晶体硅（c-Si）太阳电池的降本增效是发展和普及光伏发电，实现“碳达峰、碳中和”目标的重要推动力。以非晶硅/晶体硅异质结（SHJ）为代表的钝化接触太阳电池已获得超25%的转换效率，受到产业界的广泛关注。同时，SHJ电池存在的寄生光吸收高、设备和工艺成本高等问题促使研究人员寻找替代材料和工艺。
近日，中国科学院上海高等研究院李东栋研究员、鲁林峰副研究员团队联合晋能清洁能源科技股份公司在ACS Applied Materials & Interfaces（IF=9.229）上发表了题为“Interfacial Engineering of Cu₂O Passivating Contact for Efficient Crystalline Silicon Solar Cells with an Al₂O₃ Passivation Layer”的论文。
晶体硅与p型Cu₂O材料具有低的价带偏移和高的导带偏移，因此c-Si/Cu₂O异质结可对电子进行阻挡，实现空穴的选择性传输。本论文以p-Si/Cu₂O钝化接触异质结太阳能电池为研究对象，发现直接的p-Si/Cu₂O接触将导致一个自发形成的亚化学计量比SiO_X夹层。同时Cu元素也扩散到硅表面形成深能级掺杂，减少少数载流子寿命。文章随后在p-Si/Cu₂O界面上引入超薄Al₂O₃层（~1nm)，它不仅起到钝化隧道层的作用，而且还抑制了Si/Cu₂O界面上的氧化还原反应和Cu扩散。结合金的高功函数和银的优异光学特性，基于p-Si/Al₂O₃/Cu₂O/Au/Ag钝化接触的太阳电池功率转换效率可达到19.71%，为已报道的同类型电池的最高水平。这项工作揭示了p-Si/Cu₂O钝化接触的界面特性和载流子传输机制，为减少其界面缺陷和实现载流子的选择性传输提供了一个有效策略，可作为一种普适的方法在提升异质结电池效率和稳定性方面得到应用，并为其他类型的薄膜太阳电池的研究提供新的思路。
论文第一作者为中国科学院上海高等研究院博士生李乐，论文通讯作者为中国科学院上海高等研究院李东栋研究员、鲁林峰副研究员。该工作受到了国家自然科学基金委员会，上海市科委和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

图1. p型Si片上沉积Cu₂O和Al₂O₃/Cu₂O叠层薄膜后的（a）少子寿命随注入浓度的关系，以及（b）饱和电流密度（J_0S）。

图2. p-Si和p-Si/Al₂O₃衬底上制备Cu₂O薄膜的Cu 2p, Cu LMM, Si 2p 以及O 1s的XPS图谱。

图3. p-Si和p-Si/Al₂O₃衬底上制备Cu₂O薄膜截面的高分辨透射电子显微镜照片以及相应的能谱分析。

图4. （a）p-Si/Al₂O₃/Cu₂O背接触异质电池示意图，以及不同叠层器件的（b）电流密度-电压（J-V）和（c）外量子效率（EQE）曲线。（d）在不同金属背电极下，体硅和电极的光吸收特性。
参考文献：
Li, L.; Du, G.; Zhou, X.; Lin, Y.; Jiang, Y.; Gao, X.; Lu, L.; Li, G.; Zhang, W.; Feng, Q.; Wang, J.; Yang, L.; Li, D. Interfacial Engineering of Cu₂O Passivating Contact for Efficient Crystalline Silicon Solar Cells with an Al₂O₃ Passivation Layer. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021 13 (24), 28415-28423, DOI: 10.1021/acsami.1c08258.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c08258