▲ 第一作者：Jingming Zheng、Zhiqin Ying、Zhenhai Yang
通讯作者：Zhenhai Yang、Xi Yang、Xiaofeng Li、Jichun Ye
通讯单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、苏州大学
论文doi：10.1038/s41560-023-01382-w
背景介绍
钙钛矿/硅叠层太阳能电池发展迅速。虽然提高器件效率的努力主要集中在顶部子单元的改进上，但连接顶部和底部子电池的复合层对于进一步的发展至关重要。
本文亮点
1. 本工作提出了一种钙钛矿/隧道氧化物钝化的接触硅叠层电池，该电池包含一个由硼和磷掺杂的多晶硅(poly-Si)堆栈组成的隧道复合层 。
2.poly-Si堆栈显示出最小的掺杂剂相互扩散。(2-(3,6-dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)ethyl)膦酸在poly-Si衬底上的强吸附能力能够实现有效的电荷-载流子传输和提取，特别是对钙钛矿顶部子电池。
3.该器件实现了29.2%的效率(28.76%的认证效率)，并在500 小时的连续最大功率点跟踪后保持了85%的初始效率。
4.此外， 本工作对载流子传输和隧穿机制提供了见解，为追求高效率叠层太阳能电池的中间层设计提供了指导 。
图文解析
图1.微观特性和光伏特性
要点：
1、图1a给出了含poly-Si TRL的perovskite/TOPCon TSC的结构图。本研究中，c-Si的前后表面分别采用黑硅(b-Si)(特征尺寸为~200 nm)和随机金字塔(特征尺寸为几微米)结构进行织构。
2、图1d比较了perovskite/TOPCon TSCs与IZO RL和poly-Si TRL的PCE值的统计。结果表明，IZO RL和poly-Si TRL的平均PCEs分别为28.3%和28.9%。
3、此外，图1d中相应的 V oc，Jsc和FF统计表明，与基于IZO RL的TSCs相比，在基于poly-Si TRL的TSCs中观察到的增强效率主要归因于Voc的改善。
图2. 特点与功能
要点：
1、如图2a，b所示，在poly-Si(p+)(poly-Si(n+))层中激活/掺杂的B(P)杂质浓度保持相对较高，并在poly-Si(p+)/poly-Si(n+)处显示出尖锐的掺杂边界。ECV测量的无TJ样品的活化B/P浓度分布，以及SIMS测量的H和O浓度分布进一步支持这一结论。
2、此外，基于图2a中活化的B和P浓度分布模拟了这种TJ的能带图，相应的结果如图2c所示。可见，poly-Si(p+)的价带和poly-Si(n+)的导带出现了能量重叠，结合较窄的耗尽宽度(~6 nm)，暗示形成了高效的TJ。
3、图2e展示了用于评估接触特性的典型电流-电压( I-V )曲线，显示了TJ样品，特别是在焊盘面积较小的情况下，与无TJ样品相比，显示出略高的接触电阻率。
图3. MeO-2PACz吸附量计算及特征
要点：
1、为了研究MeO-2PACz在IZO和SiO2基poly-Si衬底上的吸附能力，本工作进行了第一性原理DFT模拟，如图3a，b所示。其中青色云表示电荷重新分布后电子从相关键或原子上的损失，黄色云表示被相关原子捕获的电子。
2、IZO的表面I/II/III与MeO-2PACz之间通过形成In-O(或Si-O)键发生电荷转移，表明IZO与MeO-2PACz之间存在较强的相互作用。此外，DFT模拟结果表明，MeO-2PACz在IZO和SiO2基poly-Si衬底上的吸附能(Ead)分别为-6.6和-11.9 eV，表明MeO-2PACz在SiO2基poly-Si衬底上具有更强的吸附能力。
3、本工作进一步计算了晶体轨道哈密顿布居数(COHP)来表示化学键的强度，如图3b所示。特别地，IZO(SiO2基多晶硅)衬底的总能量积分COHP(ICOHP)被确定为-10.4(-18.4) eV，表明MeO-2PACz吸附在Si O2基多晶Si衬底上形成了更稳定和更强的化学键。
图4. IZO和poly-Si(p+)衬底上样品的电学特性
图5. 电流输运机制
要点：
1、在这一部分中，与能带结构和电荷载流子传输/提取行为相关的电学性质被检查。首先，进行了开尔文探针力显微镜(KPFM)测量，以验证表面电位分布。图4a显示了三维KPFM图，表明poly-Si(p+)，IZO和MeO-2PACz包覆的IZO和poly-Si(p+)表面的平均电位分别为414，337，101和68 mV。
2、图4b表明，poly-Si(p+)，IZO和MeO-2PACz包覆的IZO和poly-Si(p+)表面的功函数分别为4.11，4.21，4.43和4.58 eV，这与KPFM结果一致。这一结果可归因于钙钛矿顶电池中更强的MeO-2PACz吸附和更高的衬底功函数。 与基于IZO RL的TSCs相比，在基于poly-Si TRL的TSCs中观察到的改善的载流子传输和提取，代表了驱动poly-Si TRL基TSCs的Voc和PCE增强的主要因素 。
3、本工作研究了多晶硅TRL钙钛矿/TOPCon TSCs的载流子传输和隧穿机制。使用Silvaco TCAD软件中的有限元方法进行了器件仿真。这种器件的能带图如图5a所示，这与本工作的实验配置是一致的。
4、 模拟结果表明，当掺杂浓度较低时，载流子隧穿对主要由TAT主导的缺陷浓度敏感，从而导致较低的FF和效率 。相反，当掺杂浓度较高时，与缺陷浓度基本无关的载流子隧穿主要由BBT主导，导致更高的FF和效率。因此，考虑到这里的实验掺杂浓度为~1020 cm-3，器件性能应该几乎不受缺陷浓度的影响。
5、 这些发现为掺杂浓度与器件性能之间的关系提供了见解，模拟结果帮助本工作推导了掺杂浓度与器件特性之间的相关性。当然，本工作的结论具有广泛的适用性，不仅适用于多晶硅，也适用于其他材料体系 。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01382-w