本文根据日本产业技术综合研究所研究成果发布资料编译而成
日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）多结光伏电池研究团队的高级主任研究员松井卓矢和主任研究员斋均，通过与德国弗劳恩霍夫太阳能研究所（Fraunhofer ISE）的联合研究发现，利用原子层沉积法形成的氧化钛薄膜（厚度约为5nm）具有使纹理结构的晶体硅的表面缺陷失活的功能，以及从晶体硅中选择性地提取空穴的功能。
研究团队试制了将该氧化钛薄膜配置在正极的晶体硅光伏电池，并证实其转换效率达到20％以上，可以实现实用化。利用此次开发的技术，有可能以低成本的材料和工艺实现比采用既有空穴提取材料的晶体硅光伏电池更优异的性能，有望实现高效率、低成本的光伏电池。
（左）此次制作的光伏电池的结构概念图示例、（右上）光伏电池受光面的透射电子显微镜图像、（右下）在50mm见方的晶体硅基板上形成5个光伏电池的样品外观
此次，研究团队以含钛有机金属络合物和水蒸气为原料，利用原子层沉积法制作了氧化钛薄膜。在具有金字塔形状纹理结构的n型晶体硅表面形成厚度约为5nm的非晶质氧化钛薄膜后，再利用掺锡氧化铟（ITO）形成透明电极膜，然后形成银（Ag）栅极，作为正极。
负极采用异质结型晶体硅光伏电池常用的结构，制作了光伏电池。从正极照射伪太阳光，评估光伏电池的性能发现，正极采用氧化钛的光伏电池与在硅上直接形成ITO膜的无氧化钛膜光伏电池相比，开路电压由200mV增至500mV。这表明氧化钛具有缺陷失活性和空穴选择性。
不过，在具有纹理结构的晶体硅上直接形成氧化钛薄膜的话，缺陷失活性和空穴选择性不足。因此，研究团队在形成氧化钛薄膜后，向表面照射了氢等离子体，由此缺陷失活性和空穴选择性同时提高，光伏电池的开路电压提高到了670mV。研究发现，不仅是硅，氧化钛对很多材料的电子选择性都比较高，一直被用作有机光伏电池等的负极材料，此次是首次证明氧化钛具有空穴选择性和缺陷失活性，可以作为正极使用。
研究团队调查了这种表现出与以往完全相反的性质的机制，发现可以通过氧化钛与晶体硅的界面存在的互混层（由钛、硅、氧、氢构成）的组成及其分布，控制缺陷失活性和空穴选择性。随着发现氧化钛具有选择性地提取空穴的新功能，氧化钛的应用范围有望扩大。
图1:（左）光伏电池的电流电压特性、（右）在平坦的晶体硅上形成氧化钛薄膜的截面的高分辨率透射电子显微镜图像
右图通过对成分进行分析确认，晶体硅与氧化钛的界面上形成了由钛、硅、氧和氢构成的互混层。
与以往采用非晶硅的异质结型晶体硅光伏电池相比，此次开发的采用氧化钛的光伏电池在400-600nm的波长下显示出更高的外部量子效率，短路电流密度约增加了2.0mA/cm2。这是因为，非晶硅的带隙为1.7eV，而氧化钛的带隙高达3.4eV，并且氧化钛的透明性高，降低了正极的光吸收造成的损失。该光伏电池的性能还有改善的余地，通过有效改善短路电流密度，目前已经实现21.1％（第三方测量）的转换效率。这个数值与以往的异质结型晶体硅光伏电池的性能（研究室水平为22.3％）不相上下。
图2：（上）基准太阳光光谱（air mass 1.5 global）与（下）此次制作的光伏电池的外部量子效率光谱
比较了此次开发的采用氧化钛的光伏电池与以往的采用非晶硅的光伏电池的外部量子效率。短路电流密度也可以根据基准太阳光光谱与外部量子效率光谱的乘积积分计算。
实验发现，向此次开发的在受光面形成氧化钛薄膜的光伏电池照射波长约为400nm以下的紫外线时会发生劣化，今后还需提高紫外线耐性。另一方面，在非受光面形成氧化钛薄膜时，由于照射不到紫外线，未观测到劣化。此前已经确认，在p型晶体硅的非受光面形成氧化钛薄膜的光伏电池可实现20％左右的转换效率，而且照射光也不会劣化。
p型晶体硅是光伏电池市场最常用的材料，此次开发的技术不仅是n型晶体硅，包括采用p型晶体硅的光伏电池在内，应该可以广泛应用于多种类型的晶体硅光伏电池。
论文信息
题目：Atomic-Layer-Deposited TiOx Nanolayers Function as Efficient Hole-Selective Passivating Contacts in Silicon Solar Cells
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
DOI：10.1021/acsami.0c14239
研究成果发布资料
编译：JST客观日本编辑部
