EPR助力提升太阳能电池质量和性能

EPR

EPR助力提升太阳能电池质量和性能

应用说明

秉持诚信 不断创新

引言

最近三十年里，光伏组件的累计销售每增加一倍，其平均价格即下降

20%。难于获取足够高纯度的硅或（有机光伏电池所需的）聚合物，一直

是阻碍光伏产业实现快速增长的重要因素之一。因此，市场非常需要成本

低廉的、生产光伏应用所需的硅和聚合物的技术。但成本低廉的生产技

术极有可能导致所生产的硅或聚合物纯度降低。因此，对缺陷和杂质含

量有精确的要求， 同时不影响达成产品良率和成本目标，并实现更短的能

源行业投资回报周期，具有至关重要的作用。

光伏材料中的顺磁性缺陷和杂质包括：

. SiO2 中的E ’中心

. SiO2 或c-Si中的原子H0

. 悬空键（Si-SiO2界面处的Pb 中心）

. 晶界缺陷

. 晶粒内缺陷

. 过渡金属 . 自由基

深能级缺陷对多晶硅薄膜太阳能电池的器件性能的影响

具备高电子质量的薄膜，是发展下一代硅薄膜太阳能电池的前提。为了生

产出可以硅晶圆太阳能电池相媲美的晶体硅薄膜太阳能电池，

我们探索了许多在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜的方法。然而

多晶硅太阳能电池相比硅晶圆太阳能电池开路电压（V  ）显著降低。对

oc

固相晶体硅太阳能电池进行的EPR研究表明，深能级顺磁性缺陷是多晶硅

中的主要复合中心，因而是制约多晶硅电子质量的最重要因素。EPR研究

所得到的结论包括：

. 多晶硅太阳能电池中通常存在晶界和晶粒内缺陷

. 借助布鲁克的SpinCount模块，可以测定缺陷含量（即缺陷密度Ns）

降低而升高

. EPR研究证明，顺磁性缺陷密度是制约多晶硅太阳能电池性能的一个 因素

图1：多晶硅薄膜太阳能电池性能与缺陷密度之间的关系。

根据知识共享许可协议4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的条件摘自参考文献[1]。

鉴定多晶硅薄膜中的晶粒内和晶界缺陷

证明是顺磁性缺陷在制约多晶硅太阳能电池的器件性能后，在微观水平上探讨观测到的缺陷来源，对于鉴定这些缺陷至关重 要。通过对平均晶粒粒径为200 μm的液相晶化层，及拥有类似晶粒内形态但不同晶粒粒径（0.25 μm-1 μm）的特定固相晶化 硅层，进行EPR定量测量，可以表征多晶硅薄膜中的晶粒内和晶界缺陷。结果发现，缺陷特性由两个拥有不同g值（g = 2.0055 和2.0032）的信号组成，它们分别被归为晶界缺陷和晶粒内缺陷。

图2：晶粒粒径为0.25 μm和200 μm的多晶硅薄膜的EPR谱 图。EPR数据表明，在g = 2.0032处存在晶粒内缺陷（深黄色谱 图），在g = 2.0055处存在晶界缺陷（红色谱图）。根据知识共享 许可协议4.0（Creative Commons Attribution License 4.0）的 条件摘自参考文献[2]。

图3：扫描电镜（SEM）下的多晶硅薄膜图像。通过EPR鉴别出的两种缺陷分别显示为深黄色和红 色。根据知识共享许可协议4.0（Creative  Commons  Attribution  License  4.0）的条件摘自参考 文献[2]。

钙钛矿：研发低成本和高效率太阳能电池的新途径

近年来，钙钛矿结构在光伏电池和储能应用中展现出巨大的发展前景。 钙钛矿型光伏电池成本低，寿命长。这些太阳能电池具有可调带隙、高  吸光能力和高载流子迁移率等理想性能，且能量转换效率（PCE）显著提  高。但是，钙钛矿结构在其界面和晶界处存在外源缺陷，它们将影响钙  钛矿薄膜的结晶度，并使其在太阳能电池中的结构容易发生分解。通过  EPR可以研究顺磁性缺陷的类型及其在晶格中的密度。

图4：钙钛矿型太阳能电池的示意图。根据知识共享许可协议4.0 （Creative Commons Attribution  License 4.0）的条件摘自冲 绳科学技术大学院大学（OIST）的网站。

钙钛矿薄膜中聚焦离子束诱导的顺磁性缺陷

据知，离子束辐照能够诱导相变和非晶化等结构变化。在聚焦离子束辐照 条件下，EPR可检测到含锰氧化物的钙钛矿薄膜中孤立和定域的顺磁性自 旋。这些缺陷在低温下（5-50 K）表现出居里效应，表明在缺陷部位存在定 域电子。

通过EPR检测和鉴定缺陷类型及分布，是帮助研究人员和制造商找到消除 缺陷的适当解决方案的关键。无论是在太阳能电池中，还是作为燃料电池 和空气电池中的电极，或者固态锂离子电池中的电解质，钙钛矿材料在储 能应用中都已展现出非常诱人的应用前景。因此，通过缺陷工程可以调控 这些新型材料的性能，以便更好地了解它们的吸光性能。

图5：不同温度下，钙钛矿薄膜中聚焦离子束辐照诱导的缺陷 中心的EPR谱图。根据知识共享许可协议4.0（Creative Com- mons Attribution License 4.0）的条件摘自参考文献[5]。

参考文献

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