注：文末有本文科研思路分析
新一轮科技和产业革命的蓬勃兴起带来了日益增长的能源需求。硅太阳电池光伏技术以其高能量转换效率和优良的可靠性极大地推动了新能源产业的发展。产业化关键技术——高温或高真空掺杂和介电薄膜钝化，已将电池效率提升到接近理论极限的水平。但是，高真空装备属于重资产，较为昂贵，高温工艺需要消耗一定的电力，不利于产品低成本化。近日，河北大学物理学院光伏技术中心陈剑辉等针对硅太阳电池产业化关键技术——介电钝化薄膜不导电的问题，引入低维材料到有机钝化技术中，发现了导电-钝化共存相，获得了导电的钝化材料，提出了“Conductive Passivating Contact”的概念。
陈剑辉等人早在2017年就已发现带有磺酸基团的聚合物薄膜具有高质量的钝化效果，为晶体硅表面钝化探索出一条低成本技术路线，同时也开辟了晶体硅表面钝化领域一个新的研究方向——新型聚合物钝化技术。该技术可以在低温非真空条件下实现少子寿命10~29 ms和潜在开路电压~730 mV的优良钝化效果。
最近，陈剑辉等人发现低维导电材料可以很好地结合有机钝化技术，实现导电和钝化的双重效果。基于此发现，不再像传统电池那样需要真空介电薄膜和高温掺杂两种以上的材料才能实现钝化和载流子选择传输的双重功能，而是仅用单层复合薄膜就可以同时实现两种物理效果。他们通过引入零维PEDOT纳米颗粒，绘制了导电-钝化相图，发现了“导电-钝化共存相”，提出了“Organic Passivating Contact”的概念，初步应用在最普遍的多晶硅电池上实现了18.8%的电池效率，与工业数据相当，但工艺上不再涉及高温和真空钝化技术。
图1 导电-钝化相图和有机钝化接触太阳电池原理示意图
该工作为太阳电池提供了新的低成本技术路线，克服了高温和真空重装备的技术障碍，有望大幅降低硅太阳电池制造成本。相关工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学优秀青年基金，河北大学光学工程一流学科建设经费的资助。
相关工作发表在能源领域著名期刊Advanced Energy Materials 上。硕士研究生万露为文章的第一作者。
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Conductive Hole-Selective Passivating Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells
Lu Wan, Cuili Zhang, Kunpeng Ge, Xueliang Yang, Feng Li, Wensheng Yan, Zhuo Xu,Lin Yang, Ying Xu, Dengyuan Song, Jianhui Chen*
Adv. Energy Mater., 2020, 10, 1903851, DOI: 10.1002/aenm.201903851
科学思路分析
Q：如何发现磺酸基聚合物薄膜具有优良钝化效果的？基于什么样的科学思考？
A：坦白地讲，这项工作并不是最初就计划好的，而是来自于一次偶然的实验现象。大家都知道，传统硅半导体器件中，介电薄膜钝化已被广泛应用。介电薄膜钝化有两种机理，一是化学钝化，二是场效应钝化，这两种机理决定了钝化后的样品在大气环境中放置或经历一定时间的光照后，少子寿命或维持稳定或呈现出不同程度的衰减，有一些特殊的情况可能有轻微地增加。一次偶然的实验现象，我们发现聚苯乙烯磺酸薄膜旋涂在单晶硅片上，测试的少子寿命在大气环境中呈现成倍的增长(相比初始值大约3~5倍)，这一有悖常识的现象引起了我们的关注，认为其背后一定有其特殊的科学机制。后来我们用了一年多，搞清楚了这种钝化机制(详情见【Appl. Phys. Lett. 110, 083904 (2017)】)，并将钝化效果提升到了可以媲美当前产业中最好的氧化硅和非晶硅钝化技术的水平。
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的想法是基于2017年发现带有磺酸基团的聚合物薄膜具有高质量的钝化效果。众所周知，材料的缺陷态钝化和导电性总是相背驰的，传统中常用的介电材料，如SiO2、SiNx、Al2O3和本征氢化非晶硅(a-Si:H(i))等，虽然这些介电薄膜能很好地钝化界面缺陷，但它们的绝缘体性质阻碍了载流子的进一步传输，因此就迫使在特定的光伏(PV)器件中使用部分钝化以及局部接触方案，所以不可避免地导致了工艺的复杂性。同样，许多具有自由电子的材料，例如金属、ITO等无机材料和聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)等有机导电聚合物，都没有钝化效果。将绝缘Nafion和导电PEDOT溶液混合形成复合膜，在实验上发现了一个具有良好导电性和钝化的共存区域，应用在最普遍的多晶硅电池上实现了18.8%的电池效率，与工业数据相当。这为无需高温和真空重设备、低成本的硅太阳电池制备提供了一条理想的途径。
Q：有机钝化有什么特殊优势？进一步产业化的挑战是什么？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：有机钝化的优势在于其制备工艺简单，室温，大气环境即可，不像介电钝化技术需要高温或者高真空装备，而且通过本项研究证明，有机钝化可以结合纳米材料形成单层钝化接触，仅一种材料就可以同时实现钝化和载流子传输的功能，避免了当前硅光伏主流技术PERC电池需要使用激光开槽和ALD或CVD等复杂的工艺，从概念上这可以大大简化当前光伏产品的制造工艺。产业化的挑战，主要是它的稳定性，不封装的情况下，有机钝化的稳定性是一个大问题。这个问题已经属于我们课题组在研项目，相信不久的将来我们将有好的结果。
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