硅太阳能电池上硅薄膜的激光掺杂

过饱和硅太阳能电池具有低光致电荷载流子组装问题和弱开路电压 (VOC) 用于子带隙光电响应。 根据最近发表在 光学和激光技术一组研究人员在具有单个 p/n 结的单晶硅太阳能电池表面沉积了多层 (Si/Ti) 薄膜。

研究人员使用 1064 nm 脉冲激光将薄膜熔化并结晶成钛掺杂硅 (Si:Ti) 薄膜。 可以通过增加亚带隙红外吸收、减少光反射和使用 ap/n/n 来增强亚带隙太阳能电池的亚带隙和光电流⁺ 收集货运承运人的路口。

硅的图像转换效率 (PCE)

硅因其卓越的品质和成熟的微加工技术而成为光电子学中的重要组成部分。

考虑到由于 1.12 eV 的带隙导致的光损耗、电阻损耗和外部复合损耗，单结硅太阳能电池的理论最大光转换效率 (PCE) 为 29.1%。 非晶硅异质太阳能电池的实用 PCE 可以通过以最小的电流损失收集光和以较低的功率损失收集光生电荷载流子来实现 26.3%。

PCE加强硅战略

tetrasine 的单重态激子产生三重激子来催化硅中的两个电子-空穴对，将 PCE 提高到 35%。 通过增加深能级掺杂，可以将1200-2500 nm的亚带隙IR吸收添加到硅的固有光学吸收中，导致在硅的价带中形成杂质带（IB）。 全太阳光谱区域（λ = 200-2500 nm）也可以包含在硅光电响应范围内，以将 PCE 限制提高到 54.8%。

超深层次对比硅

单晶硅通常使用过渡金属或硫属元素杂质进行离子注入或飞秒 (fs) 激光照射，以产生高水平的异质硅干扰。 在单晶硅衬底上产生超富集硅层以形成 p/n+ 结构。

超掺杂硅太阳能电池的极限

过量硅太阳能电池的主要问题是在制造过程中发生表面复合或俄歇复合，导致开路电压（VOC）或短路电流密度（JSC）不足。 这些复合可以通过表面各向异性蚀刻、轻掺杂和浅掺杂或匹配的钝化层来有效解决。 然而，过度掺杂导致亚带隙红外辐射的吸收减少。

考虑子带隙器件的优点，提高器件性能的关键是提高电子电荷、电荷载流子寿命、电荷载流子迁移率和子带隙吸收。 硫属元素（S、Se 和 Te）和过渡金属元素等深层杂质的添加量必须远高于硅的平衡固溶度极限，才能产生超富集硅的非均相反应。 这导致图像生成的货运载体阵列较差，传播长度较短。 在超阻尼硅太阳能电池中，电子-空穴对难以分离、组装和传输。

硅掺杂超钛的研制

钛比硫更适合作为有机硅供体。 钛在用钛饱和的硅 (Si:Ti) 中显示出亚带隙红外响应。 杨 等。 本文采用纳秒 (NS) 激光聚变工艺使钛过饱和的单晶硅。

在硅单晶太阳能电池基板上形成多层（Si/Ti）薄膜，以应对太阳能电池面临的挑战。 当这些薄膜用于直接产生p/n结时，可以避免低载流子基团和弱VOCs。 衬底的初级 pn 结和 n⁺在 Si:Ti 片材和基板之间产生的 -n 结可以吸收入射光子并将其转化为光电流。

研究成果

新开发的Si:Ti太阳能电池已成功转移、分离和收集红外亚带隙电子-空穴对。 Si：Ti涂层产生粗糙的表面并且是光增强的。

太阳能电池的 p/n/n+ 结构有利于电荷载流子的收集和减少的电子-空穴复合，从而增强了器件的光电流。 p/n/n+ 结构进一步改善了 VOC，这也为上述带隙光电流增加了亚带隙光电流。

通过使用高性能硅太阳能电池基板并简化制造工艺，可以优化该太阳能电池的 PCE。 从工业应用的角度来看，这些硅过饱和太阳能电池的结构具有深能级掺杂剂和衬底类型的灵活选择、可控的超掺杂浓度和厚度以及简单的生产过程。

参考

Yang, YJ, Cai, XD, Yang, HW, Shi, ZQ, Wen, C., Liu, L., Yang, WB, & Zhang, L.C. (2022)。 硅膜的超激光以增强子带隙光转换。 光学和激光技术和 156108583。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399222007320

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