si。对面沉积磷浆，900 °C/20 min 氮气退火形成 PN 结。正面 20 nm SiO₂、背面 10 nm Al₂O₃ (ALD) 表面钝化。沉积 80 nm ITO 前电极和 2 µm Al 后电极，最后 425 °C/5 min 氮气退火。

测量

反射光谱用 Shimadzu UV-3101PC 分光光度计记录。表面形貌经 Philips XL 30 SEM 观察。光伏参数用 Oriel/Newport 94023A 太阳模拟器 (AM 1.5G 1 Sun) 测量。外量子效率 (EQE) 用 Oriel/Newport QE 系统获取。透射电镜 (TEM) 用 JEOL EM-3000。光致发光 (PL) 用 Ocean Optics USB2000 配 325 nm He-Cd 激光。接触势差 (CPD) 用 KP Technology SKP5050 开尔文探针测量。

结果与讨论

图 1 为无/有背面 b-Si 的轻微纹理 c-Si 电池示意图横截面，电池厚度 ≈200 µm。

SEM 图像（图 2）显示正面纳米结构 10–20 nm，背面 b-Si 平均高度 ≈110 nm。HRTEM 确认 b-Si 中纳米晶 Si，SAED 图样支持。

吸收光谱（图 3a）表明：b-Si 面向入射光时，300–1100 nm 吸收显著增强并引入亚带隙 NIR 吸收，归因于带隙内杂质能级形成。当 b-Si 背光（b-Si 朝下）时，300–1100 nm 吸收依然很高，表明背面 b-Si 仍能捕获 NIR 光子。

制备四种器件变体：(1) 晶圆 Si；(2) 晶圆 Si + Al₂O₃ 背面钝化；(3) b-Si 背面；(4) b-Si 背面 + Al₂O₃。电流-电压和 EQE 数据（图 4）显示：晶圆+Al₂O₃ 器件优于未钝化晶圆，确认有效抑制表面复合。令人惊讶的是，b-Si 背面器件相对普通晶圆效率提升 27.7%，尽管巨大表面积通常会增加复合。给 b-Si 背面加 Al₂O₃ 进一步提升性能，证明背面钝化依然有效。关键在于背面形成的梯度带隙：b-Si 导带底比 p 型 Si 高 ≈0.4 eV (CPD 测量)，形成势垒将电子从高比表面积 b-Si 驱离，同时允许空穴到达后电极，从而抑制复合。

额外异质结光伏器件（图 6）证实背面 b-Si 的有益作用。b-Si 器件 EQE 显著高于无 b-Si 器件，符合梯度带隙机制。

结论

在晶体硅太阳能电池背面引入黑硅层，通过形成梯度带隙缓解表面复合，显著提升器件性能。27.7% 的效率增益证明了背面 b-Si 用于将 c-Si 电池光谱响应延伸至亚带隙近红外区的可行性，为宽带光伏技术铺平道路。