北工大顶刊：首次发现！ 硅异质结太阳能电池界面处嵌入式纳米孪晶
晶硅(c-Si)太阳能电池是迄今为止最先进的光伏技术之一，其显著优势包括接近最佳带隙、高转换效率、广为认可的稳定性和广泛可用的原材料等。硅异质结(SHJ)技术是实现c-Si太阳能电池高转换效率最有前景的技术之一。2017年，孔径面积为151.9cm2、效率为25.1%的SHJ太阳能电池由Kaneka成功制备。但在随后的几年中，SHJ太阳能电池的效率提升几乎陷入停滞。晶硅/氢化非晶硅（c-Si/a-Si:H）界面是影响SHJ太阳能电池转换效率的关键因素，因此，在原子尺度上精准认知和调控c-Si/a-Si:H界面结构成为突破电池效率提升瓶颈的一个重要途径但也极具挑战。
近日，北京工业大学郑坤教授团队、张永哲教授团队与汉能成都研发中心合作，以高效SHJ太阳能电池为研究对象，通过在球差校正透射电子显微镜中引入与电池制备工艺对应的退火温度，离位/原位研究了SHJ太阳能电池中c-Si/a-Si:H界面的原子结构特征以及退火导致的界面原子结构演变规律。研究首次发现了SHJ太阳能电池c-Si/a-Si:H界面处嵌入式纳米孪晶的存在，并阐明了该缺陷的形成演化规律及其阻碍电池光电转换效率提升的机理；基于上述认知，研究者进而研发出减少该缺陷形成的新工艺并实现了电池效率的进一步提升。该研究成果于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”为题发表在国际顶级学术期刊《Nature Energy》上。北京工业大学博士生曲先林，何永才和汉能成都研发中心曲铭浩为共同第一作者，北京工业大学郑坤教授和张永哲教授为共同通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-020-00768-4
c-Si/a-Si:H界面复合是SHJ太阳能电池转换效率损失的主要因素之一。过去，晶硅表面的悬挂键被认为是影响c-Si/a-Si:H界面复合的主要缺陷。为减少c-Si/a-Si:H界面复合，通常人们会在晶硅表面沉积一层本征非晶硅（i-a-Si:H）钝化晶硅表面的悬挂键。然而，在这过程中，不合需要的外延生长将会发生。透射电镜在对c-Si/a-Si:H界面结构的表征中具有广泛应用。然而，受限于传统透射电镜不足的空间分辨率、高分辨透射电子显微成像（HRTEM）对界面结构样品厚度的敏感性、界面处应变场对成像的严重影响，几十年来人们利用透射电镜对c-Si/a-Si:H界面结构的研究仅局限在对外延层厚度或平整度的表征，而对c-Si/a-Si:H界面原子尺度的结构特征始终未知。这种认知困窘极大地阻碍了c-Si/a-Si:H界面工艺进一步有针对性地发展及电池转化效率的提升。
本研究中，研究者以转换效率为24.85%的高效SHJ太阳能电池（面积：244.5cm2）为研究对象，利用精准的样品制备技术，获取了超薄的电池截面透射电镜样品。通过先进球差校正透射电子显微（Cs-corrected S/TEM）技术，研究者发现在c-Si{111}面的a-Si:H钝化薄膜中不仅存在常规的外延生长，而且在2~3纳米的外延层中还首次观察到大量纳米孪晶结构，包括自由式纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶两种形态。通过高角环形暗场扫描透射电子显微成像（HAADF-STEM），两种纳米孪晶的原子结构被清晰揭示，其中嵌入式纳米孪晶与常规的外延层之间形成了新的晶界结构，如图1所示。
图1. a. 研究所用SHJ太阳能电池截面结构示意图。b. 研究所用SHJ太阳能电池的IV曲线和PV曲线。c. 常规外延层的HRTEM图像。d. 纳米孪晶结构的HRTEM图像。e-f. 自由式纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶的HAADF图像。g-h. 自由式纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶原子结构模型。
通过DFT理论计算表明，由于嵌入式纳米孪晶与常规外延层之间的晶界结构引入了应变场，嵌入式纳米孪晶将诱发产生缺陷能级，加剧光生载流子在c-Si/a-Si:H界面处的复合，阻碍SHJ太阳能电池光电转换效率的提升，如图2所示。
图2. a-c. 单晶硅、自由式纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶的等效原子模型。d-f. 单晶硅、自由式纳米孪晶和嵌入式纳米孪晶的能带结构。g-i. 嵌入式纳米孪晶中缺陷态（g-h: 深缺陷态，i: 浅缺陷态）的局域电荷密度。j. 嵌入式纳米孪晶中晶界处的应变分布。
通过对电池制备过程不同工艺阶段的c-Si/a-Si:H界面结构进行原子尺度解析，结合退火条件下对c-Si/a-Si:H界面结构演化的原位原子尺度观测，嵌入式纳米孪晶的形成机理被清晰揭示。研究者发现纳米孪晶结构形核于沉积i-a-Si:H阶段，而在后续工艺的退火条件下进一步生长，交汇。图3展示了不同工艺阶段c-Si/a-Si:H界面结构的HRTEM图像，图4展示了近工艺退火条件下c-Si/a-Si:H界面结构演化的原位HRTEM图像。
图3. a-d.4个工艺阶段的示意图，其中a：晶硅表面清洗后。b：晶硅表面沉积i-a-Si:H后。c：晶硅表面沉积p-a-Si:H后。d：电极制备后。e-h. 对应a-d 4个工艺阶段c-Si/a-Si:H界面的HRTEM图像。
图4. 原位加热条件下，c-Si/a-Si:H界面结构演化的系列HRTEM图像。a. 初始c-Si/a-Si:H界面的HRTEM图像。b-e.不同温度退火后，c-Si/a-Si:H界面的HRTEM图像。f-o.分别对应图a-e的放大HRTEM图像。
基于对纳米孪晶形成机理的认知，通过优化沉积工艺，额外引入一超薄i-a-Si:H缓冲层（小于1nm），研究者成功制备出界面纳米孪晶密度为原工艺条件下1/3 的SHJ太阳能电池。测试发现，此时的少数载流子寿命从3.2 ms提升至4.3 ms，外部复合损失降低33%，电池的转换效率平均提高~0.32%。这表明抑制c-Si/a-Si:H界面处的纳米孪晶可以进一步提升SHJ太阳能电池的转换效率，如图5所示。
图5. 引入超薄i-a-Si:H缓冲层（i* layer）后c-Si/a-Si:H界面结构和少子寿命对比。
与此同时，研究人员还发现初始晶硅表面构型对纳米孪晶的形成具有重要影响。当晶硅表面稍微偏离{111}面时，很少有嵌入式纳米孪晶形成，而当晶硅表面严格平行于{111}面时，纳米孪晶更易于形成。这是由于表面偏离{111}面时，晶硅表面将由{111}面与其他面组成的原子台阶构成，原子台阶的存在限制了外延次序的错排。根据这一发现，研究人员提出进一步减少c-Si/a-Si:H界面纳米孪晶密度的策略——精细修饰晶硅的初始表面构型，使晶硅的初始表面偏离{111}面，如图6所示。
图6. 晶硅表面构型对纳米孪晶形成的影响。a-b. 不同晶硅表面沉积i-a-Si:H层后的HRTEM图像。a. 晶硅表面平行{111}面。b. 晶硅表面偏离{111}面。c.偏离{111}面的晶硅表面在沉积i-a-Si:H层后的结构演化示意图。
本工作的研究对象是采用行业主流工艺制备的转换效率为24.85%的高效SHJ太阳能电池，因此对它的研究在领域内具有代表性和普适意义。嵌入式孪晶的发现及其阻碍电池转换效率提升的揭示打破了人们对这一领域的传统认知：c-Si/a-Si:H界面处点空位引起的悬挂键是影响载流子界面复合的主要绊脚石，而该研究工作指出了影响电池效率提升的另一个重要绊脚石的存在，为SHJ太阳能电池效率的进一步提升指明了一个新的方向。