EPR助力(li)提升太陽能(neng)電池(chi)質量和(he)性(xing)能(neng)

EPR

EPR助力(li)提升太陽能(neng)電池(chi)質量和(he)性(xing)能(neng)

應(ying)用說(shuo)明(ming)

秉(bing)持(chi)誠信 不(bu)斷創新(xin)

引(yin)言

最(zui)近(jin)三十年(nian)裏(li)，光伏(fu)組件(jian)的(de)累計銷售每(mei)增(zeng)加(jia)壹倍，其(qi)平(ping)均價(jia)格即(ji)下(xia)降

20%。難(nan)於獲(huo)取(qu)足夠高純(chun)度(du)的矽(gui)或(huo)（有機光(guang)伏電池(chi)所需(xu)的）聚(ju)合物(wu)，壹直(zhi)

是阻礙(ai)光伏(fu)產業(ye)實現快速(su)增長(chang)的重(zhong)要因(yin)素之壹。因(yin)此，市場非(fei)常需(xu)要成本(ben)

低(di)廉的、生產(chan)光(guang)伏(fu)應(ying)用所(suo)需(xu)的矽(gui)和(he)聚(ju)合物(wu)的技術。但(dan)成本(ben)低(di)廉的生產(chan)技(ji)

術(shu)極(ji)有可能(neng)導(dao)致所生產(chan)的(de)矽(gui)或(huo)聚(ju)合物(wu)純(chun)度(du)降低(di)。因(yin)此，對缺陷和(he)雜質含(han)

量有精確(que)的(de)要求(qiu)， 同(tong)時不(bu)影(ying)響達(da)成(cheng)產(chan)品良(liang)率(lv)和(he)成(cheng)本(ben)目(mu)標，並(bing)實現更(geng)短的(de)能(neng)

源(yuan)行(xing)業(ye)投(tou)資回(hui)報(bao)周(zhou)期，具有至關(guan)重(zhong)要的作用(yong)。

光(guang)伏(fu)材料(liao)中的順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)和(he)雜質包括(kuo)：

. SiO2 中(zhong)的(de)E ’中(zhong)心(xin)

. SiO2 或(huo)c-Si中(zhong)的(de)原子H0

. 懸(xuan)空(kong)鍵（Si-SiO2界面(mian)處(chu)的(de)Pb 中(zhong)心(xin)）

. 晶(jing)界缺(que)陷(xian)

. 晶(jing)粒內(nei)缺陷

. 過(guo)渡金(jin)屬 . 自(zi)由基

深(shen)能(neng)級缺(que)陷(xian)對多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜太陽能(neng)電池(chi)的器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)的影(ying)響

具備(bei)高電子質量的薄(bo)膜(mo)，是發展(zhan)下壹代矽(gui)薄膜(mo)太陽能(neng)電池(chi)的前(qian)提(ti)。為了生

產(chan)出可以(yi)矽晶(jing)圓(yuan)太陽能(neng)電池(chi)相媲美的晶(jing)體矽(gui)薄膜(mo)太陽能(neng)電池(chi)，

我們(men)探索(suo)了許多(duo)在玻(bo)璃襯(chen)底上制(zhi)備(bei)多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜的方法(fa)。然而

多(duo)晶(jing)矽太陽能(neng)電池(chi)相比(bi)矽(gui)晶(jing)圓(yuan)太陽能(neng)電池(chi)開路(lu)電壓(ya)（V  ）顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)。對

oc

固相晶(jing)體矽(gui)太陽能(neng)電池(chi)進(jin)行(xing)的EPR研(yan)究表(biao)明(ming)，深(shen)能(neng)級順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)是多(duo)晶(jing)矽

中(zhong)的主(zhu)要復合中心(xin)，因(yin)而是制(zhi)約多(duo)晶(jing)矽電子質量的最(zui)重(zhong)要因(yin)素。EPR研(yan)究

所(suo)得(de)到(dao)的結論包括(kuo)：

. 多(duo)晶(jing)矽太陽能(neng)電池(chi)中通常存(cun)在晶(jing)界和(he)晶(jing)粒內(nei)缺陷

. 借助布(bu)魯(lu)克(ke)的(de)SpinCount模(mo)塊(kuai)，可以(yi)測定(ding)缺(que)陷(xian)含(han)量（即(ji)缺(que)陷密度(du)Ns）

降(jiang)低(di)而升高

. EPR研(yan)究證(zheng)明(ming)，順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)密度(du)是制(zhi)約多(duo)晶(jing)矽太陽能(neng)電池(chi)性(xing)能(neng)的壹個(ge) 因(yin)素

圖(tu)1：多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜太陽能(neng)電池(chi)性(xing)能(neng)與缺陷(xian)密度(du)之間(jian)的關系。

根(gen)據(ju)知識(shi)共享許可(ke)協(xie)議4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的(de)條(tiao)件(jian)摘(zhai)自(zi)參考(kao)文獻(xian)[1]。

鑒(jian)定(ding)多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜中的晶(jing)粒內(nei)和(he)晶(jing)界缺(que)陷(xian)

證(zheng)明(ming)是順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)在制(zhi)約多(duo)晶(jing)矽太陽能(neng)電池(chi)的器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)後(hou)，在微觀水平(ping)上探討觀測到(dao)的缺陷(xian)來(lai)源(yuan)，對於鑒(jian)定(ding)這些(xie)缺陷(xian)至關(guan)重(zhong) 要。通過(guo)對平(ping)均晶(jing)粒粒(li)徑為200 μm的液相晶(jing)化層，及(ji)擁(yong)有類似晶(jing)粒內(nei)形(xing)態(tai)但(dan)不(bu)同(tong)晶(jing)粒粒(li)徑（0.25 μm-1 μm）的特(te)定(ding)固相晶(jing)化 矽層(ceng)，進(jin)行(xing)EPR定(ding)量測量，可以(yi)表(biao)征(zheng)多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜中的晶(jing)粒內(nei)和(he)晶(jing)界缺(que)陷(xian)。結(jie)果(guo)發現，缺陷(xian)特(te)性(xing)由兩(liang)個擁(yong)有不(bu)同(tong)g值(zhi)（g = 2.0055 和(he)2.0032）的(de)信(xin)號組(zu)成(cheng)，它們(men)分(fen)別被歸(gui)為晶(jing)界缺(que)陷(xian)和(he)晶(jing)粒內(nei)缺陷。

圖(tu)2：晶(jing)粒粒(li)徑為0.25 μm和(he)200 μm的(de)多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜的EPR譜 圖(tu)。EPR數(shu)據表(biao)明(ming)，在g = 2.0032處存(cun)在晶(jing)粒內(nei)缺陷（深(shen)黃色(se)譜(pu) 圖(tu)），在g = 2.0055處存(cun)在晶(jing)界缺(que)陷(xian)（紅色(se)譜(pu)圖(tu)）。根(gen)據(ju)知識(shi)共享 許可(ke)協(xie)議4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的(de) 條(tiao)件(jian)摘(zhai)自(zi)參考(kao)文獻(xian)[2]。

圖(tu)3：掃描(miao)電鏡(jing)（SEM）下(xia)的(de)多(duo)晶(jing)矽薄(bo)膜圖(tu)像。通過(guo)EPR鑒(jian)別出的兩(liang)種缺(que)陷(xian)分(fen)別顯(xian)示(shi)為深(shen)黃色(se)和(he)紅 色(se)。根(gen)據(ju)知識(shi)共享許可(ke)協(xie)議4.0（Creative  Commons  Attribution  License  4.0）的(de)條(tiao)件(jian)摘(zhai)自(zi)參考(kao) 文獻(xian)[2]。

鈣鈦礦(kuang)：研(yan)發低(di)成本(ben)和(he)高效(xiao)率(lv)太陽能(neng)電池(chi)的新途徑

近(jin)年(nian)來(lai)，鈣(gai)鈦礦(kuang)結(jie)構在光伏(fu)電池(chi)和(he)儲能(neng)應(ying)用中(zhong)展(zhan)現出巨(ju)大的發展(zhan)前(qian)景(jing)。 鈣(gai)鈦礦(kuang)型(xing)光(guang)伏電池(chi)成本(ben)低(di)，壽命(ming)長(chang)。這些(xie)太陽能(neng)電池(chi)具有可調(tiao)帶(dai)隙(xi)、高  吸(xi)光(guang)能(neng)力和(he)高載(zai)流(liu)子遷(qian)移率(lv)等(deng)理(li)想(xiang)性(xing)能(neng)，且能(neng)量轉換效率(lv)（PCE）顯(xian)著(zhu)提(ti)  高。但(dan)是，鈣鈦礦(kuang)結(jie)構在其(qi)界面(mian)和(he)晶(jing)界處(chu)存(cun)在外源(yuan)缺陷(xian)，它(ta)們(men)將影響鈣  鈦礦(kuang)薄(bo)膜的結晶(jing)度(du)，並(bing)使(shi)其(qi)在太陽能(neng)電池(chi)中的結構容易(yi)發生分(fen)解。通過(guo)  EPR可以(yi)研(yan)究順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)的類型(xing)及(ji)其(qi)在晶(jing)格中(zhong)的密度(du)。

圖(tu)4：鈣鈦礦(kuang)型(xing)太陽能(neng)電池(chi)的示意(yi)圖(tu)。根(gen)據(ju)知識(shi)共享許可(ke)協(xie)議4.0 （Creative Commons Attribution  License 4.0）的(de)條(tiao)件(jian)摘(zhai)自(zi)沖 繩科(ke)學(xue)技術(shu)大學(xue)院大(da)學(xue)（OIST）的網(wang)站。

鈣(gai)鈦礦(kuang)薄(bo)膜中聚焦離子(zi)束(shu)誘導(dao)的順(shun)磁(ci)性(xing)缺陷(xian)

據知，離(li)子束(shu)輻(fu)照(zhao)能(neng)夠誘(you)導(dao)相變(bian)和(he)非(fei)晶(jing)化等結(jie)構變(bian)化。在聚焦(jiao)離(li)子束(shu)輻(fu)照(zhao) 條(tiao)件(jian)下(xia)，EPR可檢測到(dao)含(han)錳(meng)氧(yang)化物(wu)的鈣鈦礦(kuang)薄(bo)膜中孤立和(he)定(ding)域的順(shun)磁(ci)性(xing)自(zi) 旋。這些(xie)缺陷(xian)在低(di)溫下(xia)（5-50 K）表(biao)現出居(ju)裏效(xiao)應(ying)，表(biao)明(ming)在缺陷(xian)部(bu)位(wei)存(cun)在定(ding) 域電子。

通(tong)過(guo)EPR檢測和(he)鑒(jian)定(ding)缺(que)陷(xian)類型(xing)及(ji)分(fen)布(bu)，是幫助研(yan)究人(ren)員和(he)制(zhi)造商(shang)找(zhao)到(dao)消除 缺(que)陷的(de)適(shi)當(dang)解決(jue)方(fang)案的(de)關(guan)鍵(jian)。無論是在太陽能(neng)電池(chi)中，還是作為燃料(liao)電池(chi) 和(he)空(kong)氣(qi)電池(chi)中的電極，或(huo)者(zhe)固態(tai)鋰離(li)子電池(chi)中的電解質，鈣鈦礦(kuang)材(cai)料(liao)在儲 能(neng)應(ying)用中(zhong)都(dou)已展(zhan)現出非常誘人(ren)的應(ying)用前(qian)景(jing)。因(yin)此，通過(guo)缺陷(xian)工程(cheng)可以(yi)調控(kong) 這些(xie)新型(xing)材(cai)料(liao)的性(xing)能(neng)，以(yi)便更好(hao)地(di)了解它們的吸(xi)光(guang)性(xing)能(neng)。

圖(tu)5：不(bu)同(tong)溫度(du)下，鈣(gai)鈦礦(kuang)薄(bo)膜中聚焦離子(zi)束(shu)輻(fu)照(zhao)誘(you)導(dao)的缺(que)陷(xian) 中(zhong)心(xin)的EPR譜(pu)圖(tu)。根(gen)據(ju)知識(shi)共享許可(ke)協(xie)議4.0（Creative Com- mons Attribution License 4.0）的(de)條(tiao)件(jian)摘(zhai)自(zi)參考(kao)文獻(xian)[5]。

參考(kao)文獻(xian)

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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

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Sci. (2022) 12 87