【全文速览】
2025年6月，江苏科技大学李阳教授团队在自然指数期刊《Applied Physics Letters》上发表了题为“Oriented nanocrystalline silicon oxide contact enables excellent passivation for silicon solar cells”的最新研究成果。该工作解决了传统化学气相沉积（CVD）法得到的氧化硅（SiOx）非晶化程度高、针孔多和电导率低等问题。通过详细的机理研究，开发了溶胶结晶诱导法（Sol crystallization induction, SCI）实现了纳米晶SiOx钝化接触的定向生长。本工作有望为进一步开发高效隧道氧化物钝化接触（TOPCon）和硅异质结（SHJ）太阳能电池提供重要支持。
【背景介绍】
氧化硅（SiOx）在晶硅（c-Si）太阳能电池的表界面钝化中起着至关重要的作用。纳米级SiOx钝化接触是TOPCon太阳能电池背接触的关键技术，它的存在使得TOPCon太阳能电池的光电转换效率（PCE）比钝化发射极和背面（PERC）太阳能电池的PCE平均高出1%以上。理想的SiOx钝化应满足以下三个要求：1.充分的化学钝化和场效应钝化；2.致密的结构，可将c-Si与掺杂发射极隔离，防止载流子迁移和失活；3.高电子导电性和电子选择性传输。然而，目前的SiOx钝化触点大多采用化学气相沉积（CVD）方法沉积，具有高度的非晶化、多孔性和电荷转移阻力。为了克服传统CVD方法的不足，进一步提升晶硅太阳能电池的性能，通过机理研究并开发一种创新性的SiOx生长方式是必不可少的。
【研究内容】
本工作提出的溶胶结晶诱导（SCI）法可以在c-Si表面上生长致密、缺陷少、垂直取向的SiOx（v-SiOx）钝化触点。与a-SiOx:H相比，v-SiOx具有更高的载流子浓度和垂直导电性，能够在c-Si表面形成高效的电子选择性传导触点。通过优化v-SiOx纳米晶触点，隧道氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池实现了26.01%的光电转换效率（PCE），开路电压（VOC）达到了746 mV，填充因子（FF）为84%，短路电流密度（JSC）可达41.54 mAžcm−2。
图1. v-SiOx纳米晶触点生长过程示意图。
图2. a-SiOx:H和v-SiOx的形貌、结构对比
为了得到表面致密、缺陷少、垂直取向的SiOx（v-SiOx）钝化触点，团队首先研究了v-SiOx具体的微观生长过程。当使用CVD方法生长SiOx时，由于前驱体气体中含有丰富的氢，很容易导致钝化接触中残留大量的氢。在后续加工或发电过程中，氢原子可能脱氢，从而影响结构稳定性和器件的输出性能。本工作开创性的提出了一种SCI法，以硅酸四乙酯（TEOS）为前驱体配置溶胶，将TEOS溶胶旋涂在c-Si表面后，TEOS分子与硅羟基（-Si-OH）缩合，并在c-Si表面接枝-O-Si-(OR)3 (R =CH2-CH3)种子，接枝的-O-Si-(OR)3种子在环境中与水分子发生水解反应；随后，水解的-O-Si-OH(OR)2与其他TEOS分子缩合，形成链式反应。随着-Si-O-Si-单元的不断加长，SiOx中间体有序向上生长。同时，随着支链上水解缩合反应的进行，逐渐形成v-SiOx纳米晶钝化触点。
图3. a-SiOx:H和v-SiOx的性能参数对比
在理论研究的基础上，将TEOS与无水乙醇按照一定的比例混合，室温环境下搅拌均匀，以一定的速率旋涂至c-Si基底表面，并在空气气氛下进行退火处理，得到沿垂直方向生长的SiOx（v-SiOx），SCI法得到的v-SiOx钝化触点实现了优异的表界面钝化和电子选择性传输，使得有效载流子寿命（τeff）从a-SiOx:H的2.5 ms增加到v-SiOx的3.0 ms。图3a和3b的DFT模拟结果可以进一步解释a-SiOx:H和v-SiOx在钝化性能和有效载流子寿命方面的差异。同时，纳米晶v-SiOx表现出更强的n型半导体性能和更低的电阻率。此外，我们还通过无接触激光转印（LTP）来沉积低遮光面积的栅线，最终制备的TOPCon太阳能电池的开路电压（VOC）达到了746 mV，高于a-SiOx:H钝化的TOPCon太阳能电池的743.8 mV；短路电流（JSC）相比于a-SiOx:H钝化的TOPCon电池增加了0.13 mA cm−2，达到了41.54 mAžcm−2；并且v-SiOx钝化的TOPCon太阳能电池具有更高的填充因子（84%）和更高的光电转换效率（26.01%）。
图4. 电池统计参数和认证报告
此外，电池组件在电位诱导衰退和光致衰退测试中均表现出了充分的可靠性。经v-SiOx纳米晶钝化处理的TOPCon太阳能电池的外量子效率（EQE）光谱和JSC损耗分析如图5所示，为后续进一步优化提供了基础。
图5. 外量子效率（EQE）光谱和短路电流（JSC）损耗分析
【总结与展望】
本文提出了一种创新性的钝化触点制备方法，具有低成本和工业兼容性，利用此方法开发制备了致密、缺陷少且沿特定取向生长的v-SiOx纳米晶钝化触点，可以有效地钝化c-Si表面，提高载流子浓度和垂直方向上的电子导电性。无论是在TOPCon还是SHJ技术中，SiOx钝化接触有望为高效c-Si太阳能电池的进一步发展提供重要支持。
欢迎材料、化学、能源、物理、工程技术等相关领域的专家学者引用该研究成果：
Li, Y., Geng, X., Zheng, Y. et al. Oriented nanocrystalline silicon oxide contact enables excellent passivation for silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 12 May 2025; 126 (19): 193902. https://doi.org/10.1063/5.0254244。
