晶体硅(c-Si)太阳能电池是市场上最有前途的太阳能技术之一。这些太阳能电池有许多优点，包括接近最佳的带隙、高效率和稳定性。值得注意的是，它们也可以用广泛可用和容易获得的原材料来制造。
近年来，许多公司和工程师专门致力于硅异质结(SHJ)太阳能电池的研究。这些太阳能电池由沉积在晶体硅表面的非晶态硅层组成，已被发现具有显著的能量转换效率(PCE)。
北京工业大学、汉能成都研发中心和江苏大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在仔细检查高效SHJ太阳能电池中c-Si/a-si:H界面的结构。他们的论文发表在《自然能源》杂志上，通过允许工程师对c-Si/a-Si:H界面进行更大的控制，为进一步提高SHJ太阳能电池的性能提供了有价值的见解。
随着制造技术的不断改进，Kaneka已经实现了具有24.5%PCE(总面积，239cm2)和25.1%PCE(孔径面积，151.9cm2)的SHJ太阳能电池。然而，单结SHJ太阳能电池效率的进一步提高在过去三年似乎停滞不前。因此，迫切需要找到新的突破点来解决瓶颈，获得更高的SHJ太阳能电池PCEs。
同单晶硅和硅之间的接口:HSHJ太阳能电池关键重要细胞在确保实现高PCE。识别策略,可以提高这些细胞的PCE,许多研究人员因此密切了同单晶硅/硅:H接口使用一种技术称为透射电子显微镜(TEM)。然而，这些检查往往受到传统TEM技术空间分辨率较差或高分辨率TEM(HRTEM)成像对界面样品厚度的敏感性的限制。
由于这些限制，迄今为止，基于tem的研究只能收集到SHJ细胞外延层厚度或突然性的信息。然而，在原子尺度上c-Si/a-Si:H界面的结构特征还没有被确定。
为了进一步提高SHJ电池的效率，研究人员需要深入研究c-Si/a-Si:H界面，并确定在原子尺度上控制它的策略。在他们的研究中，Zhang和他的同事使用HRTEM成像技术和基于理论的模拟来表示c-Si/a-Si:H界面的原子和电子结构。他们使用一种被称为球面像差校正透射电子显微镜(CS-correctedTEM)的替代TEM技术检测了高效SHJ太阳能电池中c-Si/a-Si:H界面的原子结构。
“为了获得准确解释HR-(S)TEM图像的最佳原子对比度，我们使用了两种技术，即聚焦离子束(FIB)和纳米磨来精心制备SHJ太阳能电池的横截面样品，”Zhang说。”的理论评价同单晶硅/硅:H界面结构在这个工作也是至关重要的,因为它帮助我们画一个介绍图像之间的物理连接和设备性能,考虑到嵌入式nanotwins复合中心的深层缺陷水平导致短载体寿命,基于采用基于计算。”
张和他的同事们收集的结果相当出乎意料和惊讶。除了细胞正常的外延结构外，研究人员还在c-Si和a-Si:H之间的薄外延层中观察到高密度的纳米孪晶，它们以两种不同的形式存在，即自由纳米孪晶和嵌入纳米孪晶。他们的计算还表明，嵌入在这一层的纳米孪晶破坏了SHJ太阳能电池的性能。
在他们在c-Si和a-Si:H之间的薄外延层中识别出高密度纳米孪晶，并确定它们会损害SHJ太阳能电池的性能后，研究人员试图确定它们的起源以及它们如何随时间进化。为此，他们使用HRTEM技术检测了c-Si/a-Si:H在细胞制造过程不同阶段的界面结构。
为了说明c-Si/a-si:H界面结构的演变，研究人员使用基于微机电系统(MEMs)的加热系统，结合cs校正的TEM，进行了额外的原位退火实验。他们的研究结果表明，纳米孪晶在i-a-Si:H层沉积过程中成核，并在随后的退火过程中形成。
“从我们的分析中，我们得出结论，在初始阶段抑制孪晶成核是减少嵌入纳米孪晶的关键步骤，”张说。“因此，我们通过引入超薄的i-a-Si:H缓冲层，利用低密度纳米孪晶制作了SHJ太阳能电池，这些电池表现出了更好的性能。”
张和他的同事们发现，他们抑制嵌在c-Si/a-Si:H界面中的纳米孪晶的策略进一步增强了SHJ太阳能电池的PCE。作为研究的一部分，他们进一步探索了这种策略的潜力，使用它来改变c-Si晶片的初始表面，以确保它偏离{111}平面。
“我们工作的主要目标是实现一种转换效率为24.85%的高效SHJ太阳能电池，其制备工艺与工业兼容，”张说。“嵌入孪晶的发现和它们阻碍细胞转换效率提高的发现打破了传统的理解:c-Si/a-Si:H界面上的悬空键是影响载流子界面的主要绊脚石。”
张和他的同事们的研究引入了一种新的策略，可以帮助提高SHJ太阳能电池的效率。此外，该研究还提供了原子尺度下高效SHJ太阳能电池c-Si/a-Si:H界面结构的新见解，表明高密度嵌入的纳米孪晶对这些电池的性能有害。
“运用第一性原理计算，我们的理论模拟揭示了纳米孪晶的本质，这是工业化钝化过程中不可避免的缺陷结构，”张说。“考虑到嵌入的超深纳米孪晶作为复合中心，对性能有很大的影响，因此我们提出了避免产生超薄钝化层的策略。在这些过程之后，我们的原位TEM测量观察到嵌入纳米孪晶的密度降低，我们提供了一种提高硅太阳能电池性能的新方法。”
到目前为止，c-Si/a-Si:H界面的复合被认为是SHJ太阳能电池能量损失的主要原因。Zhang和他的同事们研究了最高性能太阳能电池的效率损失，发现高密度嵌入的纳米孪晶对器件性能有害，通常形成于c-Si和a-Si:H层之间的薄外延层。他们还发现，添加超薄的a-Si缓冲层显著减少了嵌入纳米孪晶的存在，并提高了电池的效率。
Zhang补充道：“我们的发现表明，当抑制嵌入的纳米孪晶时，SHJ太阳能电池的PCE可以得到改善。”事实上，在我们的研究中，通过降低嵌入纳米孪晶的密度，我们取得了明显的性能改善。现在我们将重点研究如何通过调整纳米孪晶在c-Si和a-Si:H界面上的演化过程来进一步减少/消除纳米孪晶。