EPR助力提升太阳能电池质量和性能

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

产出可以与最先进的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。然而众所周知的

是，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

oc

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）

. 沉积后处理（SPC、RTA、HP）可提高电子质量⸺V  随着缺陷密度的

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。

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

400