EPR助力提升太陽能電池質量和性能

EPR

EPR助力提升太陽能電池質量和性能

應用說明

秉持誠信 不斷創新

引言

最近三十年裏，光伏組件的累計銷售每增加一倍，其平均價(jia) 格即下降

20%。難於(yu) 獲取足夠高純度的矽或（有機光伏電池所需的）聚合物，一直

是阻礙光伏產(chan) 業(ye) 實現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(chan) 光伏應用所需的矽和聚合物的技術。但成本低廉的生產(chan) 技

術極有可能導致所生產(chan) 的矽或聚合物純度降低。因此，對缺陷和雜質含

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

源行業(ye) 投資回報周期，具有至關(guan) 重要的作用。

光伏材料中的順磁性缺陷和雜質包括：

. SiO2 中的E ’中心

. SiO2 或c-Si中的原子H0

. 懸空鍵（Si-SiO2界麵處的Pb 中心）

. 晶界缺陷

. 晶粒內(nei) 缺陷

. 過渡金屬 . 自由基

深能級缺陷對多晶矽薄膜太陽能電池的器件性能的影響

具備高電子質量的薄膜，是發展下一代矽薄膜太陽能電池的前提。為(wei) 了生

產(chan) 出可以矽晶圓太陽能電池相媲美的晶體(ti) 矽薄膜太陽能電池，

我們(men) 探索了許多在玻璃襯底上製備多晶矽薄膜的方法。然而

多晶矽太陽能電池相比矽晶圓太陽能電池開路電壓（V  ）顯著降低。對

oc

固相晶體(ti) 矽太陽能電池進行的EPR研究表明，深能級順磁性缺陷是多晶矽

中的主要複合中心，因而是製約多晶矽電子質量的最重要因素。EPR研究

所得到的結論包括：

. 多晶矽太陽能電池中通常存在晶界和晶粒內(nei) 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，順磁性缺陷密度是製約多晶矽太陽能電池性能的一個(ge) 因素

圖1：多晶矽薄膜太陽能電池性能與(yu) 缺陷密度之間的關(guan) 係。

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

鑒定多晶矽薄膜中的晶粒內(nei) 和晶界缺陷

證明是順磁性缺陷在製約多晶矽太陽能電池的器件性能後，在微觀水平上探討觀測到的缺陷來源，對於(yu) 鑒定這些缺陷至關(guan) 重 要。通過對平均晶粒粒徑為(wei) 200 μm的液相晶化層，及擁有類似晶粒內(nei) 形態但不同晶粒粒徑（0.25 μm-1 μm）的特定固相晶化 矽層，進行EPR定量測量，可以表征多晶矽薄膜中的晶粒內(nei) 和晶界缺陷。結果發現，缺陷特性由兩(liang) 個(ge) 擁有不同g值（g = 2.0055 和2.0032）的信號組成，它們(men) 分別被歸為(wei) 晶界缺陷和晶粒內(nei) 缺陷。

圖2：晶粒粒徑為(wei) 0.25 μm和200 μm的多晶矽薄膜的EPR譜 圖。EPR數據表明，在g = 2.0032處存在晶粒內(nei) 缺陷（深黃色譜 圖），在g = 2.0055處存在晶界缺陷（紅色譜圖）。根據知識共享 許可協議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）下的多晶矽薄膜圖像。通過EPR鑒別出的兩(liang) 種缺陷分別顯示為(wei) 深黃色和紅 色。根據知識共享許可協議4.0（Creative  Commons  Attribution  License  4.0）的條件摘自參考 文獻[2]。

鈣鈦礦：研發低成本和高效率太陽能電池的新途徑

近年來，鈣鈦礦結構在光伏電池和儲(chu) 能應用中展現出巨大的發展前景。 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帶隙、高  吸光能力和高載流子遷移率等理想性能，且能量轉換效率（PCE）顯著提  高。但是，鈣鈦礦結構在其界麵和晶界處存在外源缺陷，它們(men) 將影響鈣  鈦礦薄膜的結晶度，並使其在太陽能電池中的結構容易發生分解。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。根據知識共享許可協議4.0 （Creative Commons Attribution  License 4.0）的條件摘自衝(chong) 繩科學技術大學院大學（OIST）的網站。

鈣鈦礦薄膜中聚焦離子束誘導的順磁性缺陷

據知，離子束輻照能夠誘導相變和非晶化等結構變化。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）表現出居裏效應，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，是幫助研究人員和製造商找到消除 缺陷的適當解決(jue) 方案的關(guan) 鍵。無論是在太陽能電池中，還是作為(wei) 燃料電池 和空氣電池中的電極，或者固態鋰離子電池中的電解質，鈣鈦礦材料在儲(chu) 能應用中都已展現出非常誘人的應用前景。因此，通過缺陷工程可以調控 這些新型材料的性能，以便更好地了解它們(men) 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。根據知識共享許可協議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., Influence of deep defects on device performance of thin-film polycrystalline silicon solar cells,Appl. Phys. Lett. (2012) 101 123904

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

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 films, Adv. Chem. Eng.

Sci. (2022) 12 87