EPR

EPR助力提升太陽能電池質(zhì)量和性能

應用說明

秉持誠信 不斷創(chuàng)新

引言

最近三十年里，光伏組件的累計銷售每增加一倍，其平均價格即下降

20%。難于獲取足夠高純度的硅或（有機光伏電池所需的）聚合物，一直

是阻礙光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速增長的重要因素之一。因此，市場非常需要成本

低廉的、生產(chǎn)光伏應用所需的硅和聚合物的技術(shù)。但成本低廉的生產(chǎn)技

術(shù)極有可能導致所生產(chǎn)的硅或聚合物純度降低。因此，對缺陷和雜質(zhì)含

量有精確的要求， 同時不影響達成產(chǎn)品良率和成本目標，并實現(xiàn)更短的能

源行業(yè)投資回報周期，具有至關(guān)重要的作用。

光伏材料中的順磁性缺陷和雜質(zhì)包括：

. SiO2 中的E ’中心

. SiO2 或c-Si中的原子H0

. 懸空鍵（Si-SiO2界面處的Pb 中心）

. 晶界缺陷

. 晶粒內(nèi)缺陷

. 過渡金屬 . 自由基

深能級缺陷對多晶硅薄膜太陽能電池的器件性能的影響

具備高電子質(zhì)量的薄膜，是發(fā)展下一代硅薄膜太陽能電池的前提。為了生

產(chǎn)出可以硅晶圓太陽能電池相媲美的晶體硅薄膜太陽能電池，

我們探索了許多在玻璃襯底上制備多晶硅薄膜的方法。然而

多晶硅太陽能電池相比硅晶圓太陽能電池開路電壓（V  ）顯著降低。對

oc

固相晶體硅太陽能電池進行的EPR研究表明，深能級順磁性缺陷是多晶硅

中的主要復合中心，因而是制約多晶硅電子質(zhì)量的最重要因素。EPR研究

所得到的結(jié)論包括：

. 多晶硅太陽能電池中通常存在晶界和晶粒內(nèi)缺陷

. 借助布魯克的SpinCount模塊，可以測定缺陷含量（即缺陷密度Ns）

降低而升高

. EPR研究證明，順磁性缺陷密度是制約多晶硅太陽能電池性能的一個 因素

圖1：多晶硅薄膜太陽能電池性能與缺陷密度之間的關(guān)系。

根據(jù)知識共享許可協(xié)議4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的條件摘自參考文獻[1]。

鑒定多晶硅薄膜中的晶粒內(nèi)和晶界缺陷

證明是順磁性缺陷在制約多晶硅太陽能電池的器件性能后，在微觀水平上探討觀測到的缺陷來源，對于鑒定這些缺陷至關(guān)重 要。通過對平均晶粒粒徑為200 μm的液相晶化層，及擁有類似晶粒內(nèi)形態(tài)但不同晶粒粒徑（0.25 μm-1 μm）的特定固相晶化 硅層，進行EPR定量測量，可以表征多晶硅薄膜中的晶粒內(nèi)和晶界缺陷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺陷特性由兩個擁有不同g值（g = 2.0055 和2.0032）的信號組成，它們分別被歸為晶界缺陷和晶粒內(nèi)缺陷。

圖2：晶粒粒徑為0.25 μm和200 μm的多晶硅薄膜的EPR譜 圖。EPR數(shù)據(jù)表明，在g = 2.0032處存在晶粒內(nèi)缺陷（深黃色譜 圖），在g = 2.0055處存在晶界缺陷（紅色譜圖）。根據(jù)知識共享 許可協(xié)議4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的 條件摘自參考文獻[2]。

圖3：掃描電鏡（SEM）下的多晶硅薄膜圖像。通過EPR鑒別出的兩種缺陷分別顯示為深黃色和紅 色。根據(jù)知識共享許可協(xié)議4.0（Creative  Commons  Attribution  License  4.0）的條件摘自參考 文獻[2]。

鈣鈦礦：研發(fā)低成本和高效率太陽能電池的新途徑

近年來，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在光伏電池和儲能應用中展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。 鈣鈦礦型光伏電池成本低，壽命長。這些太陽能電池具有可調(diào)帶隙、高  吸光能力和高載流子遷移率等理想性能，且能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）顯著提  高。但是，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在其界面和晶界處存在外源缺陷，它們將影響鈣  鈦礦薄膜的結(jié)晶度，并使其在太陽能電池中的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生分解。通過  EPR可以研究順磁性缺陷的類型及其在晶格中的密度。

圖4：鈣鈦礦型太陽能電池的示意圖。根據(jù)知識共享許可協(xié)議4.0 （Creative Commons Attribution  License 4.0）的條件摘自沖 繩科學技術(shù)大學院大學（OIST）的網(wǎng)站。

鈣鈦礦薄膜中聚焦離子束誘導的順磁性缺陷

據(jù)知，離子束輻照能夠誘導相變和非晶化等結(jié)構(gòu)變化。在聚焦離子束輻照 條件下，EPR可檢測到含錳氧化物的鈣鈦礦薄膜中孤立和定域的順磁性自 旋。這些缺陷在低溫下（5-50 K）表現(xiàn)出居里效應，表明在缺陷部位存在定 域電子。

通過EPR檢測和鑒定缺陷類型及分布，是幫助研究人員和制造商找到消除 缺陷的適當解決方案的關(guān)鍵。無論是在太陽能電池中，還是作為燃料電池 和空氣電池中的電極，或者固態(tài)鋰離子電池中的電解質(zhì)，鈣鈦礦材料在儲 能應用中都已展現(xiàn)出非常誘人的應用前景。因此，通過缺陷工程可以調(diào)控 這些新型材料的性能，以便更好地了解它們的吸光性能。

圖5：不同溫度下，鈣鈦礦薄膜中聚焦離子束輻照誘導的缺陷 中心的EPR譜圖。根據(jù)知識共享許可協(xié)議4.0（Creative Com- mons Attribution License 4.0）的條件摘自參考文獻[5]。

參考文獻

1.     Fehr M. et al., In?uence of deep defects on device performance of thin-?lm polycrystalline silicon solar cells,Appl. Phys. Lett. (2012) 101 123904

2.    SontheimerT. et al. (Silicon Photovoltaics), Identi?cation of intra-grain and grain boundary defects in polycrystalline Si thin ?lms 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-ef?ciency 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 ?lms, Adv. Chem. Eng.

Sci. (2022) 12 87