Китайские ученые создали солнечный элемент с гетеропереходом без использования серебра с эффективностью 25,2 %

Аккумулятор Challenger A12-55

Исследовательская группа разработала метод плазменной инженерии для улучшения слоев оксида индия и олова, который позволил решить проблемы с адгезией, контактным сопротивлением и стабильностью при гальваническом меднении. Оптимизированный процесс обеспечил равномерную металлизацию медью и повысил эффективность устройства до 25,2 %, что значительно превосходит показатели необработанных эталонных элементов.

Исследователи из Нанкайского университета в Китае создали солнечный элемент с гетеропереходом (HJT) на основе меди (Cu), используя новую стратегию разработки интерфейса, направленную на решение проблемы плохой межфазной адгезии и высокого контактного сопротивления в прозрачном проводящем оксиде (TCO) на основе оксида индия-олова (ITO).

Слой ITO имеет решающее значение для работы солнечных элементов на основе гетероструктур, так как он образует омический контакт между тонкими слоями аморфного кремния (a-Si:H) и металлическими электродами, обеспечивая эффективный отвод носителей заряда. Он также защищает хрупкие пассивирующие слои от повреждений при нанесении металлической сетки, обеспечивая целостность этих чувствительных участков. Кроме того, ITO способствует улучшению оптических характеристик, выступая в качестве антибликового слоя. Благодаря тщательно подобранной толщине и показателю преломления он снижает потери на отражение и улучшает проникновение света в кремниевый поглотитель.

«Мы разработали стратегию создания интерфейса с помощью аргон-водородной плазмы (Ar/H2) для ITO, которая эффективно решает важнейшие проблемы, связанные с гальванической металлизацией солнечных элементов на основе гетероструктур, в том числе плохую адгезию, высокое контактное сопротивление и ограниченную стабильность, тем самым обеспечивая сверхкачественное медное гальваническое покрытие на ITO», — рассказал Гофу Хоу, один из авторов исследования. «Синергия физического распыления и реакционноспособных частиц водорода приводит к внедрению водорода в кристаллическую решетку ITO и увеличению концентрации кислородных вакансий, одновременно с этим происходит гидроксилирование поверхности ITO для достижения супергидрофильности».

«Мы объединили систематические расчеты по теории функционала плотности (ТФП), моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и количественный анализ зарождения частиц на основе Python и OpenCV, чтобы прояснить лежащий в основе процесса механизм, — рассказал соавтор исследования Тайцян Ван. — Результаты ТФП показали, что гидроксилирование ITO значительно усиливает адсорбцию ионов никеля (Ni²⁺), при этом энергия адсорбции снижается с −0,753 эВ до −2,18 эВ. Моделирование методом конечных элементов также показало, что улучшение электрических свойств ITO под воздействием плазмы приводит к более равномерному распределению поверхностного тока в процессе гальваники, эффективно предотвращая локальное наплавление. Статистический анализ изображений подтвердил более высокую плотность зарождения и формирование более плотного, мелкозернистого и однородного затравочного слоя никеля (Ni).

Ученые нанесли пленки из оксида индия-олова на предварительно очищенные стеклянные подложки методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Перед обработкой плазмой образцы последовательно очищали ультразвуком в ацетоне, этаноле и деионизированной воде в течение 20 минут, после чего высушивали в атмосфере азота и на воздухе. Плазменная обработка проводилась в системе плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD) с 4-дюймовым радиочастотным (РЧ) электродом при мощности РЧ-излучения от 0 до 200 Вт или от 0 до 2,5 Вт/см².

Химический состав, поверхностная химия и электронная структура пленок ITO были проанализированы с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), электронного спинового резонанса (ЭСР), силовой микроскопии с использованием зонда Кельвина (KPFM), ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС) и спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Для изготовления солнечных элементов пластины кристаллического кремния n-типа текстурировали в растворе гидроксида калия (KOH), после чего на них осаждали слои a-Si:H методом PECVD и напыляли ITO.

Исследователи объяснили, что оптимизированная обработка плазмой Ar/H₂ одновременно корректирует химический состав, электронную структуру и поверхностную энергию ITO, повышая электропроводность, снижая работу выхода и улучшая межфазные свойства, в то время как чрезмерная обработка приводит к уменьшению толщины материала и ухудшению его характеристик. Кроме того, она эффективно удаляет углеродные загрязнения с поверхности и сглаживает пики на уровне сердцевины, улучшая чистоту поверхности и смачиваемость электролитом, а также обеспечивая равномерное гальваническое покрытие.

На основе оптимизированной технологии плазменного интерфейса был разработан процесс изготовления солнечного элемента на основе гетероструктурного транзистора с двусторонней металлизацией с медным гальваническим покрытием. Заготовки для гетероструктурных транзисторов были сформированы методом фотолитографии и металлизированы с помощью последовательного нанесения слоев никеля, меди и олова (Ni/Cu/Sn). Слой никеля служит одновременно затравочным слоем и диффузионным барьером для предотвращения дефектов, вызванных медью, за ним следует толстый слой меди для переноса заряда и оловянный защитный слой для защиты от окисления и улучшения паяемости.

При тестировании в стандартных условиях освещенности ячейка HJT показала эффективность преобразования энергии 25,2 %, напряжение холостого хода 742,1 мВ, плотность тока короткого замыкания 40,49 мА/см2 и коэффициент заполнения 83,86 %. В эталонном устройстве, изготовленном без использования плазменной обработки, КПД составил всего 21,10 %, напряжение холостого хода — 724,1 мВ, коэффициент заполнения — 71,5 %, при этом значение плотности тока короткого замыкания не определялось.

«Наши результаты показывают, что можно использовать плазменную обработку поверхности раздела с помощью аргона и водорода для металлизации меди методом гальваники для создания высокоэффективных солнечных элементов на основе эффекта поверхностного плазмонного резонанса. Это многообещающий способ снизить зависимость от низкотемпературных серебряных паст и уменьшить риски, связанные с затратами и поставками из-за дефицита серебра в мире», — сказал Хоу, отметив, что наблюдаемое повышение производительности можно масштабировать для устройств большой площади, а первые образцы демонстрируют эффективность выше 24%.