MoO界面氧化层的作用_x/n硅异质结太阳能电池

文摘

界面氧化层MoO起着至关重要的作用_x/ - - - - - -硅异质结太阳能电池(MSHJ);然而,这个界面层的性质尚未阐明。在这项研究中,基于实验结果,我们从理论上分析了角色的界面氧化层电荷载体运输MSHJ设备。界面氧化层被认为是两层:一个准 - - - - - -型半导体界面氧化层(SiO_x(Mo)) 1中许多带负电中心存在由于氧空位和molybdenum-ion-correlated三元混合动力车和缓冲层(SiO_x(Mo)) 2的数量Si-O债券是由相对良好的钝化。(SiO的厚度_x(Mo)) 1和(SiO的厚度_x(Mo)) 2是关于2.0和1.5 nm,分别。仿真结果表明,准 - - - - - -型层表现为宽禁带的半导体材料2.30 eV,促进带负电荷的中心孔的运输。此外,缓冲层的光学带隙1.90 eV MoO钝化中发挥了至关重要的作用_x/ - - - - - -如果设备。此外,界面层的负电荷中心双重功能场钝化和隧穿过程。结合实验结果,我们的模型阐明了界面物理和航空运输的机制MSHJ太阳能电池和提供了一个有效的方法MSHJ太阳能电池的效率高。

1。介绍

作为硅基太阳能电池的结构新颖,选择性钝化联系近年来引起了人们广泛的关注由于其成功的多数载流子的运输和降低少数载流子的复合率(1- - - - - -7]。在过渡金属氧化物薄膜,亚化学计量的氧化钼(牛叫声_x, )曾被报告为一个有效hole-collecting材料太阳能电池(4,7- - - - - -11]。MoO_x薄膜最近直接集成到硅异质结(SHJ)设备,和一个光伏(PV)特性是成功获得由于合适的带隙~ 3.00 eV和较高的功函数6,12]。此外,SHJ设备显示一个优秀的光伏(PV)性能(3,4,13]。

MoO_x结合了宽禁带具有高工作功能,这使得它可以提供优秀的hole-selective函数。据报道,7 nm厚的牛叫声_x电影被用来取代硅:H ( )层SHJ设备,导致22.5%的转换效率(13]。我们展示了一个不同的牛叫声_x/ n-Si SHJ太阳能电池与一个高效的孔通过蒸发MoO收集和简单的制造过程₃粉在 - - - - - -型硅。3.5 nm厚的非晶态MoO之间的界面层形成的自然观察_x电影和 - - - - - -Si衬底通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)。虽然高MoO的功函数_x层引起的表面的界面逆温层 - - - - - -Si衬底,形成build-in-potential,可以忽略不计,3.5纳米界面氧化层也扮演了重要的角色在航空公司的运输。

在这个研究中,我们实现了13.94%的MSHJ太阳能电池采用这个简单的过程,以及一个569.96 mV的32.10 mA‧厘米²和填充因子(FF)的76.21%。确定optoelectrical属性的界面层,我们使用AFORS-HET v2.5模型实施重建的界面层14]。这个界面层被认为是两层,包括一个准 - - - - - -型半导体界面氧化层(SiO_x(Mo)) 1和一个缓冲层(SiO_x(Mo)) 2。详细,准 - - - - - -型层半导体材料,促进了交通的洞。同时,缓冲层的化学钝化的牛叫声_x/ - - - - - -如果设备。重要的是,界面层的负电荷中心双重功能场效应钝化和隧穿过程。最后,我们数值实现16.91%的MSHJ结合先进的光捕获纹理和后表面钝化。仿真结果帮助我们实现的有效方式的高效澄清的界面物理MSHJ太阳能电池。

2。仿真模型

MSHJ太阳能电池的原理图所示1(一)。一种无形的界面层厚度约3.5 nm,如图1 (b)MoO之间的,是自然形成的_x和 - - - - - -Si衬底在MoO的蒸发_x,证实了横断面HRTEM成像。x射线光电子能谱(XPS)和深度分析是用来确定界面层的元素组成,如图1 (c)。可以发现,Si, O,和密苏里州的选民界面过渡。除了测量的厚度和元素组成,没有其他-SiO的直接观察_x(Mo)接口,因为接口是超薄,位于内部结构。然而,所扮演的角色的 - - - - - -SiO_xMSHJ (Mo)层是不清楚。要理解界面层的性质,我们构建了一个物理模型和模拟的光学和电学性质 - - - - - -SiO_x(Mo)层AFORS-HET v2.5软件。intraband和肖特基势垒的隧穿通过传导和价带中的峰值发生在接口也被考虑。

在我们先前的研究[15,16),我们计算一个周期 - - - - - -SiO₂与钼掺杂结构通过采用基于计算解释电荷载体运输的机理。结果表明,过渡的水平ε(+ 1/0)ε(+ 2/0)存在,这些水平位于3.59 eV和2.54 eV,分别在价带最大的 - - - - - -SiO₂。这些电荷转换水平引入了大量的负电荷中心,降低了隧穿势垒高度。我们猜测,在界面层电荷载体运输也适用于一维半导体方程的稳定状态。这是可行的实现模拟使用AFORS-HET v2.5软件。

据O (Si)的相对原子百分比分布(表示O-Si债券)和O (Mo)(表示不债券)如图1 (c),Mo-O Si-O债券MoO附近显示两种不同的分布_x层和Si衬底。因此,我们把界面层分为两个物理层:一层被认为是一个2 nm-thickness准 - - - - - -SiO类型_x(Mo) 1层因为Mo-O债券的数量大于Si-O债券MoO附近_x电影。另一层是1.5 nm-thickness准 - - - - - -类型(SiO_x(Mo) 2)自Si-O债券大于Mo-O债券在Si衬底附近。

8.0 nm厚的牛叫声_x层被建模为一个复合透明导电氧化物的一部分(3]。其功函数将5.50 eV (16),确定UPS。此外,前表面的反射和吸收从测量数据中提取与紫外-可见分光光度计。国家的平均密度界面层是设置为1 ,这是用特殊的循环伏安法测量技术在我们的以前的工作17]。航空运输在 - - - - - -SiO_x(Mo) / - - - - - -如果接口被热电子发射模型与活跃的隧道接口。表面复合速度的前后表面的电子和空穴被设置为相同的值 (18- - - - - -21]。太阳能电池的光伏特性计算的气团1.5 (AM1.5)太阳光谱(100 mW‧厘米²在室温下)。表中列出的相关参数1。更多细节关于设备的仿真参数不同的层可以找到在我们先前发表的研究(22]。

3所示。结果与讨论

3.1。装配式MSHJ性能和模拟结果的比较

图2显示了一个模拟和测量的比较- - - - - -曲线的MSHJ太阳能电池。的的仿真结果为16.91%,加上35.72 mA‧厘米²,一个581.10 mV,和81.45%的FF,代表着更好的性能比MSHJ与制作的的13.94%,32.10 mA‧厘米²,一个569.96 mV, 76.21%的FF。尽管更好的理论性能,模拟- - - - - -曲线同意测量曲线,保证模拟- - - - - -曲线反映了实验结果。

3.2。光学带隙 - - - - - -SiO_x(Mo)层间

图3显示了- - - - - -特征的模拟MSHJ太阳能电池具有不同能量带隙( )价值观和不同的SiO电子亲和力_x1、SiO (Mo)_x(Mo) 2相比与AM1.5照明实验太阳能电池。如数据所示3(一个)和3 (b),模拟- - - - - -情节的SiO_x(Mo) 1 ~ 2.30 eV的光学带隙(±0.02 eV)和电子亲和能的3.50 eV (±0.05 eV)有良好的协议与实验数据的MSHJ根据形状的太阳能电池 - - - - - - 诅咒。表2(一个)显示MoO的光电特性_x/ - - - - - -硅太阳能电池不同带隙的SiO_x(Mo) 1层。一个人可以发现和没有一个明智的改变而带隙的SiO吗_x(Mo) 1不同。相比之下,它有相对明显的影响FF(填充因数)。模拟FF接近76.21% ~ 81.45%的光伏设备的光学带隙的~ 2.30 eV (±0.02 eV)尽管理想化的近似的界面状态。与此同时,一个模拟近13.94% ~ 16.91%的太阳能电池在实践中。表2 (b)显示MoO的光电特性_x/ - - - - - -硅太阳能电池的SiO亲和力_x(Mo) 1层。同样的情况也适用于SiO的亲和力_x(Mo) 1层。的 - - - - - - 情节的亲和力~ 3.50 eV (±0.05 eV)由于FF和类似的有理想的协议 。

数据3 (c)和3 (d)显示不同的能量带隙值的比较和不同的SiO电子亲和力_x(Mo) 2。该图还显示这一事实和几乎没有经验的变化与能量带隙和SiO的电子亲和能_x(Mo) 2层,但FF和很大差异而能量带隙和SiO的电子亲和能_x(Mo) 2发生了变化。它可以发现- - - - - -曲线的能量带隙~ 1.90 eV (±0.10 eV)的电子亲和能~ 3.60 eV (±0.20 eV)同意与测量 - - - - - - 情节。

电子和空穴的能量障碍是由带隙和电子亲和能。正如文献[23],FF串联电阻的影响,这是密切相关的能源缺口。更大的差距同样的电子亲和能表示更高的障碍,从而产生更大的串联电阻显示较低的FF。众所周知,光学带隙 - - - - - -SiO_x(Mo)层,它直接影响航空公司的运输,在MoO的性能起着至关重要的作用_x/ - - - - - -Si异质结构。尼古拉·Tomozeiualso SiO光学带隙的讨论_x( )在O 'Leary-Johnson-Lim培训模式,报告的光学带隙 - - - - - -SiO_x从1.7 eV增至3.1 eV从0.35增加到1.4324]。因此,它是合理的 - - - - - -SiO_x(Mo) 1层间有一个光学带隙2.30 eV。的带隙 - - - - - -SiO_x(Mo) 2层间Si衬底附近的时候,~ 1.90 eV,略低于 - - - - - -SiO_x(Mo) 2层间因为Si原子含量越高。

3.3。负电荷中心的角色

界面层的另一个关键问题是负电荷中心的浓度与氧化物的空缺和Mo-ion-correlated有关 - - - - - -SiO_x(Mo) 1层。表3显示MSHJ设备的光电参数与不同的负电荷中心浓度的范围 。值得注意的是,光伏特性保持不变的负电荷中心下面的浓度 ,直接验证,内置的领域主要源于MoO的功函数区别_x(5.50 eV)和 - - - - - -Si (4.31 eV)。为了实现高输出性能的设备,负电荷中心浓度应控制的范围 ,制造过程的可调范围宽。这些负电荷中心排斥电子太阳能电池的背面以获得大 。

仿真结果表明, - - - - - -SiO_x(Mo)层是一个大带隙(~ 2.30 eV)半导体材料具有良好的量子隧穿和场效应钝化。此外,结果阐明,势垒高度降低了包括钼离子,增加量子隧穿概率。此外,负电荷中心 - - - - - -SiO_x引入的(Mo)层,包括钼离子和氧空位,良好的场效应钝化起到了至关重要的作用。界面的澄清MSHJ太阳能电池的物理机制使更好地理解物理性质的设备。我们调查了一个a-SiO_x(在)伊藤和之间的层间形成自然 - - - - - -Si衬底(17,22,25- - - - - -27]在ITO薄膜的生长 - - - - - -硅晶片。的 - - - - - -SiO_x(在)夹层在ITO /也扮演了多个角色 - - - - - -硅异质结太阳能电池,并帮助产生优秀的光电性能。我们猜测, - - - - - -SiO_x夹层包括另一个特定的过渡金属氧化物,例如,签证官_x或者我们_x,这也可能会形成一个大的能量带隙半导体材料良好的钝化效果,隧道的可能性很高,选择性接触。

3.4。电子结构和角色的界面区域

设备模型显示,有一个强逆温层( )表面的 - - - - - -Si衬底因为MoO的工作功能的区别_x和 - - - - - -如果,如图4。这样的逆温层把/同质结,内置的表面场的起源 - - - - - -Si。界面的能带结构计算地区平衡如图4。一个强大的 - - - - - -类型逆温层的厚度约200纳米的表面附近存在 - - - - - -如果吸收器。此外,仿真表明,有一个能带弯曲0.81 eV,限制MoO的价值_x/ - - - - - -硅异质结表面的硅衬底。一个值通常是与一个内置的潜力( )。制造设备的获得了价值0.67 V,源自于1 /- - - - - -曲线在室温下,

假设一个突变结,如图5。很明显,0.67 V的测量值是接近但小于0.81 V的模拟值。考虑到其他因素的制造设备28,29日),模拟能带结构本质上匹配的制造设备。

能带结构的基础上,我们可以看到,价带和导带偏移0.46 eV和0.71 eV,分别。带障碍引起的能量补偿和界面的电场可以单独的电子空穴对由于能带弯曲的高度30.,31日]。在我们的设备中,量子隧穿发挥了重要作用的解释电荷载体运输。电荷载体的隧穿概率被势垒的高度强烈影响,屏障的厚度,势垒形状,和许多其他因素25,32- - - - - -36]。价带偏移0.46电动汽车提供了一个相对较低的势垒的洞。因此,孔的隧穿概率显著增加。正如所料,增加的隧穿概率可能直接导致更高的洞 。

此外,传导带抵消高0.71 eV导致电子势垒,限制他们的交通工具。此外,负电荷中心排斥电子的背后 - - - - - -如果由于场效应钝化。我们发现SiO_x(Mo)层是一个理想的材料,适合孔运输时防止电子传递,从而获得高 。因此, - - - - - -SiO_x(Mo)界面层提供了一个强大的场效应钝化和高量子隧穿概率,这是具有重要意义的MSHJ太阳能电池的输出性能。的 - - - - - -SiO_x(Mo)夹层使漏洞更容易运输辅助隧道,和它排斥电子的另一边层与库仑力,从而表明这是一种很有前途的材料异质结太阳能电池。刘等人研究了乐队安排和电荷转移时,界面交互BiVO多样₄/我们₃异质结构半导体材料(37]。人们可以发现电荷转移在异质结界面层的内部机制需要进一步探索。这种界面材料MSHJ是开放市场的进一步研究;尽管如此,我们可以单独准备一个 - - - - - -SiO_x(Mo)层的研究。

4所示。结论

通过使用一个简单的过程,我们的一声枪响_x/ - - - - - -硅太阳能电池,实现良好的性能13.94%,569.96 mV的开路电压,短路电流密度为32.10 mA‧厘米²,高FF的76.21%。我们发现3.5 nm ternary-like混合层 - - - - - -SiO_x(Mo)之间形成的牛叫声_x和 - - - - - -Si衬底,混合层可能发挥了关键作用的良好性能MSHJ太阳能电池。随后的仿真结果表明,这种SiO界面层_x(Mo) 1 Mo-based半导体材料的光学带隙宽~ 2.30 eV和负电荷中心的密度范围的10¹¹-10年¹²厘米²。界面层SiO_x(Mo) 2 MoO的钝化作用_x/ - - - - - -如果设备。负电荷中心在量子隧穿和场效应扮演双重角色的钝化过程,导致优秀的多数载流子的传输特性和少数人的有效抑制电荷载体重组。改进的性能,物理机制的阐明,制造工艺的优越性表明,MSHJ太阳能电池在大规模生产有吸引力的前景。最后,MSHJ设备物理的澄清将有效地帮助理解界面层的作用和提高这些设备的输出性能。基于上述分析,我们预计 - - - - - -SiO_x材料包括过渡金属氧化物,如签证官_x优秀的钝化,隧道的可能性高,选择性接触,可能会成为一个有吸引力的材料异质结太阳能电池。

数据可用性

请联系这个邮件xmsong@jou.edu.cn,如果你需要数据支持这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作在一定程度上支持中国的国家自然科学基金(61874070号,61774069,61674099,61274067),江苏教育部重大项目(排名20 kja430013),研发SHU-SOENs PV联合实验室(没有的基础。SS-E0700601)和连云港“海盐计划”(编号2020 - qd - 010)。

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