铜碘化物作为硅异质结太阳能电池孔选择性接触的数值模拟

《Computational Condensed Matter》：Numerical Simulation of Cuprous Iodide as a Hole-selective Contact for Silicon Heterojunction Solar Cells

　　

Rushikesh Jadhav | Anishkumar Soman

机械工程系，Sinhgad工程学院，Savitribai Phule浦那大学，浦那，马哈拉施特拉邦，印度 - 411048

摘要

硅异质结（SHJ）太阳能电池为同质结硅（Si）技术提供了一种有前景的替代方案。SHJ电池通过用低温氢化非晶硅（a-Si:H）在晶体硅（c-Si）上沉积来替代高温扩散工艺，从而降低了热预算。然而，掺杂的a-Si:H的1.6–1.8 eV带隙导致前端的寄生吸收。过渡金属化合物因其更宽的带隙和与c-Si形成有利的能带对准而成为另一种选择，这有利于选择性载流子传输。在这项工作中，使用太阳能电池电容模拟器（SCAPS）软件研究了碘化亚铜（CuI）作为SHJ电池的孔选择性接触材料。标准SHJ（S-SHJ）电池的前端a-Si:H(p)层被CuI替换。当CuI的受主掺杂浓度为10^19/cm^3且厚度为5 nm时，获得了最佳效果。前界面处的集成缺陷密度为10^10/cm^2，捕获截面为10^-14/cm^2，从而降低了复合损耗。与S-SHJ电池相比，CuI-SHJ电池的绝对开路电流（Jsc）增益达到了1.1 mA/cm^2。CuI-SHJ电池的开路电压（Voc）为753 mV，Jsc为38.2 mA/cm^2，填充因子（FF）为83.3%，功率转换效率（PCE）为24%。

引言

2024年，钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池技术在硅光伏领域占据了超过90%的市场份额[1]。这些电池的制造需要约1000°C的高温扩散步骤来形成同质结[2]，这增加了制造过程中的热预算。采用掺杂的a-Si:H与晶体硅（c-Si）之间形成的异质结的SHJ太阳能电池[3]可以实现低温、大规模生产，被视为潜在的替代方案。与形成硅同质结不同，a-Si:H/c-Si异质结不需要高温扩散步骤，因为该结是通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在约200°C下在c-Si晶圆上沉积a-Si:H薄膜形成的[4],[5]。与硅同质结电池相比，SHJ电池还表现出更高的开路电压（Voc）；这是因为a-Si:H层在异质界面上提供了出色的钝化效果[6],[7]。然而，a-Si:H较低的约1.6-1.8 eV带隙会导致光的寄生吸收，从而降低了Jsc。由于a-Si:H层，SHJ电池的长期性能还会受到光诱导降解（LETID）的影响[8]。

过渡金属化合物（TMCs）由于其以下特性，可以作为a-Si:H薄膜的潜在替代品：i) 更宽的带隙，从而减少寄生吸收损失[9]；ii) 能够与c-Si形成载流子选择性接触[10],[11]；iii) 相对简单的沉积技术，如热蒸发[12]和溅射[13]。载流子选择性是由于TMC和c-Si之间的功函数差异导致的，这会在晶圆上产生有利的能带弯曲，从而实现载流子向选择性接触（CSC）的选择性传输。例如，氧化钼（MoOx）[14]在与c-Si的结中表现出空穴选择性，因为其功函数较高；而低功函数的氧化镁（MgOx）[15]则表现出电子选择性，因为其功函数较低。载流子选择性也可以是由于TMC与c-Si之间的带偏移不对称性造成的。例如，氧化镍（NiO）[16]由于高导带偏移而在与c-Si的结中表现出空穴选择性，而二氧化钛（TiO2）[11]由于高价带偏移而表现出电子选择性。

最近，人们对使用碘化亚铜（CuI）作为太阳能电池的空穴选择性接触材料的研究兴趣有所增加。Lin等人展示了通过在c-Si(p)基同质结电池的背面混合CuI和Ag来获得部分空穴选择性接触的应用[17]。Fu等人[18]还采用了碘（I2）和铝（Al^3+）共同掺杂的全面积CuI背面空穴选择性接触，前端为同质结。Haggren等人[19]研究了CuI作为GaAs太阳能电池的空穴选择性接触材料，而Srivastava等人展示了其在钙钛矿太阳能电池中的应用[20]。在这项研究中，我们首次探索了CuI作为SHJ电池中空穴选择性材料的应用，这是因为CuI与c-Si有良好的能带对准。作为空穴选择性接触材料，CuI在沉积热预算方面优于p型掺杂的a-Si:H（a-Si:H(p)）。虽然a-Si:H层是通过PECVD方法在200°C下沉积的[4],[5]，但CuI可以使用物理气相沉积（PVD）方法在室温下沉积[22]。在这项工作中，进行了数值模拟研究，以探讨CuI作为SHJ电池前端空穴选择性层的应用，替代a-Si:H(p)层。模拟使用SCAPS软件进行，模拟了一个标准的SHJ（S-SHJ）电池结构a-Si:H(p)/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n)。然后将a-Si:H(p)层替换为CuI，形成CuI/a-Si:H(i)/c-Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n)（CuI-SHJ）电池，并比较结果以了解CuI作为空穴选择性接触的潜力。分析了CuI/a-Si:H(i)/c-Si(n)界面的能带对准情况，以理解空穴选择性的原因。借助模拟结果讨论了掺杂浓度、CuI厚度、CuI的电子亲和力、界面缺陷的集成密度（Dit）、界面缺陷的捕获截面（CCS）以及TCO功函数对电池性能的影响。最后，通过外部量子效率（EQE）和电流密度（J）-电压（V）结果比较了CuI-SHJ电池与S-SHJ电池的性能。

章节片段

仿真模型

S-SHJ和CuI-SHJ电池的仿真使用了二维（1D）器件仿真软件SCAPS[23]进行。SCAPS使用Gummel迭代方案来解决半导体中的基本方程，即每个区间内的泊松方程和连续性方程。该软件使用Shockley-Read-Hall（SRH）形式主义来描述缺陷状态。缺陷可以在每个层的禁带范围内和界面处定义。

空穴选择性的起源

CuI的空穴选择性可以通过图1中的能带图来解释。CuI的带隙（Eg,CuI）为3 eV，电子亲和力（Χ_CuI）为2.5 eV，而a-Si:H(i)的带隙（Eg,a-Si:H(i)）为1.74 eV，电子亲和力（Χ_a-Si:H(i)）为3.8 eV。在这种异质界面下，安德森规则[45]有助于理解能带对准。导带偏移（ΔEc）和价带偏移（ΔEv）可以通过以下方程确定：$$' role="presentation">$$$$' role="presentation">$$

较大的导带

结论

本研究首次探讨了CuI作为SHJ电池空穴选择性接触材料的应用。CuI被提出作为SHJ电池中使用的a-Si:H(p)发射层的有前景的替代品。使用1D仿真软件SCAPS对CuI作为潜在空穴选择性接触进行了详细模拟研究。探索CuI作为空穴选择性接触的理由包括：1) 有利的带偏移以及CuI/a-Si:H(i)/c-Si(n)接触的形成；2)

CRediT作者贡献声明

Anishkumar Soman：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、研究、数据分析、概念化。Rushikesh Jadhav：撰写——初稿、可视化、验证、软件应用、资源管理、方法论、研究、数据分析、概念化。

未引用参考文献

[31], [32], [33], [34]。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向相应作者合理请求获得。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的潜在财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。