EPR助力提升太阳能电池质量和性能
时间:2024-01-18 阅读:620
EPR
EPR助力提升太阳能电池质量和性能
应用说明
秉持诚信 不断创新
引言
最近三十年里,光伏组件的累计销售每增加一倍,其平均价格即下降
20%。难于获取足够高纯度的硅或(有机光伏电池所需的)聚合物,一直
是阻碍光伏产业实现快速增长的重要因素之一。因此,市场非常需要成本
低廉的、生产光伏应用所需的硅和聚合物的技术。但成本低廉的生产技
术极有可能导致所生产的硅或聚合物纯度降低。因此,对缺陷和杂质含
量有精确的要求, 同时不影响达成产品良率和成本目标,并实现更短的能
源行业投资回报周期,具有至关重要的作用。
光伏材料中的顺磁性缺陷和杂质包括:
. SiO2 中的E ’中心
. SiO2 或c-Si中的原子H0
. 悬空键(Si-SiO2界面处的Pb 中心)
. 晶界缺陷
. 晶粒内缺陷
. 过渡金属 . 自由基
深能级缺陷对多晶硅薄膜太阳能电池的器件性能的影响
具备高电子质量的薄膜,是发展下一代硅薄膜太阳能电池的前提。为了生
产出可以硅晶圆太阳能电池相媲美的晶体硅薄膜太阳能电池,
我们探索了许多在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜的方法。然而
多晶硅太阳能电池相比硅晶圆太阳能电池开路电压(V )显著降低。对
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固相晶体硅太阳能电池进行的EPR研究表明,深能级顺磁性缺陷是多晶硅
中的主要复合中心,因而是制约多晶硅电子质量的最重要因素。EPR研究
所得到的结论包括:
. 多晶硅太阳能电池中通常存在晶界和晶粒内缺陷
. 借助布鲁克的SpinCount模块,可以测定缺陷含量(即缺陷密度Ns)
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降低而升高
. EPR研究证明,顺磁性缺陷密度是制约多晶硅太阳能电池性能的一个 因素
图1:多晶硅薄膜太阳能电池性能与缺陷密度之间的关系。
根据知识共享许可协议4.0(Creative Commons Attribution License 4.0)的条件摘自参考文献[1]。
鉴定多晶硅薄膜中的晶粒内和晶界缺陷
证明是顺磁性缺陷在制约多晶硅太阳能电池的器件性能后,在微观水平上探讨观测到的缺陷来源,对于鉴定这些缺陷至关重 要。通过对平均晶粒粒径为200 μm的液相晶化层,及拥有类似晶粒内形态但不同晶粒粒径(0.25 μm-1 μm)的特定固相晶化 硅层,进行EPR定量测量,可以表征多晶硅薄膜中的晶粒内和晶界缺陷。结果发现,缺陷特性由两个拥有不同g值(g = 2.0055 和2.0032)的信号组成,它们分别被归为晶界缺陷和晶粒内缺陷。
图2:晶粒粒径为0.25 μm和200 μm的多晶硅薄膜的EPR谱 图。EPR数据表明,在g = 2.0032处存在晶粒内缺陷(深黄色谱 图),在g = 2.0055处存在晶界缺陷(红色谱图)。根据知识共享 许可协议4.0(Creative Commons Attribution License 4.0)的 条件摘自参考文献[2]。
图3:扫描电镜(SEM)下的多晶硅薄膜图像。通过EPR鉴别出的两种缺陷分别显示为深黄色和红 色。根据知识共享许可协议4.0(Creative Commons Attribution License 4.0)的条件摘自参考 文献[2]。
钙钛矿:研发低成本和高效率太阳能电池的新途径
近年来,钙钛矿结构在光伏电池和储能应用中展现出巨大的发展前景。 钙钛矿型光伏电池成本低,寿命长。这些太阳能电池具有可调带隙、高 吸光能力和高载流子迁移率等理想性能,且能量转换效率(PCE)显著提 高。但是,钙钛矿结构在其界面和晶界处存在外源缺陷,它们将影响钙 钛矿薄膜的结晶度,并使其在太阳能电池中的结构容易发生分解。通过 EPR可以研究顺磁性缺陷的类型及其在晶格中的密度。
图4:钙钛矿型太阳能电池的示意图。根据知识共享许可协议4.0 (Creative Commons Attribution License 4.0)的条件摘自冲 绳科学技术大学院大学(OIST)的网站。
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钙钛矿薄膜中聚焦离子束诱导的顺磁性缺陷
据知,离子束辐照能够诱导相变和非晶化等结构变化。在聚焦离子束辐照 条件下,EPR可检测到含锰氧化物的钙钛矿薄膜中孤立和定域的顺磁性自 旋。这些缺陷在低温下(5-50 K)表现出居里效应,表明在缺陷部位存在定 域电子。
通过EPR检测和鉴定缺陷类型及分布,是帮助研究人员和制造商找到消除 缺陷的适当解决方案的关键。无论是在太阳能电池中,还是作为燃料电池 和空气电池中的电极,或者固态锂离子电池中的电解质,钙钛矿材料在储 能应用中都已展现出非常诱人的应用前景。因此,通过缺陷工程可以调控 这些新型材料的性能,以便更好地了解它们的吸光性能。
图5:不同温度下,钙钛矿薄膜中聚焦离子束辐照诱导的缺陷 中心的EPR谱图。根据知识共享许可协议4.0(Creative Com- mons Attribution License 4.0)的条件摘自参考文献[5]。
参考文献
1. Fehr M. et al., Influence of deep defects on device performance of thin-film polycrystalline silicon solar cells,Appl. Phys. Lett. (2012) 101 123904
2. SontheimerT. et al. (Silicon Photovoltaics), Identification of intra-grain and grain boundary defects in polycrystalline Si thin films by electron paramagnetic resonance, Phys. Status Solidi RRL (2013) 11 959
3. Snaith H. J., Perovskites: The emergence of a new era for low-cost, high-efficiency solar cells, J. Phys. Chem. Lett. (2013) 4 3623
4. Bera S. et al., Review of defect engineering in perovskites for photovoltaic application, Mater. Adv. (2022) 3 5234 5. Jeon N. J. et al., Focused-ion-beam induced paramagnetic defects in FAMn:PbI3 perovskite films, Adv. Chem. Eng.
Sci. (2022) 12 87