本文根據日本產業技術綜合研究所研究成果發佈資料編譯而成
日本產業技術綜合研究所（以下簡稱「產綜研」）多結光伏電池研究團隊的高級主任研究員松井卓矢和主任研究員齋均，透過與德國弗勞恩霍夫太陽能研究所（Fraunhofer ISE）的聯合研究發現，利用原子層沉積物法形成的氧化鈦薄膜（厚度約爲5nm）具有使紋理結構的晶體硅的表面缺陷失活的功能，以及從晶體硅中選擇性地提取電洞的功能。
研究團隊試製了將該氧化鈦薄膜配置在正極的晶體硅光伏電池，並證實其轉化效率達到20％以上，可以實施實用化。利用此次開發的技術，有可能以低成本的材料和工藝實施比採用既有電洞提取材料的晶體硅光伏電池更優異的性能，有望實施高效率、低成本的光伏電池。
（左）此次製作的光伏電池的結構概念圖示例、（右上）光伏電池受光面的穿透電子顯微術影像、（右下）在50mm見方的晶體硅基底層上形成5個光伏電池的樣品外觀
此次，研究團隊以含鈦有機金屬錯合物和水氣爲原料，利用原子層沉積物法制作了氧化鈦薄膜。在具有金字塔形狀紋理結構的n型晶體硅表面形成厚度約爲5nm的非晶質氧化鈦薄膜後，再利用摻錫氧化銦（ITO）形成透明電極膜，然後形成銀（Ag）柵極，作爲正極。
負極採用異質接面型晶體硅光伏電池常用的結構，製作了光伏電池。從正極照射僞太陽光，評估光伏電池的性能發現，正極採用氧化鈦的光伏電池與在硅上直接形成ITO膜的無氧化鈦膜光伏電池相比，開路電壓由200mV增至500mV。這表明氧化鈦具有缺陷失活性和電洞選擇性。
不過，在具有紋理結構的晶體硅上直接形成氧化鈦薄膜的話，缺陷失活性和電洞選擇性不足。因此，研究團隊在形成氧化鈦薄膜後，向表面照射了氫電漿，由此缺陷失活性和電洞選擇性同時提高，光伏電池的開路電壓提高到了670mV。研究發現，不僅是硅，氧化鈦對很多材料的電子選擇性都比較高，一直被用作有機光伏電池等的負極材料，此次是首次證明氧化鈦具有電洞選擇性和缺陷失活性，可以作爲正極使用。
研究團隊調查了這種表現出與以往完全相反的性質的機制，發現可以透過氧化鈦與晶體硅的界面存在的互混層（由鈦、硅、氧、氫構成）的組成及其分佈，控制缺陷失活性和電洞選擇性。隨着發現氧化鈦具有選擇性地提取電洞的新功能，氧化鈦的應用範圍有望擴大。
圖1:（左）光伏電池的電流電壓特性、（右）在平坦的晶體硅上形成氧化鈦薄膜的截面的高解析度穿透電子顯微術影像
右圖透過對成分進行分析應答，晶體硅與氧化鈦的界面上形成了由鈦、硅、氧和氫構成的互混層。
與以往採用多接面太陽能電池的異質接面型晶體硅光伏電池相比，此次開發的採用氧化鈦的光伏電池在400-600nm的波長下顯示出更高的外部量子效率，短路電流密度約增加了2.0mA/cm2。這是因爲，多接面太陽能電池的帶隙爲1.7eV，而氧化鈦的帶隙高達3.4eV，並且氧化鈦的透明性高，降低了正極的光吸收造成的有效能損失。該光伏電池的性能還有改善的餘地，透過有效改善短路電流密度，目前已經實施21.1％（第三方測量）的轉化效率。這個數值與以往的異質接面型晶體硅光伏電池的性能（研究室水平爲22.3％）不相上下。
圖2：（上）基準太陽光光譜（air mass 1.5 global）與（下）此次製作的光伏電池的外部量子效率光譜
比較了此次開發的採用氧化鈦的光伏電池與以往的採用多接面太陽能電池的光伏電池的外部量子效率。短路電流密度也可以根據基準太陽光光譜與外部量子效率光譜的乘積積分計算。
實驗發現，向此次開發的在受光面形成氧化鈦薄膜的光伏電池照射波長約爲400nm以下的紫外線時會發生劣化，今後還需提高紫外線耐性。另一方面，在非受光面形成氧化鈦薄膜時，由於照射不到紫外線，未觀測到劣化。此前已經應答，在p型晶體硅的非受光面形成氧化鈦薄膜的光伏電池可實施20％左右的轉化效率，而且照射光也不會劣化。
p型晶體硅是光伏電池市場最常用的材料，此次開發的技術不僅是n型晶體硅，包括採用p型晶體硅的光伏電池在内，應該可以廣泛應用於多種類型的晶體硅光伏電池。
論文資訊
題目：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
研究成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
